CC BY
32
© С.А. Козырев, В.Ф. Скороходов, P.M. Никитин, П.В. Амосов, В.В. Массан, 2015
УЛК 622.7:519.711.2
С.А. Козырев, В.Ф. Скороходов, Р.М. Никитин, П.В. Амосов, В.В. Массан
3D КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ХАРАКТЕРА РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ВОЗДУШНЫХ ПОТОКОВ НА ПОВЕРХНОСТИ И В КАРЬЕРНОМ ПРОСТРАНСТВЕ ГЛУБОКИХ КАРЬЕРОВ С УЧЕТОМ РЕАЛЬНОГО РЕЛЬЕФА МЕСТНОСТИ И МАСШТАБА КАРЬЕРА
С использованием 3D компьютерного моделирования в программном комплексе ANSYS Fluent исследован характер распределения воздушных потоков на поверхности и в карьерном пространстве глубоких карьеров с учетом реального рельефа местности и масштаба карьера, что позволило выявить влияние породных отвалов и прибортовых зон карьера на формирование рециркуляционных зон, вихревых течений и степени ослабления воздушных потоков в различных зонах карьера в зависимости от скорости ветра на поверхности.
Ключевые слова: компьютерное моделирование, аэродинамические условия, глубокий карьер, распределение воздушных масс, CFD-метод.
Особенности климатических и горно-геологических условий Кольского полуострова способствуют ослаблению естественного воздухообмена в карьерном пространстве и, соответственно, усложняют создание нормальных санитарно-гигиенических условий труда. Создание отвалов вблизи карьеров, низкие температуры воздуха и длительное отсутствие солнечной радиации приводят к длительным периодам температурной инверсии и значительно ослабляют воздушные потоки на дне карьера. В связи с углублением карьеров эти процессы проявляются еще в большей степени. В настоящее время остается открытым вопрос, до каких пределов происходит снижение воздушных потоков на дне карьера и как происходит их циркуляция в карьерном пространстве. Поэтому информация о характере воздушных течений и составе атмосферы в карьере является необходимой при планировании горных работ.
В последние годы данная проблема в Горном институте КНЦ РАН изучалась с применением программы СОМБОЬ МиШрЬуэюэ на основе численного решения общеизвестных уравнений Навье-Стокса для несжимаемой жидкости. Был проведен ряд работ, которые позволили получить 2Э информацию о характере воздушных течений на верхних и глубинных горизонтах карьера, выявить
закономерности распределения воздушных масс внутри карьера с учетом климатических особенностей территории [1, 2, 3, 4]. Но 2D моделирование дает информацию только в одном из сечений карьера и не позволяет отразить влияние как рельефа поверхности, так и прибортовых зон карьера на характер распределения воздушных потоков в карьерном пространстве.
Данная работа является пилотным этапом 3D моделирования аэродинамических условий карьера рудника «Железный» Ковдорско-го ГОКа с использованием программного комплекса ANSYS Fluent.
В ходе выполнения работы авторами решались следующие задачи: создание виртуального геометрического образа самого карьера на основе базы данных текущей геодезической съемки; постановка расчетной задачи в условиях однозначности, отвечающих среднегодовым значениям метеонаблюдений; учет влияния рельефа местности на распределение воздушных потоков внутри карьера и прилегающей территории.
Методология численного моделирования
Первоначально был создан геометрический образ карьера и рельефа прилегающей территории.
Геометрический образ карьера и рельефа прилегающей территории выполнен в сеточном генераторе Gambit (рис. 1). Расчетная сетка модели поверхностей содержит 17000 узловых точек и охватывает горизонтальную проекцию карьера и прилегающей территории площадью 8,5 км2, соответственно в осях «Север-Юг» - 3,4 км и «Восток-Запад» - 2,5 км.
Расчетная область модели (рис. 2) представляет собой трехмерную прямоугольную область высотой 750 м от верхнего горизонта карьера.
Конечно-элементная расчетная сетка модели состоит из тетрагональных элементов (Tet/Hybrid, Type: TGrid), соответственно, для области карьера с размерами ребра 28,4 м, для области над-карьерного пространства - 42,6 м. Общая емкость сетки составила 734811 элементов.
Задача решалась в стационарном режиме с использованием стандартной (к-П)-модели турбулентности. Для решения использовался компьютер с характеристиками 2.93 GHz, 8.00 ГБ и программным обеспечением Windows 7(max), 64-ОС. Оценка структуры воздушных потоков в карьерном пространстве
По результатам 3D компьютерного моделирования получена визуальная и количественная информация о распределении воздушных потоков во всем моделируемом пространстве, включая приповерхностные слои карьера и прилегающей территории.
Рис. 1. Геометрический образ карьера и рельефа прилегающей территории
Рис. 2. Расчетная область модели
На рис. 3 представлены поля градиента скорости воздушных потоков при заданном направлении и скорости ветра по срезам моделируемого пространства, что показывает принципиальную возможность оценки скорости воздушных потоков в любой точке модели и любом из сечений карьера.
Визуализация параметров воздушных потоков в исследуемой области позволяет оценить изменение кинетической энергии ветра в карьерном пространстве, что способствует формированию вихревых течений (рис. 4).
По результатам моделирования выявлено, что в карьерном пространстве при естественном проветривании образуются два вихря: крупный, занимающий центральную часть карьера; мелкий, противоположного направления вблизи дна карьера, что приводит к образованию застойных зон и невозможности выноса вредных примесей из рабочих зон карьера (рис. 5,
Рис. 3. Поля градиента скорости воздушных потоков
ANSYS ANSYS
m Л
Рис. 4. Визуализация характера турбулентности для двух перпендикулярных центральных срезов моделируемой области
(см. Приложение, с. 455). Результаты моделирования ветрового потока в карьере в объемной постановке представлены на рис. 6, (см. Приложение, с. 455).
По результатам моделирования выявлено, что, в отличие от 2D моделирования, наличие породных отвалов и особенностей рельефа приводит к изменению направления огибающего карьер потока воздуха с его подсосом в боковых частях в карьерное пространство (рис. 6), что приводит, в зависимости от угла наклона борта карьера, к уменьшению угла раскрытия воздушной струи, увеличению размера рециркуляционной зоны и образованию вихревых зон вблизи поверхностной зоны карьера (рис. 5). Данный характер распределения воздушных потоков приводит к еще большему их ослаблению в различных зонах карьера в зависимости от скорости ветра на поверхности.
Выводы
С использованием 3D компьютерного моделирования в программном комплексе ANSYS Fluent исследован характер распределения воздушных потоков на поверхности и в карьерном пространстве глубоких карьеров с учетом реального рельефа местности и масштаба карьера, что позволило выявить влияние породных отвалов и прибортовых зон карьера на формирование рециркуляционных зон, вихревых течений и степени ослабления воздушных потоков в различных зонах карьера в зависимости от скорости ветра на поверхности.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Козырев СЛ., Амосов П.В. Моделирование аэродинамических процессов в глубоких карьерах // сборник докладов Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Глубокие карьеры», 18-22 июня 2012 г., г. Апатиты, ГоИ КНЦ РАН. - Апатиты: СПб., 2012. - С. 470-474.
2. Козырев С.А., Амосов П.В. Пути нормализации атмосферы глубоких карьеров // Вестник МГТУ. - 2014. - Т. 17, №2. - С. 231-237.
3. Козырев С.А., Амосов П.В. Моделирование распределения воздушных потоков в глубоких карьерах // Горн. журн. - № 5. - 2014. - С. 7-11.
4. Козырев С.А., Амосов П.В. Применение СГО-моделей при решении задач рудничной аэрологии // Горн. информ.-анал. бюл. - 2014. - №8. - С. 204-211.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Козырев Сергей Александрович - доктор технических наук, заведующий лабораторией, skozirev@goi.kolasc.net.ru,
Скороходов Владимир Федорович доктор технических наук, заведующий лабораторией, skorohodov@goi.kolasc.net.ru
Никитин Роман Михайлович - научный сотрудник, remnik@yandex.ru Амосов Павел Васильевич - кандидат технических наук, ст.н.с., Массан Владимир Васильевич - инженер, masjanja_gd@mail.ru Горный институт КНЦ РАН.
UDC 622.7:519.711.2
3D COMPUTER MODELING OF AIR FLOW DISTRIBUTION ON SURFACE AND IN OPEN-PIT SPACE OF DEEP OPEN-PITS WITH TAKING INTO ACCOUNT REAL RELIEF AND OPEN-PIT SCALE
Kozyrev S.A., Head of laboratory, Dr.Sc. (Eng.), Mining Institute KSC RAS, Russia; Skorokhodov V.F., Head of laboratory, Dr.Sc. (Eng.), Mining Institute KSC RAS, Russia; skorohodov@goi. kolasc.net.ru
Nikitin R.M., Researcher, Mining Institute KSC RAS, Russia; remnik@yandex.ru Amosov P.V., Senior researcher, Ph.D.(Eng.), Mining Institute KSC RAS, Russia; vosoma@goi. kolasc.net.ru
Massan V.V., Engineer, Mining Institute KSC RAS, Russia; masjanja_gd@mail.ru.
3D modeling in ANSYS Fluent software was used to research air flows distribution character on surface and in deep open-pit space with taking into account actual local relief and open-pit scale. This has allowed revealing influence of rock dumps and near-wall pit zones on generation of recirculated zones and turbulent flows, and extent of air flows weakening in different open-pit zones depending on wind velocity on surface.
Key words: computer simulation, aerodynamic conditions, deep open-pit, distribution of air masses, CFD method. REFERENCES
1. Kozyrev S.A., Amosov P.V. Modelirovanie aerodinamicheskih protsessov v glubokih karerah // Sbornik dokladov Vserossiyskoy nauchno-tehnicheskoy konferentsii s mezhdu-narodnyim uchastiem «Glubokie kareryi», 18-22 iyunya 2012, Apatity, GoI KNTs RAN. Apatity: SPb., 2012. pp. 470-474.
2. Kozyrev S.A., Amosov P.V. Puti normalizatsii atmosferyi glubokih karerov // Vest-nik MGTU. 2014. V. 17, № 2. pp. 231-237.
3. Kozyrev S.A., Amosov P.V. Modelirovanie raspredeleniya vozdushnyih potokov v glubokih karerah // Gorn. zhurn. no 5. 2014. P. 7-11.
4. Kozyrev S.A., Amosov P.V. Primenenie CFD-modeley pri reshenii zadach rudnich-noy aerologii // Gorn. inform.-anal. byul. 2014. no 8. pp. 204-211.
