 Mine Engineering 矿山工程, 2013, 1, 10-14 http://dx.doi.org/10.12677/me.2013.12003 Published Online July 2013 (http://www.hanspub.org/journal/me.html) Numerical Simulation of the Long Duct Exhaust and Short Duct Forced Ventilation Model Based on Software FLUENT Conglu Wang1,2, Guomin Wu1, Gen Wang1 1Daye Non-Ferrous Metals Group Holdings Company Limited, Huangshi 2School of Resources and Safety Engineering, Central South University, Changsha Email: wangconglu@csu.edu.cn Received: Mar. 26th, 2013; revised: Apr. 2nd, 2013; accepted: Apr. 12th, 2013 Copyright © 2013 Conglu Wang et al. This is an open access article distributed under the Creative Commons Attribution License, which permits unrestricted use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited. Abstract: With resources depletion, part of the old mine efforts to explore the new succeed resources at the peripheral or deeper place. These situations bring about the practical needs of forced ventilation technology of the long distance heading face. Based on the pre-processing software GAMBIT, three-dimensional computational model of the long duct exhaust and short duct forced was set up. By using the commercial CFD software FLUENT, airflow organization of long heading face under the long duct exhaust and short duct forced local ventilation model was simulated. According to this, the paper has elaborated the internal mechanism of the long duct exhaust and short duct forced local ventilation model, and has analyzed the ventilation effect of the classical ventilation parameters model. Studies have shown that: in local forced ventilation mode of the long duct exhaust and short duct forced, the scope of jet was significantly greater than that of exhaust; Duct location layout according to the classical effective parameters range of forced and exhaust is not conducive to the heading face air pollution rapid discharge; The value of speed at the center of laneway was fluctu- ated and dual-controlled by forced and exhaust; The air volume difference of forced and exhaust determines pollution air discharge time and air quality within the entire laneway. The purpose of this study is to provide theoretical basis and practical guidance to further parameter optimization study on local forced ventilation technology of the long distance heading face. Keywords: Forced Ventilation Technology; Air Flow Organization; Numerical Simulation; Parameter Optimization 基于 FLUENT 的长抽短压强制通风技术数值模拟 王从陆 1,2，吴国珉 1，王 根1 1大冶有色控股集团有限公司，黄石 2中南大学资源与安全工程学院，长沙 Email: wangconglu@csu.edu.cn 收稿日期：2013 年3月26 日；修回日期：2013年4月2日；录用日期：2013 年4月12 日 摘 要：矿山资源的枯竭，促使老矿山努力在周边或深部探寻新的接替资源，形成了对长掘进工作面局部强制 通风技术的现实需求。本文使用前处理软件GAMBIT 建立了长压短抽三维计算模型。本文采用计算流体力学的 商业软件 FLUENT，模拟了长掘进工作面长抽短压局部通风方式下的工作面风流组织，阐述了长抽短压通风方 式的内部机制，分析了经典参数模型下的通风效果。研究表明：在长抽短压的局部通风方式下，射流作用域明 显大于吸程作用域；根据经典的有效射程和有效吸程参数布置的风筒位置，不利于掘进工作面污风的快速排出； 巷道中心位置上的速度大小波动较大，受入口射流和风流出口双重控制；压风量和抽风量的差值决定了整个掘 进巷道内的污风排出时间和空气质量。研究成果可以为长掘进工作面局部强制通风技术参数优化提供理论依据 和实践指导。 Copyright © 2013 Hanspub 10  基于 FLUENT 的长抽短压强制通风技术数值模拟 Copyright © 2013 Hanspub 11 关键词：强制通风；风流组织；数值模拟；参数优化 1. 引言 掘进通风由于没有形成一个完整的通风回路，不 能采用矿井主要通风机的全风压通风，而通常采用局 部通风机强制通风，其影响环节比较多，所以在井下 存在的问题较多。历年的事故统计表明，掘进工作面 是事故的多发区。因此, 掘进工作面是矿井通风的薄 弱环节。掘进工作面存在的问题主要体现在：掘进工 作面风量不足，不能满足生产要求；局部通风机产生 循环风；局部通风机无计划停风；巷道贯通后不能及 时调整通风系统等[1-4]。 2002 年10 月15 日，温家宝同志在新中国地质工 作50年暨中国地质学会成立 80周年纪念大会上讲话 指出：“随着我国经济持续快速增长，全国45 种主要 矿产中一半以上的资源储量消耗速度大于储量增长 速度，特别是东、中部地区，过去耳熟能详的老矿山 资源枯竭，成为一批危机矿山。在有市场需求和资源 潜力的老矿山周边或深部，努力探寻新的接替资源， 具有经济、社会双重效益，是当前一项相当紧迫的任 务。”这一讲话使部分资源的枯竭矿山中的长掘进通 风成为现实。因此，开展长掘进工作面局部强制通风 技术成为部分矿山的现实需求。 对于长掘进工作面局部强制通风技术，以往研究 的重点为通风除尘工艺研究、掘进通风用风机和风筒 的改进、自动控制技术的应用等，历史研究难以准确 提供各区域的速度场和压力场分布，也不能可视化流 场。导致对掘进工作面局部强制通风各参数的作用机 制全局理解的缺失。近年来，商用CFD 软件已经相 当成熟，用计算流体力学(CFD)的 方法，对 流动问 题 进行数值模拟计算已经成为研究流动问题的重要手 段。实践表明，这种数值计算方法能够得出很准确的 计算结果[5-16]。本文以长掘进工作面局部强制通风巷 道内矿内大气湍流流动的三维流动体系作为模拟对 象，通过适当简化，用计算流 体力学软 件(CFD)前处 理软件 gambit 建立计算模型，用 fluent对其速度、压 力场进行模拟，从射流作用域、风筒位置参数和巷道 内风流等方面探讨了长掘进工作面局部强制通风的 机理及空间矢量特征。 通过对长掘进工作面长压短抽局部通风方式下 的工作面流场的模拟和分析，得到如下结论： 1) 长压短抽的局部通风方式下，射流作用域明显 大于吸程作用域。两者的作用明显不同：射流用于冲 散、扰动污风区；排风口用于把污风快速抽离掘进面。 2) 有效射程和有效吸程参数，不是风筒的布置参 数。若采用有效射程计算压风筒出口位置，工作面可 能形成涡流，不利于掘进工作面污风的快速排出。具 体参数需要综合考虑风筒尺寸和出口风速，建议压风 出口距离工作面5~6 m为宜。 3) 巷道中心位置上的速度大小波动较大，受入口 射流和风流出口双重控制，且入口射流的影响广度和 深度相对较大。 4) 压风量和抽风量的差值决定了巷道内风流的 流向，进而决定了整个掘进巷道内的污风排出时间和 巷道内的空气质量。 2. 计算流体力学数值模拟方法 2.1. 主控制方程 长掘进工作面局部强制通风过程中，空气流动为 湍流黏性流动，在其流速比较低，计算过程中可以忽 略空气密度的变化和热量交换。在计算过程中假设： 1) 通风气流可视为不可压缩流体；2) 流动为稳态紊 流，满足 Boussinesq 假设；3) 流体的紊流粘性具有各 向同性[5]。 基本控制方程为Reynolds 方程，包括连续性方程 和动量方程，紊流模型采用 -k 双方程模型，具体方 程如下： 连续方程： 0 i i u x (1) 动量方程： ii ii ij j uuu x Du p f Dtx x j (2) k方程： t k ii k Dkk G Dt xx (3)  基于 FLUENT 的长抽短压强制通风技术数值模拟 方程： 2 12 t ii v DvCpC Dt xxkk (4) 式中：为微分符号； k为紊流动能，m2/s2；D 为紊 流动能耗散率，m2/s3；为时间，s； 、ti u j u为速度 分量，m/s；i x 、 j x 为坐标分量； 为层流动力粘性 系数， ； Pa s p 为修正时均压力，Pa；i f 为质量力， m/s2； 为紊流粘性系数， t v2 tu vck ，Pa s ； 为 系数； 为平均速度梯度引起的紊动能产生项；方程 中的其它经验常数 k G 1.0 k ，1.33 ，1 1.44C ， ， 。对于雷诺应力项 2 C 1.92 0.09 u Ci uuj 的封闭 问题，采用k 双方程模型来处理。对于稳定状态下 的主控方程，只需把含的项替换为0。 Dt 2.2. 模型几何 为了强化长掘进工作面局部强制通风的效果，研 究采用长压短抽的通风方式。风筒布置位置根据有效 射程和有效吸程确定。局部风机运转时，在掘进工作 面内诱导产生风流，影响巷道内的气流组织，因此， 根据掘进工作面通风的实际情况，同时为了便于分 析，将掘进工作面简化为 X、Y、Z的三维巷道空间， 取巷道断面为正方形，具体尺寸为：3 m × 3 m × 40 m， 风管采用矿山常用的规格Φ 600 mm，对角悬挂。构 建计算模型如图1和图 2。 Figure 1. Longitudinal section of long duct forced and short duct exhaust three-dimensional model 图1. 长压短抽三维模型纵断面 Figure 2. Cross-section of longitudinal section of long duct forced and short duct exhaust three-dimensional model 图2. 长压短抽三维模型横断面 2.3. 求解方法和边界条件 求解器采用隐式分离三维稳定流求解器，速度采 用绝对速度，采用基于体积单元的梯度选项；用 SIMPLEC 算法求解流速和压力耦合；采用压力梯度 效益加强墙面处理方式；用标准k-ε紊流模型封闭时 均方程；接口粘度系数与密度取相邻节点的算术平均 值；压力场采用标准离散方式，其它的采用二阶迎风 格式离散。风流入口作为模型边界入口，风流出口作 为模型边界出口，巷道壁面为固定边界．设入口风流 的速度为 10 m/s 和−6 m/s，入口风速均匀；出口的类 型为出流；巷道壁面上施加无滑动边界条件，壁面以 绝热对待，垂直于壁面的压力梯度为 0；采用紊流强 度和水力直径指定紊流方法。 3. 模拟结果和讨论 3.1. 模拟结果 根据图 1所示的计算模型和以上的边界条件和求 解方法，采用计算流体力学前处理软件gambit 和计算 软件 fluent 对掘进通风三维流场进行了数值计算，得 到对应的速度分布。为了更好的显示断面的速度和压 力场，采用剖面处理技术，构建了 5个特征平面和 1 条特征线：平面1(过两风筒中心)；平 面2(离掘进面1 m)；平面 3(离掘进面3 m)；平面 4(离掘进面 5 m)； 平面 5(离掘进面7 m)；特征线为巷道中心线。模拟结 果见图 3，图 4和图 5。 3.2. 结果讨论 从掘进巷道的对角截面来看(图3)，风流压入口处 的速度较大。在压风射流的诱导下，在周围形成诱导 风流，向掘进面扩散，速度大小递减方，其影响范围 较大。在抽出的进风口，形成较为集中的回风，速度 递增，梯度较大，其影响范围较小。此现象与有效射 程和有效吸程的概念相吻合。靠近掘进面处形成涡 流，涡流强度与压入风流的速度大小密切相关。入口 射流两侧形成低速区。掘进面的污风通过紊流扩散的 方式从抽出式风管和巷道排出。从图 3中还可以看出， 进口风流射流形态受到风流出口的影响，流场中心区 域发生了偏移，不利于风流达到掘进面。 压入式通风有效射程的 4~5 L sS ，本实例 Copyright © 2013 Hanspub 12  基于 FLUENT 的长抽短压强制通风技术数值模拟 (a) (b) (c) Figure 3. Air filed of characteristic plane with the two duct center: (a) Velocity contour of characteristic plane; (b) Velocity vector of characteristic plane; (c) Flow line of characteristic plane 图3. 风筒中心特征平面流场分布：(a) 特征面上的速度等高线；(b) 特征面上的速度矢量；(c)特征面上的流线 (a) (b) (c) (d) Figure 4. Velocity contour of characteristic plane: (a) 1 m away from the excavation face; ( b) 3 m away from the e xcavation fa ce; (c ) 5 m away from the excavation face; (d) 7 m away from the excava- tion face 图4. 特征平面速度等高线：(a) 离掘进面 1 m；(b) 离掘进面 3 m； (c) 离掘进面 5 m；(d) 离掘进面 7 m Figure 5. Velocity at laneway center 图5. 巷道中心速度 中的巷道断面积为9 m2，有效射程为12~15 m，如果 压风筒出口离工作面15 m，会在作业面壁面附近产生 涡流，不利于粉尘和有害气体的排出。因此，有效射 程的概念并不是布置风筒出口位置的有效参数，而是 给出了一个大体的范围。具体参数需要综合考虑风筒 尺寸和出口风速，建议压风出口距离工作面5~6 m为 宜。 从垂直于巷道轴线的平面来看(图4)：离掘进面1 m处(图4(a))，由于受到掘进面壁面的影响，风流速 度和变化梯度较小，入口风流的射流效果基本消失， 流动相对平稳；在离掘进面3 m处(图4(b))，掘进面 壁面的影响减小，风流速度趋大，速度梯度明显增大， 流动相对平稳；在抽出式风流的入口处(图4(c))，其 周边的风流流速较大，压风侧射流发展充分，并在诱 导风流的作用下风流扰动区域变大。在压风口和出风 口之间(图4(d))，由于有效吸程尺度小于有效射程， 整个区域流场形态受压风作用控制，射流和诱导风流 是该区域的主导流场。 从巷道中心线上速度分布情况来看(图5)，该线上 的速度大小波动较大，受入口射流和风流出口控制。 在远离速度入口处的区域，速度较小。在入口射流附 近，由于受到射流的诱导，巷道中心区域流场受到影 响，并随射流发展逐渐增大。由于射流同原有区域存 在一个区域分界面，导致巷道中心线上的速度变小， 局部地方趋于 0。由于抽出风流在射流的吸引作用， 导致入口射流中心发生偏移，通过巷道中心，因此， 出现一个速度急剧变化的区域，其最大值就是在该处 的射流中心的速度值。在接近掘进面处，射流作用消 失。该流域是射流形成的诱导风流主导的区域，以涡 流的形式存在。掘进面的粉尘以紊流扩散和紊流变形 Copyright © 2013 Hanspub 13  基于 FLUENT 的长抽短压强制通风技术数值模拟 Copyright © 2013 Hanspub 14 的方式排除工作面。 4. 结论 通过对长掘进工作面长压短抽局部通风方式下 的工作面流场的模拟和分析，得到如下结论： 1) 长压短抽的局部通风方式下，射流作用域明显 大于吸程作用域。两者的作用明显不同：射流用于冲 散、扰动污风区；排风口用于把污风快速抽离掘进面。 2) 有效射程和有效吸程参数，不是风筒的布置参 数。若采用有效射程计算压风筒出口位置，工作面可 能形成涡流，不利于掘进工作面污风的快速排出。具 体参数需要综合考虑风筒尺寸和出口风速。 3) 巷道中心位置上的速度大小波动较大，受入口 射流和风流出口双重控制，且入口射流的影响广度和 深度相对较大。 4) 压风量和抽风量的差值决定了巷道内风流的 流向，进而决定了整个掘进巷道内的污风排出时间和 巷道内的空气质量。 参考文献 (References) [1] 程卫民, 聂文, 姚玉静. 综掘工作面旋流气幕抽吸控尘流场 的数值模拟[J]. 煤炭学报, 2011, 36(8): 1342-1348. 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