循环型空气幕多机联合隔断巷道风流效果的分析

赵玲^{1, 2}，蒋仲安¹

(1. 北京科技大学 土木与环境工程学院，北京，100083；

2. 江西理工大学 资源与环境工程学院，江西 赣州，341000)

摘要：针对大断面大风流压差的巷道内的风流控制一般需要空气幕联合作业的问题，依据动量守恒定律对循环型空气幕串联、并联时的隔断能力进行理论分析。依据有效压力平衡原理，采用FLUENT软件对循环型空气幕联合作业时巷道风流流场特性进行模拟分析。研究结果表明：空气幕隔断能力由强到弱的联合作业方式依次为双侧串联、单侧串联、并联；循环型空气幕串联作业时，其隔断能力与空气幕间的间距有关；对于单侧串联空气幕，其隔断能力随着间距的增大而增大，当间距增大到使两股射流无相互影响时，隔断能力达到最大值；对于双侧串联空气幕，其隔断能力随着间距的增大先略有增大，然后迅速减小到一定值，再继续增大间距，隔断能力无明显变化。

关键词：循环型空气幕；联合作业；隔断风流；数值模拟

中图分类号：TD726          文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2013)10-4238-06

Analysis of effect on cyclic air curtain with multi-combined fans to obstructing airflow in mine tunnel

ZHAO Ling^{1, 2}, JIANG Zhongan¹

(1. School of Civil and Environmental Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China;

2. School of Resource and Environmental Engineering, Jiangxi University of Science and Technology, Ganzhou 341000, China)

Abstract: Considering the control on airflow for large cross-section and airflow pressure generally requires the joint operation of air curtain, the obstructing airflow effect of the cyclic air curtain series or parallel in theory was analysed according to the law of conservation of momentum. Based on the effective pressure balance principle, the airflow field characteristics of air curtain with multi-combined fans were simulated and analysed by the FLUENT software. The results show that the obstructing airflow capacity of cyclic air curtain from strong to weak are bilateral series, unilateral series and parallel. The obstructing airflow effect is related to the space between air curtains when the fans in series. For the unilateral series air curtain, its obstructing airflow effect is better with the increase of the spacing. When the distance increases to two jet airflows no interaction, the obstructing airflow capacity achieves the maximum. For the bilateral series air curtain, with the increase of the spacing, its obstructing airflow capacity slightly increases, and decreases rapidly to a certain value, and then continues to increase the spacing, the obstructing airflow capacity has not significant change.

Key words: cyclic air curtain; multi-combined; obstructing airflow; numerical simulation

空气幕作为一种矿井风流调控技术，安装在巷道一侧或两侧的硐室内，具有不影响行人和运输、安装简单、管理方便、维护量少及调控风流效果好等优点。20世纪50年代空气幕被引用到矿山巷道中，国内外许多研究者对空气幕进行了大量研究，但大多是在风流压差和巷道断面均较小的条件下，应用单机空气幕隔断风流，对于大断面大风流压差的巷道内的风流控制，一般采取由多机组成的空气幕^[1-2]。空气幕的联合作用形式主要有并联、双侧串联、单侧串联等形式。目前，人们对矿用空气幕多机并联作业进行了研究，建立了多机并联作业的理论模型，并将并联空气幕应用于一些矿山，但未给出空气幕串联作业时的理论模型^[3-4]。空气幕联合作业时，对风流流场的特性以及最佳布置形式研究也很少。为此，本文作者依据动量守恒定律对空气幕串联、并联时的隔断能力进行理论分析。依据有效压力平衡原理，采用FLUENT软件对空气幕联合作业时巷道风流流场特性进行模拟分析。通过理论与模拟实验相结合的方法，获得空气幕联合作业时的最佳布置形式，从而达到节能降耗的目的。

1  循环型空气幕联合作业有效压力的理论分析

根据取风方式的不同，空气幕分为循环型空气幕和非循环型空气幕，在矿山巷道中大多应用循环型空气幕。

对于循环型空气幕，在完全隔断风流情况下，在循环段内，巷道风流流动即为空气幕循环风流的流动；在循环段外，巷道无风流流动，空气幕流场如图1和图2所示。空气幕流场属于急变流场，应用动量定律来分析。将控制面Ⅰ-Ⅰ′和Ⅱ-Ⅱ′取在循环风流以外(见图1和图2)。空气幕完全隔断风流时，Ⅰ-Ⅰ′断面上风速v₁=0 m/s，静压为P₁，Ⅱ-Ⅱ′断面上风速v₂=0 m/s，静压为P₂，壁面1-2和空气幕出口断面2-3上的平均静压分别为P₁₂和P₂₃。文献[5]的研究表明：。

对于循环型空气幕多机并联的列断面Ⅰ-Ⅰ′和Ⅱ-Ⅱ′之间风流的动量方程^[5]，有

         (1)

其中：；； ，为空气幕出风口风速在巷道轴线方向上的投影，m/s；；；；v_c为空气幕出风口风速，m/s；S_c 为空气幕出风口断面积，m²；θ为空气幕始射角，(°)；h_1-2为空气幕风流的回流阻力，Pa；Q_c为空气幕出风口风量；S为巷道断面积，m²；n为空气幕台数；ρ为空气密度，kg/m³；a为修正系数，a＜1；Q_g为巷道过风风量，m³/s；R_c为空气幕回流风阻，N·S²/m⁸。由此，循环型空气幕多机并联时的有效压力△H_b为

 (2)

对于循环型空气幕多机串联，列断面Ⅰ-Ⅰ′和Ⅱ-Ⅱ′之间风流的动量方程：

        (3)

其中：；； ；；；。则得到循环

型空气幕多机串联时的有效压力△H_c为

 (4)

比较式(2)和式(4)可知：循环型空气幕串联时的有效压力大于并联时的有效压力。

图1  循环型并联空气幕流场模型

Fig. 1  Airflow field model of cyclic parallel air curtain

图2  循环型串联空气幕流场模型

Fig. 2  Airflow field models of cyclic series air curtain

2  循环型空气幕联合作业的数值模拟分析

2.1  模型的建立及网格划分

以2台空气幕联合作业作为研究对象，在建立气流流场的数学模型时，将流场简化为定常不可压的绝热流动。因气体流动各参数随时间变化很小，气体流动视为定常流动。控制方程组采用三维稳态不可压Navier-Stokes方程^[6]，湍流流动采用RNG k-ε双方程模型，以壁面函数法处理壁面流动^[7-8]。与标准k-ε 双方程模型相比，RNG k-ε双方程模型在计算速度梯度较大的流场时精度更高。

空气幕安装在巷道硐室内，在建立流场的几何模型时，假设除空气幕回风口与硐室壁面有空隙外，空气幕与硐室的其他壁面无空隙。根据矿山应用现状，将模拟巷道设定为宽4.0 m、高2.6 m的矩形，巷道长度以不影响风流流场为宜^[9-12]，并联时取30 m，串联时取35 m。空气幕供风器出风口长2.6 m，宽为0.3 m，射流轴线与巷道轴线夹角为30°，回风口直径为1.1 m。当空气幕串联时，考虑到空气幕间的间距对其隔断能力的影响，进行不同间距的模拟实验。当空气幕单侧串联时，空气幕间的间距分别为3.0，5.0，9.0，11.0和13.0 m；当空气幕双侧串联时，空气幕间的间距分别为0.5，1.0，2.0，3.0，5.0，9.0和11.0 m。应用GAMBIT建立空气幕隔断巷道风流的几何模型如图3所示。采用四面体网格，网格基本步长取0.15 m。

2.2  边界条件的设定

依据实际情况，结合数学模型和FLUENT的模拟方法，根据有效压力平衡原理，采用压力入口及压力出口，巷道入口静压为100 Pa，出口静压为0 Pa；空气幕供风器出风口为速度入口，取为24.40 m/s。空气幕回风口风流速度为

               (5)

式中：D_h为回风口直径，m。水力直径为

               (6)

式中：A为过流断面面积，m²；x为流体与固体壁面接触的周界线长度；湍流强度为^[13]

          (7)

式中：u′和为湍流脉动速度与平均速度，m/s；Re_H为按水力直径计算的Reynolds数。

图3  循环型空气幕联合作业几何模型

Fig. 3  Geometry models of cyclic joint operation air curtain

在固壁处采用无滑移边界条件，在近壁区采用标准壁面函数^[14]。在计算过程中，根据湍动能、湍流耗散率、速度场以及连续性方程的残差来判断流场是否收敛^[15]。在本文的数值模拟过程中，认为当上述物理量的残差降低到1.0×10^-3时流场收敛。

2.3  模拟结果及分析

利用FLUENT软件，采用分离算法中的SIMPLEC算法对空气幕隔断巷道风流的流场进行数值模拟计算，采用二阶迎风格式对流场进行离散化，得到空气幕隔断风流时的漏风量。将计算结果导入TECPLOT进行后处理，得到y=1.3 m截面的速度分布云图。

2.3.1  循环型并联空气幕流场模拟分析

循环型并联空气幕隔断巷道风流流场速度分布如图4所示。风流由空气幕出风口以射流的形式喷射出，在运动过程中一方面卷吸周围气流，引起紊动；另一方面，受横向压力的作用，发生弯曲、回流，同时射流速度逐渐减小。两股射流在以Z=2 m平面为中心的附近区域内合二为一。经模拟计算，空气幕并联作业时漏风量为12.09 kg/s。

图4  循环型并联空气幕隔断巷道风流流场速度云图

Fig. 4  Airflow field velocity nephogram of cyclic parallel air curtain obstructing airflow in mine tunnel

2.3.2  循环型单侧串联空气幕流场模拟分析

空气幕串联作业时，空气幕间的间距是影响其隔断能力的因素之一。图5和图6所示分别给出了循环型空气幕单侧串联时不同间距下的风流流场及漏风量。

由图5(a)可知：当空气幕间距为5 m时，2台空气幕的相互影响很大，第2台空气幕的射流未弯曲回流，而是由第1台空气幕的回风口出流，第1台空气幕的射流由第2台空气幕的回风口出流。由图5(b)可知：当空气幕间间距为9 m时，2台空气幕射流在横向压力的作用下均发生弯曲、回流，2台空气幕有一定的相互影响，2股射流有少量汇合。由图5(c)可知：当空气幕间间距为11 m时，2台空气幕射流流场相对独立，2股射流未有汇合。所以，当空气幕单侧串联时，随着空气幕间间距的增大，空气幕间的2股射流的相互影响减小，当间距达到一定值时，2股射流相互独立。

图5  循环型单侧串联空气幕隔断巷道风流流场速度云图

Fig. 5  Airflow field velocity nephogram of cyclic unilateral series air curtain obstructing airflow in mine tunnel

由图6可知：空气幕单侧串联时，随着空气幕间距的增大漏风量减小，隔断能力增大；随着间距的增大，漏风量减小的趋势变缓，隔断能力增大的趋势变缓；在设定的模拟条件下，当间距由3 m增大到5 m时，漏风量由67.24 kg/s降低为11.84 kg/s，即隔断能力急剧增大；当间距超过3 m时，漏风量减小的趋势变缓；当间距为11 m时，漏风量为-0.53 kg/s，此时，空气幕已呈过余隔断状态；当间距再增大时，漏风量将无明显变化。这是因为当间距达到足够大时，2台空气幕的射流几乎无相互影响，隔断能力将不再随间距的增大而有明显变化。对比空气幕单侧串联时足够间距下的漏风量与并联时的漏风量可知：单侧串联作业的隔断能力比并联作业的隔断能力强。

图6  循环型单侧串联空气幕隔断巷道风流漏风量

Fig. 6  Amount of air leakage of cyclic unilateral series air curtain obstructing airflow in mine tunnel

2.3.3  循环型双侧串联空气幕流场模拟分析

循环型双侧串联空气幕隔断巷道风流流场速度云图如图7所示。由图7可知：当空气幕间距为2 m时，第2台空气幕的射流大部分由第1台空气幕的回风口出流；当空气幕间距为5 m时，2台空气幕射流的相互影响较小；当空气幕的间距继续增大至9 m时，两空气幕射流几乎相互独立。所以，当空气幕双侧串联时，空气幕射流的相互作用随着间距的增大而减小；当间距增大到一定值时，2股射流将处于独立状态。

为了便于对比，对空气幕不同形式的联合作业设置了相同的边界条件。当空气幕双侧串联时，双侧串联空气幕隔断巷道风流漏风量如图8所示。由图8可知：在间距小于5 m时，空气幕均处于过余隔断状态，起引射风流作用；当空气幕间距为0.5 m时，漏风量为-25.66 kg/s；当间距为1 m时，漏风量为-26.21 kg/s，隔断能力达到最大值；当间距大于1 m而小于3 m时，漏风量急剧增大，即隔断能力急剧降低；当间距大于3 m时，漏风量增大，即隔断能力减小，但变化的趋势变缓。对比合适间距下的空气幕双侧串联与单侧串联及并联时的漏风量可知：双侧串联作业的隔断能力最强。

图7  循环型双侧串联空气幕隔断巷道风流流场速度云图

Fig. 7  Airflow field velocity nephogram of cyclic bilateral series air curtain obstructing airflow in mine tunnel

图8  循环型双侧串联空气幕隔断巷道风流漏风量

Fig. 8  Amount of air leakage of cyclic bilateral series air curtain obstructing airflow in mine tunnel

3  结论

(1) 在大断面大风流压差下需要空气幕联合作业，循环型空气幕联合作业时的隔断能力与其联合形式有关，理论分析与数值模拟结果均表明循环型空气幕串联作业的隔断能力比并联作业的隔断能力强。而在串联作业时，其隔断能力还与空气幕间的间距有关。在空气幕间的间距合适时，循环型空气幕单侧串联作业的隔断能力比并联作业的隔断能力强，双侧串联的隔断能力比单侧串联隔断能力强。

(2) 对于循环型单侧串联空气幕，其隔断能力随着间距的增大而增大，并且随着间距的增大，隔断能力增大的趋势变缓；当间距增大到一定程度后，隔断能力将不再变化。

(3) 对于循环型双侧串联空气幕，其隔断能力随着间距的增大，隔断能力稍增大，但随着间距的继续增大，隔断能力急剧变小；当间距增大到一定程度时，隔断能力减小的趋势变缓。

(4) 循环型空气幕串联作业时，单侧串联与双侧串联的最佳间距是不同的，单侧串联的最佳间距大于双侧串联的最佳间距。

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(编辑  陈灿华)

收稿日期：2012-10-12；修回日期：2012-12-17

基金项目：国家自然科学基金资助项目(50964003)

通信作者：蒋仲安(1963-)，男，浙江诸暨人，博士，教授，从事工矿企业通风与防尘方面的研究；电话：13661058581；E-mail：jza1963@263.net