巷壁与风流间对流换热系数计算及敏感性分析

为准确计算矿井巷道风流与巷壁间的对流换热系数,根据巷道风流与巷壁间的热湿交换原理,考虑巷壁潮湿、巷道风流为湿空气及巷壁粗糙特征等矿井实际生产情况,将对流换热系数表示为风温、风速、潮湿率、巷道尺寸、巷壁温度、热物性参数及摩擦阻力系数等可测参数的函数;基于对流换热系数的表达式,利用敏感性分析法,主要讨论了对流换热系数对巷道风速、巷道半径及巷道摩擦阻力系数等3个因素的敏感程度。结果表明:3个因素的影响敏感程度具有较明显差异,其中巷道风速是影响对流换热系数的最敏感因素,对流换热系数对巷道摩擦阻力系数敏感性次之,对巷道半径敏感度最低,且当巷道半径在一定范围内变化时对流换热系数对巷道半径的敏感度较低,此时可忽略其对换热系数的影响。     

基于灰色关联度的围岩与风流对流换热系数影响因素分析

基于相似理论搭建矿井通风降温模拟实验台,利用控制变量法进行实验,测得不同条件下围岩与风流间的对流换热系数,以围岩与风流对流换热系数作为主序列,以围岩温度、风流温度、风流速度作为子序列,利用灰色关联度分析方法得到不同影响因素与对流换热系数的关联程度。研究结果表明,在所选取的围岩温度、风流温度、风流速度3个子序列中,风流速度与围岩对流换热系数的关联度最大,其次是风流温度,围岩温度对其影响最小。在矿井通风降温系统的设计中应尽可能地增加风流速度。     

矿井热害事故树的建立及风温预测

文中对矿井下风流温度升高的原因进行了分析,得出引起矿井高温的主要原因是井下风流和巷道壁面的对流换热以及风流自身的压缩热,并建立了相应的矿井热害事故树图。最后对矿井巷道岩石内部温度场做了分析,提出矿井干燥巷道风流温度的预测式,对水平和倾斜巷道中风流温度的变化规律进行了模拟分析,从而为矿井降温奠定相应的理论基础。     

高温矿井风网解算中通风参数校正问题的探讨

受风流增温的影响,使用常规算法计算高温矿井的巷道通风参数会产生一定误差,这会直接影响风网解算结果。通过研究空气密度的计算、风流与巷道进行热交换条件下风流温度的分布计算、巷道段的自然风压计算,通过巷道入口风流温度和巷道壁对流传热系数计算,获得高温矿井巷道自然风压的计算方法,利用该方法计算巷道自然风压,参数易于测得、计算结果精确、便于实际应用;通过分析风流增温对巷道风量的影响,为解决节点风量平衡与风流增温风量增加的矛盾,假设巷道风量不变,通过巷道风阻校正,消除保持风量不变对巷道阻力计算的影响。通过自然风压的加入与巷道风阻的校正,可有效提高高温矿井的风网解算精度。     

水分蒸发引起巷道局部壁温低于风温的理论分析

现场实测发现高温矿井井下巷道壁面温度低于风流干球温度现象.通过对巷道围岩与风流间热湿交换分析,建立了巷道围岩内部温度场数学模型;将潜热交换量表示成巷道壁面温度、风流温度及对流换热系数的函数,得出了求解巷道壁面温度的计算式;对此巷道壁面温度计算式进行数学变换、整理,得出二次曲线.经理论和图解法分析得出了湿润巷道壁面温度低于风流干球温度的临界条件,从理论上解释了"高温矿井湿润巷道壁面局部温度低于风流干球温度"这一现象.     

掘进工作面换热模拟研究

根据掘进工作面通风和换热特点,以掘进工作面冲击射流换热系数的影响因素关联式为基础,采用ANSYS软件,对特定巷道(中煤科工集团重庆研究院粉尘通风防灭火试验巷道,D已确定)不同风流雷诺数Re、风筒直径d、风筒出口距迎头断面的距离H以及边界围岩处于恒壁温条件下等840种组合情况进行了模拟。得出了掘进工作面冲击射流换热系数影响因素关联式的具体形式,其相关系数R2为0.937,可为矿井降温中围岩热源散热量的计算提供理论基础。     

矿井巷道淋湿蒸发换热系数构建及风流温度计算

针对全矿井网域系统巷道围岩与风流热-湿交换计算复杂的问题,提出构建淋湿巷道风流换热系数模型,根据现场实测风流相对湿度,掌握矿井(进风侧)风流湿度变化规律,反向推演确定井巷水蒸发影响下风流与巷道围岩热交换的模型,修正围岩与风流的换热系数;用风量加权距离描述实际矿井网域风流相对湿度变化规律。结合九道岭矿实例,将算法纳入到矿井网络系统中,在MATLAB平台上运用TF1M3D对全矿井网域系统风流温度进行仿真求解。研究表明,巷道淋水蒸发吸热对井巷风流温度影响很大,主进风井段风流温度增加0.97℃,变化幅度不大,随着湿度增大风流温度递增变化幅度增大,与九道岭矿进风大巷测定结果吻合。将该算法纳入网络体系计算中,可解决3D矿井模型通风系统热害防治温度分布仿真及自然风压自动计算问题。     

热害矿井掘进工作面换热特性

为量化热害矿井掘进工作面的换热特性,根据其通风和换热特点,以掘进工作面冲击射流换热系数的影响因素关联式为基础,结合工程实践中常见参数对换热系数影响因素进行了1∶1的ANSYS数值模拟试验和1∶3的室内相似模拟实验。结果表明:模拟和实验结果在数值范围和变化趋势两方面吻合程度都较高。对数值模拟和实验结果进行回归分析,得到了掘进工作面冲击射流换热系数影响因素关联式的具体形式。数值模拟和实验结果回归分析式的相关系数分别为0.925和0.944。     

基于CFD模拟的巷道风速监测值修正处理

利用CFD软件对矿井巷道的风流场进行了三维数值模拟,揭示了不同形式巷道风流速度分布特征,分析了监测点风速与平均风速的关系,确定了风速监测数据修正系数,为矿井利用传感器准确监测巷道风量提供了有力保障。     

复杂流场下平均风速变化规律研究

矿井风速是支持矿井生产的重要指标之一。基于模拟矿井通风模型以及Fluent数值模拟技术,构建了拐弯巷道下的模拟矿井通风实验室以及三维物理模型,模拟在风流拐弯流场下距离对流场的影响,并用巷道直径作为划分影响流场的判断标准,通过试验与数值模拟得到风速传感器在距离拐弯后10倍巷道直径处,得到的测量值近似于平均风速值,此处平均风速受巷道拐弯的影响较小;在拐弯后2～8倍巷道直径范围内,半圆形巷道存在一部分区域风速值接近平均风速,区域位置在距底板长度的1/4处,沿着巷道中线往巷道外侧偏移,偏移范围为底板长度的1/4;矩形巷道同样存在近似平均风速范围,只是移动范围较小,偏移范围为底板长度的1/5。     

掘进巷道通风降温的数值模拟及影响因素分析

选取夏甸金矿-682 m水平38#掘进巷道为研究对象,进行通风降温试验测定,并用Fluent软件对试验条件下掘进巷道的风流速度场和温度场分布进行数值模拟计算,验证了该模拟方法的可靠性。研究不同因素对巷道降温效果的影响,初步得出了井下掘进巷道风流温度与风量、入风温度以及岩壁温度的变化规律。掘进巷道通风降温影响因素的排序为入风温度>岩壁温度>风量。入风温度和岩壁温度的升高均会导致与巷道风流温度线性升高。通过增加风量来降低风流温度是有效的,但随着风量的增加,其降温效果会越来越不明显。     

局部通风掘进工作面换热系数分布研究

运用计算流体力学软件FLUENT对局部通风掘进工作面的流场、巷道壁面和风流之间的热量交换进行模拟,获得了局部通风掘进工作面风流速度和温度的分布。根据牛顿冷却定律和换热量与壁面风流速度、摩擦速度以及壁面黏度系数之间的关系,提出了换热系数的计算方法。运用此方法得到了半圆拱形巷道掘进工作面无量纲换热系数的分布,并对不同风量和不同壁面温度情况下无量纲换热系数进行对比分析可知,无量纲换热系数不受巷道风量和壁面温度的影响,只与风筒位置和巷道形状有关。     

井巷围岩与风流热湿交换影响因素分析

基于不稳定换热系数,建立了经过一段巷道后风流的温升公式,并运用计算软件Mathematica分析了各种参数对于井巷围岩与风流间的热交换结果的影响。从分析结果来看,岩石的热导率和巷道断面周长对风流的温升有一定影响,壁面粗糙度系数影响不明显,风流质量流量的影响很明显,而巷道水分蒸发的影响最强烈。相关计算参数获取的多寡和精度决定了计算的精确度。     

围岩散热风流温度、湿度计算时水分蒸发的处理

在进行巷道水分蒸发处理时,建立了壁面水分、风流中水分同时蒸发情况下,围岩温度场分布、壁面与风流热湿交换、风流温湿度变化的数学方程。当水分蒸发量一定情况下,解算出水分全部由巷道壁面蒸发和全部从风流中蒸发时的围岩温度分布规律,壁面温度、风流温度、风流相对湿度随巷道距离的分布规律,围岩散热热流密度随通风时间的变化规律并进行了对比分析。结果表明,水分全部由巷道壁面蒸发时比水分全部从风流中蒸发时的围岩温度低,巷道壁面温度也低,围岩散热量大,所计算出的风流温度也高;通风时间越短和巷道距离越长,差别越大。因此,在对井下风流热环境进行预测时,将巷道中水分蒸发全部处理成在巷道壁面蒸发是不合理的,应该根据实际情况同时考虑巷道壁面水分蒸发和风流中水分蒸发两个过程。     

基于LDA的均直巷道断面突扩风速分布规律实验研究

风速分布是计算井下巷道瓦斯、火灾气体、粉尘运移规律,温度、湿度分布,传热传质过程的基础,对风速传感器布置及测风仪表研制具有重要意义。针对传统的接触式瞬时速度测量方法的局限性,采用非接触式激光多普勒测速仪（LDA）对均直巷道的稳定流动及断面突扩后风流状态进行实验测试。在平均风速为4 m/s左右的条件下,得出即使是均直巷道的稳定流动,其瞬时风速的大小及方向也呈现极度的湍流脉动性,平均脉动幅度可达平均风速值的33%左右,测点风速大小及风向均服从正态高斯分布;在突扩区域有大涡存在,漩涡区风流方向极不规则,各向均有分布,其风速平均绝对值在0.1~0.2 m/s左右波动,表明井下工程测风可有条件地忽略湍流大涡区域。受突扩影响均直巷道断面风速分布呈近似均等的动态的波浪线分布而非拟抛物线型,壁面光滑的实验巷道边界层厚度在5 mm左右,风速以跃迁方式“突变”达到均值。实验表明,传统的测风原理及方法仅能满足一般的工程需要,但是不能满足以湍流为特征的巷道瓦斯、火灾气体、粉尘运移规律,温度、湿度分布,传热传质等过程的计算要求。     

掘进巷道风流温度场分布规律的研究

为了获得掘进巷道风流温度场分布规律,通过巷道实体模型和数值模拟实验相结合的方法,测试了不同巷壁温度、通风风量、入口风温时掘进巷道风流热环境的分布情况,分析了温湿度场分布差异,提出掘进巷道风流温度场"四区"即迎头阻碍区、射流影响区、回风稳定区、外部影响区分布概念,壁温发生改变可对迎头阻碍区、外部影响区造成更大影响,改变入风温度可对射流影响区造成更大影响;通过对比分析掘进巷道风流温度和湿度场,发现风流温度分布受风流参数影响较大,而湿度分布受巷道物理结构影响较大。     

干燥巷道围岩传热对平巷风流温度影响研究

井下巷道中的风流温度受到多种因素的影响,如原岩温度、围岩传热性能、风流与围岩的热交换时间、其他热源等,其中围岩传热起主要作用。为分析围岩传热对风温的影响,以干燥巷道为例,根据巷道围岩与风流热交换规律,通过理论计算,分析水平巷道围岩与风流热交换对风温变化的基本影响规律,为矿井通风设计提供较精确的预测值,使矿井通风设计更精细。     

煤矿乏风瓦斯流入特性对填充床内置换热器取热的影响

在实验验证数学模型有效基础上,研究了气体流入特性对煤矿乏风氧化床内置换热器取热的影响,结果表明:填充床内置换热器取热率随床层入口气体质量流速均匀性指数的下降而减小,蜂窝陶瓷的存在导致气体流动单向导通、增大床层物理流速及辐射面积,使床层入口气体质量流速均匀性指数减幅相同时填充床内置换热器取热率减小幅度要比空床换热器大;床层入口气体平均质量流速不变时,内置热器取热率随床层入口气体温度均匀性变差而减小,温度分布不均同时引起流速分布不均,温度分布不均引起的取热率下降幅度要明显大于相同平均质量流速、温度下床层入口气体流速不均引起的取热率下降幅度;对于立式氧化床,各部分气体由于温度不同导致的浮力大小不同以及气体所受浮力由于进风方式不同导致的对流动影响差异,换热器取热率也随之发生变化,随着床层入口气体平均温度逐步升高,进风方式对取热率影响越来越明显。     

流热耦合作用下组合岩体等效导热系数研究

针对存在裂隙和流体的组合岩体,采用理论分析、数值计算和实验研究相结合的方法,基于传热学和热动力学的基本原理,综合考虑不同性质岩石的传热和裂隙流体的对流换热,建立了流热耦合条件下组合岩体等效导热系数的计算模型;采用有限元数值模拟方法,随机模拟岩石的孔隙结构,建立了孔隙分别被空气和水充填时,岩石等效导热系数的统一经验方程;通过对裂隙流体与岩体对流换热系数的实验测试,给出了对流换热系数随与流速和温差的关系;综合分析了裂隙和流体对组合岩体导热性的作用,在低流速和小温差条件下,对流换热阻较小,裂隙宽度和流体导热性对岩体导热系数的影响较大;在高流速和大温差条件下,对流换热阻逐渐超过裂隙流体的热阻,组合岩体导热系数明显增大。