基于多相流的矿井通风仿真模型的研究.doc

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1、基于多相流的矿井通风仿真模型的研究摘要通过运用计算流体力学，建立矿井工作面三维数学模型，以及对矿井通风网路中多相流风流和热交换进行模拟。简化壁温分布，瓦斯和蒸汽也在本篇论文中论及到。本模型考虑到了各相耦合效应，以反映它们之间的关系。同时可以表述某相根据另一相而发生的变化。本论文对干燥空气和多相流空气的温度分布进行比较。另外，本论文论述了对模拟矿井通风系统及保证其高效运行的一种有效工具。关键词：多相；简单算术；耦合随着不断向深部发展，以及机械化程度的不断推进，越来越多的矿井面临着高温、高湿问题，这些问题不仅威胁着矿工的健康，还严重影响了生产效率。目前，热危害已经成为煤矿重大

2、灾难之一。近年来，随着高速计算机和高效计算方法的出现，通过建立多相和多维矿井通风系统模型，模拟工作面空气状态及其两个连接通道以及更准确地分析多相流耦合机理。通过应用基于计算流体力学（CFD）技术的多相耦合模型，取得了多项成果，国内很多文献已详细描述矿井，然而，很少提及矿井模型。在本篇论文中，建立了考虑到持续相（矿井中的干燥空气）和晶相（蒸汽）的数学模型，并且研究了耦合过程，同时对国内一些矿井的通风系统形势进行了模拟。1.建立数学模型根据工作面的情况，建立三维模型。模型的建立考虑到了稳定条件下，气相和液相多种性质变量守恒。1.1.基本方程：连续性方程：动量方程：液相：晶相：

3、式中，和分别表示液相和晶相粘应力张量，和分别表示液相和晶相体积应力，f表示晶相施于液体的阻力，减号表示力的方向与液体所受力方向相反。1.2.湍流模型通过湍流参数模型，计算出气相（持续相）的湍流粘度。本篇论文运用了RNGκ-ε模型。湍流动能（κ）方程：湍流动能损失率（ε）方程：式中，αk和αε分别表示可用k和ε普朗克常数的倒数，可据如下公式算得：1.3.两相间的动量传递应用Schiller和Naumann模型计算气相和液相间的拉力，因此气体受到液体施加的力由如下公式算得：若Re≦1000，则CD=24（1+0.15Re0.687）／Re；若Re＞1000，则CD=0.44。

4、式中，Re为相对雷诺数。气相相对雷诺数g和液相相对雷诺数p通过下式求得：1.4.两相间的热传递应用Ranz-Marshall公式计算气相与液相间的热对流系数。详见流化床和流化壁间热传递理论：式中，g和p分别表示气相和液相，Re表示相对雷诺数，CD表示拉力系数，kg表示持续相热传导率，dp表示液体参数。1.5.给定边界条件和特征参数图1给出了计算范围。工作面、轨道和运输巷道长度分别为130m、180m和210m。进风口风速为0.90m/s，风流、壁面和渗透水温度分别为26.3℃、24.2-29.3℃和28.2-31.4℃。出风口压力位0.1095MPa。两通道截面积为4.2

5、m×2.8m，工作面截面积为7.0m×2.8m。本模型中计算的气体视为理想气体。连续相得热交换率看似常量。热容量、密度和粘度系数通过温度测定。2.仿真结果和讨论该模型以控制体积法计算，并用简单算术法计算气相和晶相连续性方程。运用FLUENT模拟该模型。以济宁2号煤矿为例，温度、风速、风压、渗透水温度和壁面温度都从矿中收集。图2和图3表明了与轨道温度分布相近的工作面温度分布：两者都呈上升趋势。包括多相流的蒸汽温度场要较干燥空气高出1-2K，其主要原因是壁面高温渗透水同干燥空气交换热量。图4表明沿着运输巷道，包含有相流的蒸汽温度会下降，另外，很明显的差异是空气温度上升，而蒸汽

6、温度降低。其主要原因是含有相流的蒸汽温度较壁面岩石、巷道顶部和巷道底面要高，因此热量传递到煤壁，与此同时，因干燥空气的温度更低，热量便传递给空气。我们可以发现，分析含多相流的蒸汽温度场对通风降温很重要。2.结论首先，建立了考虑到两相的矿井三维通风模型。依据此仿真模型，我们可以得出晶相和气相温度场之间严格耦合的结论。对比模拟结果和实地所测参数之后，可以发现该仿真模型初步反映出了矿井通风状态，通过该模型得到的信息较以前类似工作要丰富得多。本篇论文中建立的模型能模拟矿井通风过程，这为研究矿井多相运移过程以及多相温度场耦合机理奠定了更详细和精确的基础。参考文献（略）