高温矿井巷道风流对流换热相似实验研究

运用模型实验相似理论,推导出高温矿井巷道风流对流换热原型和模型之间的相似判据,建立了高温矿井巷道风流对流换热的实验系统。测量并分析了不同巷道壁温、不同入口风速以及入口温度对对流换热系数的影响;利用相关分析的方法,分析了巷道壁温、入口风速和巷道平均风流温度对对流换热系数的影响程度,得到各因素对对流换热系数影响程度,按从大到小的顺序为巷道平均风流温度、入口风速及巷道壁温;其中,巷道平均风流温度和入口风速均与对流换热系数呈正相关,而巷道壁温与对流换热系数呈负相关。基于对各影响因素的分析,得到了高温矿井巷道风流对流换热实验关联式,该关联式可以在实验范围内计算实际矿井风流的对流换热系数。     

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。     

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。     

高温矿井风流温度和湿度预测及其程序编制

分析了不同外界条件下巷道围岩与风流的不稳定换热系数的理论计算方法.讨论了存在不同壁面粗糙程度的巷道中围岩或煤壁氧化散热及其对风流温度的影响.然后以热力学中热质交换理论为基础,建立了单风路矿井巷道沿程风流温度、湿度的预测计算的理论以及数学模型,并编制了井下巷道风温分段计算的计算机程序.最后将该计算机程序应用于实际现场中,得到的计算结果与实测结果吻合,检验了该计算机程序的可靠性.     

风机风压对瓦斯风压引起风流逆转的影响

为研究瓦斯风压引起的旁侧支路风流逆转受风机风压的影响,建立了并联巷道的网络模型,并以一维不可压缩非稳定流常微分方程为基础列出风流速度的控制方程组,利用该方程组计算的结果与现有软件数值模拟的结果接近。方程组利用二次曲线拟合风机曲线,在不同风机曲线拟合系数的情况下,对方程组计算数值解。计算结果表明:加大风机风压可以减弱瓦斯风压对风流的影响,风机风压较大时可以防止风流逆转;风机风压的加大可以提高巷道的初始风速,减少风流恢复正常所用的时间,但是风机风压的加大并不能明显改变风流速度的变化率。     

建井期间平巷冷风输送系统的冷损失

建井期间平巷掘进工作面局部降温系统多采用非保温风筒长距离输送冷风的方法,输送距离可达600 m。由于距离长输送过程中的冷量损失占总制冷量的比重较大,是影响降温系统投资、设计、运行管理的关键因素。为解决该项冷量损失的计算问题,针对建井期间水平巷道的掘进与通风系统尚未贯通的特点,基于风筒内、外风流及风流与围岩间热能的输运与守恒关系,构建了风筒内、外风流温度场的微分方程组;并将巷道内随通风时长变化的不稳定换热系数解析为沿巷道长度变化的空间分布函数,通过数值计算得到了风筒内外温度场的分布及输送过程中的冷量损失。进一步结合工程案例现场实测的结果,分析了降温系统送风风筒入口风温、通风时间与送风距离、送风量等主要设计参数对风筒、内外风流温度场及输送冷量损失的影响。并通过理论计算对比了该案例在通风时长为0,30,90,120,150 d,送风量为300,330,360 m³/min,送风入口风温为16,18,20℃时系统的运行特征,结果表明围岩与风流的不稳定换热系数随通风时长增加而减小,并在通风90 d左右后基本达到稳定;受不稳定换热系数变化的影响,风筒内风流的温度沿风流方向增加...     

主动隔热巷道隔热层热物性参数对隔热效果的影响

为得到主动隔热巷道隔热层热物性参数对隔热效果的影响规律,建立了主动隔热巷道风流与围岩的气—固耦合传热模型。选取8种建筑保温材料的热物性参数进行数值模拟,结果表明:不论巷道是否构建有隔热层,巷道围岩的散热量都与通风时间呈正幂指数关系;巷道构建隔热层后,减少的围岩散热量与隔热层的导热系数呈负幂指数关系,同一地点的风流温度降低值与隔热层的导热系数呈负指数关系。隔热层导热系数是影响其隔热效果的主要因素,隔热层的导热系数越小,隔热效果越明显。     

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。     

局部通风掘进工作面热参数的现场测定方法

巷道表面的湿度系数、显热比和风筒的综合换热系数等参数取值的精确程度,对于模拟和预测掘进工作面热环境是非常重要的。在局部通风巷道中,由于风筒的存在,这些参数的确定非常复杂。作者提出了根据现场测定的风筒内及巷道内风流的温度、湿度及其风量等参数的数值,计算局部通风巷道中巷道壁面的湿度系数、显热比和风筒的综合换热系数的方法,并通过实测获得了这些参数的数值。     

掘进巷道风流流场和温度场数值模拟

针对长距离掘进巷道仿真模型中长度与高度、宽度比例不协调的问题,选取永川煤矿掘进工作面及附近50 m巷道区域为研究对象,采用CFD软件对巷道风流流场及降温前后温度场的分布及变化进行了模拟分析,结果表明:掘进工作面及巷道内风流速度整体上以风筒出口为界分为高速风流区和低速风流区。高速区风流速度较大(5~10 m/s),流场结构复杂并且衰减明显;低速区风流速度较小(1 m/s左右),衰减变化不明显。掘进巷道及工作面温度受风筒出口风流温度影响较大,容易产生巷道里端冷、外端热的风流"回头热"现象。掘进工作面及巷道流场模拟结果与实际吻合程度较高,但温度场模拟结果与实际有一定的差距。     

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。     

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。     

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。     

巷道围岩温度场有限体积法模拟计算及实验分析

根据巷道围岩温度场的散热特点,基于能量守恒定律和傅里叶定律,建立巷道围岩非稳态温度场数学模型,利用有限体积计算方法编制解算程序并求解出巷道围岩温度场。建立巷道围岩温度场相似模拟实验平台,并利用实验结果对有限体积计算方法的模拟结果进行实验验证,对比后发现有限体积法计算结果同相似模拟实验结果吻合,两者得到的巷道围岩温度场时空曲线变化趋势一致,由此说明了应用该有限体积计算方法所建立数学模型和解算程序的正确性与科学性。利用计算模拟结果和相似模拟实验结果对恒定风流温度下巷道围岩温度场非稳态变化过程中的影响因素进行分析,得到了巷道围岩温度场的变化规律,并以实例分析了巷道围岩温度场的非稳态过程并计算出围岩散热量。     

倾斜巷道风流热环境数值模拟

由于长期的开采,我国煤矿浅部资源已殆尽,矿井开采以每年15m的速度向深部开采,热害已经成为矿井灾害之一,矿井风流热交换理论的研究对热害治理有重要意义.基于传热学理论,建立了三维矿井风流与倾斜巷道热湿交换的数学模型,采用异步长有限差分法对巷道内风流热环境参数进行数值模拟求解,分析了巷道倾角对风流温湿度的影响,得到了巷道倾角不同时风流温、湿度关系分布图,对高温矿井热害治理有一定的指导意义.     

矿井热交换对通风网络解算的影响

为了保证煤矿井下正常生产,需要一个合理可靠的矿井通风系统。当矿井开采到一定深度,围岩温度逐渐上升,此时对通风系统进行网络解算必须考虑风流与围岩之间的热交换问题。测试了某千米矿井通风系统的负压,在通风系统网络解算中引入节点风流热量平衡方程,分析了热交换问题对通风系统网络解算的影响;对比了忽略热交换和考虑热交换影响的2种通风系统网络解算结果的分支风量偏差。对不同的矿井总风量进行网络解算,分析了热交换对风量分配的影响程度,得出了随着矿井总风量减小,热交换对通风网络解算结果的影响变大的结论。在实例中验证了考虑热交换的通风网络解算的准确性,达到了井下特定地点风量准确计算的目的。     

矿井风流热力状态预测方法研究

通过对矿井巷道风流能量方程进行分析,根据传热学的基本原理,应用数学的基本手段,推导出矿井巷道风流温、湿度的近似计算公式。应用Visual Basic编程技术编制了巷道温湿度计算管理程序,并已成功地应用于某金矿的巷道风流温、湿度预测分析。     

井巷围岩与风流间温湿交换理论模型及应用

结合金洲矿业集团金青顶矿区的实际情况,对井巷围岩与风流间温湿交换建立了数学模型,通过与现场实测结果比较分析,数值模拟的入风流温度分布与实测数据非常接近,在深度和水平方向上的变化较为明显,反映了实际岩层预冷降温系统中入风流在废弃斜井中的变化情况,揭示了井巷围岩与风流间的热交换规律,证明了所建立的预测模型在地温预冷分析方面的可行性并应用于通风系统的实际设计之中。