关于沃洛宁矿井通风基础理论问题的剖析

从沃洛宁的紊流微分方程的表达、紊流微分方程的求解和他的巷道中风流速度分布函数应用的评价等三个方面，对沃洛宁１９５１年创立的矿井通风基础理论的错误进行了全面的剖析。     

巷道通风过程的理论基础

普朗特混合长度理论是一个不正确的理论,传统的管中流速分布公式是用不正确的理论和错误的方法推导的,在科学上没有意义。笔者修正并重新定义了普朗特混合长度理论,推导出巷道中风流速度的分布函数,并将该函数用作研究巷道通风过程的理论基础。     

巷道通风过程的数学模型

本文用作者的矿井通风基础理论--巷道中风流速度的分布函数,建立了巷道通风过程的数学模型,并用前人的工业实验公式进行了论证,可用来计算贯通巷道型采场,独头巷道的压入式、抽出式和混合式通风的风量计算.     

巷道通风过程的数学模型

本文用作者的矿井通风基础理论－－巷道中风流速度的分布函数,建立了巷道通风过程的数学模型,并用前人的工业实验公式进行了论证,可用来计算贯通巷道型采场,独头巷道的压入式、抽出式和混合式通风的风量计算。     

管流中湍流速度分布函数

应用笔者的“湍流空间位置特征长度理论”和管流中雷诺应力结构方程,建立了管流中湍流速度分布函数.该分布函数不仅能确定管流中的速度分布,而且还能为管道的流量控制测量和管道摩擦阻力系数的测定提供全新的原理与简易的方法,为矿山巷道通风过程数学模型的建立提供可靠的理论基础,为管道流动能系数的确定提供计算方法.同时,应用特征长度理论,建立了湍流边界层区域的总切应力公式和速度分布函数.     

完全发展的管流中紊流速度分布函数研究

应用实验资料，对笔者推导的紊流速度分布的理论公式进行了多方面的校正。修正后的公式简单明确，不仅能用来确定管道中的流体速度分布，而且还可用来计算流体的动能系数、测定管道的摩擦阻力系数、证明截面平均流速在流速图上的相对坐标与管道粗糙度无关的实验结论和确定边界紊流速度值。     

巷道局部弱支护围岩应力场及稳定性分析

基于圆形巷道局部弱支护力学模型,用自然边界元法推导出围岩内应力函数的边界积分公式,对比分析了底板不支护、底板局部弱支护、巷道全周边弱支护、巷道全周边均匀强支护时围岩内应力随角度的变化规律.采用Burger-creep模型,利用FLAC软件模拟分析了深部弱支护巷道边界位移的蠕变规律、围岩塑性区的分布规律等.研究表明:巷道全周边弱支护时,顶、底及两帮破坏并发,初始阶段两帮蠕变速度最快.巷道局部弱支护时,在弱支护范围的两侧出现水平及垂直位移集中现象,围岩从弱支护部位鼓出.底板局部未支护时,底板破坏严重、底鼓量是全周边弱支护时的5倍,塑性区不断向两帮及顶板延伸;底板不支护或弱支护时,通过顶板强支护并不能抑制底鼓现象.研究巷道局部弱支护现象及其发展过程,对于完善巷道支护设计,有针对性地改进支护结构,具有指导意义.     

封闭火区注惰危险性和临界注惰参数

为研究封闭火区注惰早期气体变化规律及爆炸危险性,基于重力流和射流理论,分析了封闭火区内层流和紊流气体层形成机制及特征,推导了防止密闭火区发生爆炸危险的注惰临界速度,并进行了实验证验。研究表明,封闭火区过程中,烟流会形成层流和紊流气体层。紊流气体层火源温度很高,含不完全燃烧产物,在封闭火区后,部分烟流逆流形成混合可燃气体层。当惰气注入速度不能使混合可燃气体层消失时,注惰侧的可燃气体会进入火源区域,进而存在爆炸危险。注惰射流含射流核心区、射流扩展区和湍流流动区。射流扩展区受卷吸作用影响,射流速度下降。湍流流动区射流扩展作用消失。以逆流可燃气体层重力流与惰气射流相互作用为基础,得出了临界注惰速度,其为可燃气体层与惰气密度差、巷道形状、注惰管口尺寸和注惰流量的综合函数。     

关于卡门理论及其公式的分析

详细分析了卡门流速分布公式的推导过程,其是根据相似原理建立的理论,虽形式上采用了普朗特的雷诺应力公式,但物理意义则不相同.其错误之一在于积分时,将流速坡度设定为无穷大值,故其流速分布公式是错误的；其原理上的错误在于建立理论时,将卡巴长度与雷诺应力都用待求的流速分布函数的导函数来定义,形成了一个“自环”无解的错误理论.用对比方法,总结了普朗特和卡门理论的错误根源都在于:混淆了分子运动与湍流脉动的物理概念.此外批判了他人利用此错误公式推导的其它公式.     

对圆管中水泥浆液两相流的一些讨论

分析了水泥浆液在层流和紊流时的速度分布情况及其分界点，并讨论了两相流璃于高浓度及其固相和液相的速度分布情况。     

升浮性浆体速度分布与浓度分布研究

主要研究固体颗粒密度小于清水密度时,以固体颗粒在加速过程中发生的动量传递为出发点,确定了相互发生动量交换的清水和固体颗粒的质量及其它们的速度变化量,还有影响它们动量变化的外界因素.通过理论分析,提出了预计水平管道内这种升浮性浆体的速度分布公式;同时应用紊流扩散理论,对固体颗粒在水平管道内的垂线分布进行了研究,提出了升浮性浆体在水平管道内的固体颗粒垂线浓度分布公式,并通过大量的实验验证了该公式的正确性.     

矿山巷道转弯处冲击波紊流区的数值模拟研究

爆炸空气冲击波的研究是弹药等武器作战效能评估的重要依据,也是对矿井爆炸事故的系统安全性进行分析的基础。爆炸空气冲击波在通过巷道转弯处时,受到巷道壁面的约束而产生反射及叠加,形成冲击波紊流区,将打乱了冲击波能量在巷道内的分布,而后会在传播一定距离后恢复为“平面波”。利用LS-DYNA数值模拟计算程序,对某一弱冲击波通过不同角度的转弯巷道的情况行了数值模拟,找寻转弯巷道之后的冲击波紊流区的规律及特点。通过对数值模拟结果的研究分析,采用超压比准则及冲量比准则重新量化定义了“平面波”;研究结果表明,冲量准则能更好的定义“平面波”,在转弯角后5倍巷道直径的距离冲击波确定恢复为平面波,在20°、45°、90°、135°四种情况下冲击波的冲量衰减系数分别为0.993 7、0.955 9、0.911 5、0.816 7,紊流区内的最大峰值超压可根据文中的拟合公式进行估算。     

基于Fluent的掘进工作面通风热环境数值模拟

基于计算流体动力学和矿井通风理论,建立掘进工作面通风的k-ε紊流模型,导出描述掘进工作面风流紊流流动和温度分布的微分方程。通过分析掘进巷道模型的边界条件,利用Fluent软件模拟压入式通风的风流与巷道围岩和机械设备散热的热湿交换过程,采用TECPLOT软件进行后处理,显示不同供风量下的速度矢量图和风流温度变化。模拟结果表明,增大供风量可以降低巷道温度,但供风量过大,降温效果越来越不明显,仅依靠通风方式无法改变高温现状。     

基于流态转捩的非线性渗流模型及在陷落柱突水机理分析中的应用

岩溶陷落柱突水是威胁煤矿安全生产的重大灾害之一。基于陷落柱突水过程中流体流态转捩（含水层层流到巷道紊流）的渗流本质,建立了三流场（Darcy层流、Forchheimer流和N-S紊流）耦合非线性渗流模型,并应用于骆驼山煤矿“3·1”底板陷落柱突水数值模拟分析。结果表明：随着突水流体流速不断增大,陷落柱Forchheimer流由黏滞阻力为主,到黏滞阻力和惯性阻力共同作用,最后到惯性阻力为主发生了质的变化,陷落柱突水是流体渗流从渐变到突变的动态过程。进一步表明采用Forchheimer方程描述陷落柱内高速非线性层流,能够较好地反映水流从含水层达西层流到巷道紊流的中间状态,可以定量揭示陷落柱突水三种流态转捩的渗流本质。     

封闭火区注惰下瓦斯气体分布规律的探讨

为研究煤矿封闭火区注入惰气抑制火灾情形下火区瓦斯气体分布规律,利用CFD流体软件Fluent建立数学模型并进行数值模拟;在试验巷道中进行了不同流量惰气注入试验,建立了相关的数学模型并对N₂和CO₂不同情形的安全、有效的注入速度进行了计算。结果表明,注惰速度对火区瓦斯分布影响较大,是诱发注惰过程中次生瓦斯事故的主要因素之一;注惰速度较小时,惰气和瓦斯混合缓慢,封闭火区巷道前方易形成危险性瓦斯气体层;注惰速度较大时,惰气和瓦斯迅速混合而起到稀释和惰化作用,紊流作用明显,整个巷道内瓦斯浓度均处于安全范围内。     

矿井主扇扩散芯筒出流速度分布数值模拟研究

扩散芯筒出流速度分布直接影响扩散器入口速度分布,进而影响主扇运行效率.根据工程现场情况,在扩散芯筒外筒体角度为2.1°~5.5°的范围内,和在扩散芯筒整流体角度为2.5°~6.0°的范围内,建立了多个矿井主扇扩散芯筒的物理模型.根据扩散芯筒出流平均速度,建立了扩散芯筒入口速度赋值公式,利用自定义函数初始化了入口速度边界.在扩散芯筒出流平均速度为6.0~10m/s范围内,利用Fluent数值模拟软件包,借助可实现κ-ε两方程湍流模型,进行了扩散芯筒多工况数值模拟.扩散芯筒数值模拟结果表明,就扩散芯筒出流速度分布而言,整流体角度的影响作用大于外筒体角度;在扩散芯筒整流体角度6.0°的优化情况下,随着外筒体角度增加和来流速度增大,扩散芯筒出流速度分布均匀度逐渐变差.     

圆形巷道围岩应力场的自然边界元法

根据复变函数法和复Fourier级数法，通过自然边界归化分别得到了圆形巷道在整体平衡支护及局部非平衡支护时围岩内Airy应力函数的边界积分公式，并得到了各自应力场的解析解或数值解；对比分析了这两种应力场随侧压系数或支护角度变化的分布规律，计算表明，局部支护时随着侧压系数或支护角度的增加，压应力峰值下降，使得上覆岩层的稳定性得到提高．     

掘进巷道风流热环境的数值模拟

用三维k-ε紊流模型模拟了压入式局部通风掘进工作面风流与巷道围岩的热交换过程以及巷道壁面水分和风流之间的热湿交换.得出掘进工作面风流温度和湿度的分布是相似的， 阐明了从工作面壁面散发显热和潜热随时间的变化规律及其与湿度系数的关系，即湿度系数越大，潜热热流密度越大，显热热流密度越小，总热流密度随湿度系数的增大而增加.分析了掘进巷道周围岩石的温度分布和变化规律，壁面换热系数分布不均匀对壁面附近岩石温度分布有很大影响，随着向围岩内部的深入，围岩温度趋于均匀分布.     

计算机仿真在巷道围岩与风流热交换研究中的应用

<正> 巷道围岩与风流热交换的理论研究是矿内空气热力学的基础。这一工作的开展对深井降温技术实践和地热能源的利用都有指导意义。本文的主要目的在于给出求算非稳态热交换过程中,任一时刻水平巷道围岩内岩温径向分布及巷道中风温沿轴向分布的方法。为解决工程实际问题(诸如:冷却方式的选择,地温利用中预热暴露面积的确定等)提供理论依据。水平巷道围岩与风流热交换的研究内容     

浅析瓦斯燃烧事故的处理技术

以瓦斯爆炸三角形及燃烧区域的划分、瓦斯随风流动的层流紊流状态,以及巷道风量、风速分布等理论为依据,探讨了低浓度层流、紊流瓦斯燃烧,高浓度层流、紊流瓦斯燃烧的处理技术。