遼寧大隆礦區(qū)礦井巷道空氣溫度的數(shù)值模擬與分析

楊偉，楊琳琳，孫躍

(遼寧工程技術(shù)大學(xué)建筑與工程學(xué)院，遼寧阜新 123000)

遼寧大隆礦區(qū)礦井巷道空氣溫度的數(shù)值模擬與分析

楊偉，楊琳琳，孫躍

(遼寧工程技術(shù)大學(xué)建筑與工程學(xué)院，遼寧阜新 123000)

為解決深部開(kāi)采帶來(lái)的巷道內(nèi)溫度過(guò)高而沒(méi)有對(duì)熱量加以利用的問(wèn)題，采用傳熱學(xué)、計(jì)算流體力學(xué)理論，對(duì)巷道圍巖—空氣換熱系統(tǒng)進(jìn)行了三維數(shù)值計(jì)算，研究了在滲流和無(wú)滲流條件下巷道內(nèi)部溫度場(chǎng)隨巷道空氣入口雷諾數(shù)的變化規(guī)律。計(jì)算結(jié)果表明:在巷道長(zhǎng)度方向0～50m范圍內(nèi)溫升不明顯，超過(guò)50m后溫度增加明顯，并且隨著長(zhǎng)度增加溫度相應(yīng)增加;滲流情況下，巷道空氣出口平均溫度高于無(wú)滲流情況下巷道空氣出口平均溫度;滲流情況下，雷諾數(shù)在1.3×105～3.5×105、11.33×105～3.5×105間平均總傳熱系數(shù)大于無(wú)滲流情況下平均總傳熱系數(shù)?？刂葡锏揽諝馊肟诶字Z數(shù)是解決巷道內(nèi)溫度過(guò)高和對(duì)熱量加以利用的關(guān)鍵。以上結(jié)論為礦井熱害的綜合治理、基于巷道風(fēng)熱量利用的空氣源熱泵系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了重要依據(jù)。

礦井降溫;耦合傳熱;數(shù)值模擬;變化規(guī)律;遼寧大隆礦區(qū)

0 引言

深部煤礦資源的開(kāi)采以開(kāi)采煤炭為主，而對(duì)于地下的熱量資源沒(méi)有利用。隨著礦井開(kāi)采深度的增加和機(jī)械化程度的提高，礦井內(nèi)部空氣高溫問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重［1］。采用通風(fēng)方法是治理礦井內(nèi)部空氣高溫的方法之一［2］，礦井通風(fēng)把新鮮空氣送入井下［3］，排除井下生產(chǎn)過(guò)程中不斷產(chǎn)生有毒有害氣體，同時(shí)也排除一部分由于地溫升高帶來(lái)的一部分巷道內(nèi)熱量。在冬季，將巷道排除后的熱空氣處理后作為熱泵系統(tǒng)的熱源加以利用，提高空氣源熱泵的性能系數(shù)［4－6］。在考慮經(jīng)濟(jì)性因素的基礎(chǔ)上，得出礦井內(nèi)部空氣溫度變化規(guī)律、數(shù)據(jù)及結(jié)論，為分析更為復(fù)雜問(wèn)題，奠定基礎(chǔ)。

1 基本概況

大隆礦區(qū)位于鐵法市，介于北緯42°21′31″～42° 33′19″，東經(jīng)123°21′31″～123°41′52″之間，年平均氣溫6.85°。7月份為最熱月份，平均氣溫24.1°，極端最高氣溫35.9°;一月份為最冷月份，平均為－13.1°，極端最低氣溫為－34.3°。

研究區(qū)域資料來(lái)源于地下600m巷道的原位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)［7－9］，巷道斷面為半圓拱形，斷面寬度2.6m，直墻高1.5m，拱高為1.3m，斷面積為6.55m2;每1m長(zhǎng)巷道的內(nèi)表面積9.68m2;巷道斷面周界長(zhǎng)度9.68m。研究區(qū)域選定為12m×10m×2000m范圍內(nèi)的巷道圍巖，利用Gambit［10］創(chuàng)建三角形網(wǎng)格，巷道圍巖的網(wǎng)格生成的單元網(wǎng)格數(shù)目為58400個(gè)，節(jié)點(diǎn)56079個(gè);巷道網(wǎng)格生成的單元網(wǎng)格數(shù)目為10854個(gè)，節(jié)點(diǎn)16800個(gè)。圍巖斷面、巷道斷面網(wǎng)格劃分結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1、2，巷道圍巖的三維體網(wǎng)格劃分見(jiàn)圖3。

圖1 巷道圍巖的平面網(wǎng)格劃分Fig.1 Mesh faces of rock around the tunnel

物理現(xiàn)象見(jiàn)圖3，其參數(shù)分別為巷道入口風(fēng)雷諾數(shù)Re(改變雷諾數(shù)從而造成不同的工況)、水;巷道

圖2 巷道的平面網(wǎng)格劃分Fig.2 Mesh faces of tunnel

圖3 圍巖、巷道的體網(wǎng)格劃分Fig.3 Mesh volumes of rock and tunnel

左側(cè)為空氣進(jìn)口，坐標(biāo)位于x=0m處。不考慮垂直方向質(zhì)量力，內(nèi)部工作介質(zhì)為空氣，作不可壓縮處理，24.1°空氣的熱物性參數(shù)為:密度ρ=1.205kg/m3，比熱c=1.005kJ/(kg·K)，導(dǎo)熱系數(shù)λ=0.0259W/ (m·K)，熱擴(kuò)散率a=2.14×10－7m2/s。巷道巖體的熱物性參數(shù)為:巷道圍巖密度ρ=2 350 kg/m3，比熱c=0.84kJ/(kg·K)，導(dǎo)熱系數(shù)K=1.43 W/(m· K)，熱擴(kuò)散率a=7.24×10－7m2/s，圍巖溫度32.75°，內(nèi)部阻力因子取0，粘性阻力系數(shù)取0.00625［11］。

2 耦合傳熱計(jì)算和結(jié)果

2.1 基本假設(shè)

基于巷道風(fēng)溫度是通過(guò)空氣與巷道圍巖間的熱交換而實(shí)現(xiàn)，并且受到外界條件和系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行情況的影響［12－14］。其熱邊界條件無(wú)法預(yù)先確定，傳熱時(shí)受到流體與壁面之間相互作用的制約，為耦合傳熱問(wèn)題［15－16］。為研究問(wèn)題方便，特作如下假設(shè):

(1)巷道周圍巖石的物性參數(shù)為常數(shù)［17］;

(2)有通風(fēng)時(shí)，巷道內(nèi)空氣以對(duì)流換熱為主，不考慮各表面間的輻射換熱［18－19］;

(3)地層中在未受干擾的情況下常年保持恒定的溫度。

2.2 數(shù)值求解

用FLUENT軟件三維雙精度求解器求解［20、21］。設(shè)置連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、能量方程［22］，使用分離求解器，對(duì)時(shí)間項(xiàng)采用2階差分格式，K-ε紊流模型，巷道圍巖初始溫度為305.75K。求解器中能量、動(dòng)量及K、ε方程為2階向前差分格式，為了加速計(jì)算壓力和速度耦合求解的速度，采用了Piso算法。先計(jì)算絕熱流動(dòng)，然后再考慮能量方程的計(jì)算。

2.3 結(jié)果

在無(wú)滲流狀態(tài)和滲流狀態(tài)下，分別針對(duì)巷道入口風(fēng)在雷諾數(shù)Re為0.3498×105、0.872×105、1.743 ×105、2.615×105、3.486×105、5.229×105、6.972× 105、8.716×105、10.459×105和12.202×105的二十種工況［1］進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖4～7。

圖4 Y=0、Z=0、X=0～2000m空氣溫度隨巷道長(zhǎng)度變化(無(wú)滲流狀態(tài))(巷道X=0m處為巷道空氣入口，X=2000m處為巷道空氣出口)Fig.4 Change of air temperature with the length of tunnel in Y=0、Z=0、X=0～2000 with no seepage flow

3 討論

(1)由圖4巷道內(nèi)空氣溫度隨巷道長(zhǎng)度變化(無(wú)滲流狀態(tài))曲線可知:經(jīng)過(guò)2000m巷道圍巖與空氣的對(duì)流換熱作用，巷道內(nèi)空氣溫度隨巷道長(zhǎng)度變化和雷

圖5 Y=0、Z=0、X=0～2000m空氣溫度隨巷道長(zhǎng)度變化(滲流狀態(tài))Fig.5 Change of air temperature with the length of tunnel in Y=0、Z=0、X=0～2000 with seepage flow

圖6 平均總傳熱系數(shù)k隨巷道入口風(fēng)Re變化關(guān)系Fig.6 Change of average overall heat transfer coefficient k with Re of entrance wind

圖7 Q/Qmax隨巷道入口風(fēng)Re變化關(guān)系Fig.7 Change of Q/Qmax with Re of entrance wind

諾數(shù)有較大變化。最大值為305.59 K，最小值為298.88 K，升溫溫差為1.78K～8.49K。升溫溫差最小值發(fā)生在巷道入口風(fēng)雷諾數(shù)Re=12.202×105，升溫溫差最大值發(fā)生在巷道入口風(fēng)雷諾數(shù)Re=0.349 ×105。按入口風(fēng)雷諾數(shù)遞增出口溫度遞減方式排序。雷諾數(shù)越小，巷道圍巖與巷道內(nèi)空氣的對(duì)流換熱時(shí)間長(zhǎng)，加熱空氣溫度越高。巷道入口風(fēng)雷諾數(shù)Re 在0.349×105～0.872×105間時(shí)，巷道內(nèi)空氣溫度隨巷道長(zhǎng)度變化按二次曲線變化，前1500m為主要升溫區(qū)間;雷諾數(shù)Re在1.743×105～12.202×105間時(shí)巷道內(nèi)空氣溫度隨巷道長(zhǎng)度變化基本按一次曲線變化，巷道全長(zhǎng)升溫基本均勻;雷諾數(shù)Re在10.459×105和12.202×105時(shí)，兩條空氣溫度線接近重合，說(shuō)明雷諾數(shù)Re超過(guò)10.459×105后，加熱空氣溫度有個(gè)最低限值。在巷道長(zhǎng)度方向，0～50m范圍內(nèi)溫升不明顯，超過(guò)50m后溫度增加明顯，并且隨著長(zhǎng)度增加溫度相應(yīng)增加。巷道長(zhǎng)度越長(zhǎng)，巷道圍巖壁面與空氣間的換熱面積增大，換熱時(shí)間增長(zhǎng)，巷道出口的空氣溫度越高，空氣進(jìn)出口溫差越大。從獲得巷道空氣出口平均溫度較大值角度考慮，巷道入口風(fēng)雷諾數(shù)Re在0.349×105～0.872×105間時(shí)能獲得較好的巷道空氣出口平均溫度較大值，又較為節(jié)省動(dòng)力消耗。從獲得巷道內(nèi)適宜工作環(huán)境溫度考慮，巷道入口風(fēng)雷諾數(shù)Re在2.615×105～12.202×105間時(shí)能獲得較好的巷道內(nèi)空氣溫度。

(2)圖5巷道內(nèi)空氣溫度隨巷道長(zhǎng)度變化(滲流狀態(tài))與圖4有明顯差別。巷道出口空氣溫度高于無(wú)滲流狀態(tài)巷道出口空氣溫度。在巷道長(zhǎng)度方向，巷道入口風(fēng)雷諾數(shù)Re在0.349×105時(shí)，0～700m范圍內(nèi)升溫明顯，并且700m后空氣溫度接近圍巖溫度;雷諾數(shù)Re在0.8729×105時(shí)，在1300m處空氣溫度接近圍巖溫度;雷諾數(shù)Re在1.7439×105和2.615×105時(shí)，在出處口空氣溫度達(dá)305.577K。說(shuō)明圍巖在有水滲流狀態(tài)下導(dǎo)熱能力增強(qiáng)，圍巖表面與內(nèi)部溫度梯度小。在空氣低雷諾數(shù)下流動(dòng)，對(duì)流傳熱時(shí)間長(zhǎng)，巷道內(nèi)空氣溫度高。滲流是空氣溫度增加的主要原因。

巷道入口風(fēng)雷諾數(shù)Re在3.486×105～12.202 ×105時(shí)，空氣溫度隨巷道長(zhǎng)度變化均勻增加。說(shuō)明巷道入口風(fēng)雷諾數(shù)Re超過(guò)0.349×105時(shí)，對(duì)流傳熱時(shí)間相對(duì)減小，空氣溫度隨巷道長(zhǎng)度增加而增加。巷道長(zhǎng)度是空氣溫度增加的主要原因。從獲得巷道空氣出口平均溫度較大值角度考慮，巷道入口風(fēng)雷諾數(shù)Re在0.349×105～2.615×105間時(shí)能獲得較好的巷道空氣出口平均溫度較大值，又較為節(jié)省動(dòng)力消耗。從獲得巷道內(nèi)適宜工作環(huán)境溫度考慮，巷道入口風(fēng)雷諾數(shù)Re在3.486×105～12.202×105間時(shí)能獲得較好的巷道內(nèi)空氣溫度，改善環(huán)境溫度。

(3)由圖6平均總傳熱系數(shù)k隨巷道入口風(fēng)Re變化關(guān)系可知:平均總傳熱系數(shù)k隨巷道入口風(fēng)雷諾數(shù)Re的增加而增大。無(wú)滲流情況下，雷諾數(shù)在0.349×105～6.972×105間，平均總傳熱系數(shù)由0.048w/m2－k增加到最大值0.429w/m2－k，增加過(guò)程大致符合二次曲線漸變過(guò)程;雷諾數(shù)大于6.972× 105后，平均總傳熱系數(shù)增加值不大。最大值為0.46w/m2－k，雷諾數(shù)為12.202×105。滲流情況下，雷諾數(shù)在0.349×105～2.615×105間，平均總傳熱系數(shù)由0.043w/m2－k增加到0.325w/m2－k，增加過(guò)程大致符合一次曲線增加;雷諾數(shù)在2.615×105～8.716×105間，平均總傳熱系數(shù)由0.325w/m2－k減小到0.29w/m2－k后又增加到0.416w/m2－k，變化過(guò)程由大值先減小后增加的二次曲線變化過(guò)程;雷諾數(shù)在8.716×105～10.459×105間，平均總傳熱系數(shù)在0.416w/m2－k～0.429 w/m2－k間，數(shù)值變化不大;雷諾數(shù)大于10.459×105后，平均總傳熱系數(shù)增加到最大值0.492w/m2－k。最大值為0.492w/m2－k，雷諾數(shù)為12.202×105。滲流情況下，雷諾數(shù)在1.3×105～3.5×105、11.33×105～3.5×105間，平均總傳熱系數(shù)大于無(wú)滲流情況下平均總傳熱系數(shù)。

(4)由圖7可知:平均出口熱值隨巷道入口風(fēng)雷諾數(shù)Re的增加而增大。無(wú)滲流情況下，雷諾數(shù)在0.349×105～8.716×105間，Q/Qmax由0.117增加到0.921，增加過(guò)程大致符合二次曲線漸變過(guò)程;雷諾數(shù)大于8.716×105后，Q/Qmax降低至0.803后逐漸增加到最大值0.932。滲流情況下，雷諾數(shù)在0.349× 105～2.615×105間，Q/Qmax由0.1194增加到極大值0.881，增加過(guò)程大致符合一次曲線增加過(guò)程;雷諾數(shù)大于2.615×105后，Q/Qmax降低至0.617后逐漸增加到最大值1。在不考慮沖淡、排除井下有毒有害氣體和粉塵，僅從降低巷道內(nèi)溫度、獲得平均出口熱值情況下考慮，滲流情況下應(yīng)采用雷諾數(shù)為2.615× 105的條件，無(wú)滲流情況下應(yīng)采用雷諾數(shù)為8.716× 105的條件，以較小的動(dòng)力損耗獲得相對(duì)較大的平均出口熱值。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)從獲得巷道空氣出口平均溫度較大值角度考慮，巷道入口風(fēng)雷諾數(shù)Re在0.349×105～0.872 ×105(無(wú)滲流狀態(tài))、0.349×105～2.615×105(滲流狀態(tài))時(shí)能獲得較好的巷道空氣出口平均溫度較大值，又較為節(jié)省動(dòng)力消耗。巷道入口風(fēng)雷諾數(shù)巷道空氣出口平均溫度越接近于圍巖初始溫度，加熱空氣效果越好。

(2)在巷道長(zhǎng)度方向，0～50m范圍內(nèi)溫升不明顯，超過(guò)50m后溫度增加明顯，并且隨著長(zhǎng)度增加溫度相應(yīng)增加。巷道長(zhǎng)度越長(zhǎng)，巷道圍巖壁面與空氣間的換熱面積增大，換熱時(shí)間增長(zhǎng)，巷道出口的空氣溫度越高，空氣進(jìn)口溫差越大。

(3)滲流情況下，雷諾數(shù)在1.3×105～3.5× 105、11.33×105～3.5×105間平均總傳熱系數(shù)大于無(wú)滲流情況下平均總傳熱系數(shù)。

(4)滲流情況下，巷道空氣出口平均溫度高于無(wú)滲流情況下巷道空氣出口平均溫度。

(5)控制巷道空氣入口雷諾數(shù)是解決巷道內(nèi)溫度過(guò)高和對(duì)熱量加以利用的關(guān)鍵，無(wú)滲流條件下推薦雷諾數(shù)Re在2.615×105～12.202×105間，滲流條件下推薦雷諾數(shù)Re在3.486×105～12.202×105。本文的研究對(duì)于基于巷道風(fēng)的空氣源熱泵系統(tǒng)［23－25］的優(yōu)化設(shè)計(jì)有一定的意義，在考慮經(jīng)濟(jì)性因素的基礎(chǔ)上，對(duì)巷道加熱能力的各個(gè)影響因素進(jìn)行綜合分析，得出了變化規(guī)律、數(shù)據(jù)以及結(jié)論，為分析更為復(fù)雜問(wèn)題，奠定基礎(chǔ)。

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Abstract:In order to solve heat utilization problems caused by deep-seated exploitation with high temperature，this paper makes numerical simulation of rock-to-air heat transfer in theory of heat transfer and computational fluid dynamics，and studies the rule of tunnel temperature field variation with entrance Reynolds number.The results indicate that the rise in temperature is not obvious until it reaches 50m along the tunnel and temperature increases in accordance with the length of tunnel.The average temperature in outlet of tunnel with seepage flow is higher than that with no seepage flow.The average overall heat transfer coefficient is also higher with seepage flow if Reynolds number is in the range of 1.3×105－3.5×105to 11.33×105－3.5×105.The key of solving heat-harm in mines and heat utilization istocontrolentranceReynoldsnumber.Theaboveconclusionprovidesimportantevidencefor comprehensive management in heat-harm mine and optimizing air source heat pump systems in the tunnel.

Key words:mine shaft cooling;coupled heat transfer;numerical simulation;change law;Dalong Mine，Liaoning Province

Numerical simulation of air temperature of laneway in Dalong Mine，Liaoning Province

YANG Wei，YANG Lin-lin，SUN Yue
(College of Architecture Engineering of Liaoning Technical University，F(xiàn)uxin12300，China)

1003-8035(2010)02-0084-05

TD727+.2

A

2010-03-01;

2010-03-07

楊偉(1965－)，男，遼寧省阜新人，副教授，研究方向?yàn)楦咝鳠崤c傳質(zhì)。

E-mail:lgdyw@163.com