CFD метод в компьютерных технологиях как инструмент исследования аэродинамики глубоких карьеров Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

УДК 622.7:519.711.2

С.А. Козырев, В.Ф. Скороходов, Р.М. Никитин, П.В. Амосов, В.В. Массан

Горный институт Кольского НЦ РАН

CFD МЕТОД В КОМПЬЮТЕРНЫХ ТЕХНОЛОГИЯХ КАК ИНСТРУМЕНТ ИССЛЕДОВАНИЯ АЭРОДИНАМИКИ ГЛУБОКИХ КАРЬЕРОВ

Аннотация

Работа является пилотным этапом 3D компьютерного моделирования аэродинамических условий карьера рудника «Железный» с использованием программного комплекса ANSYS Fluent. Рассмотрена принципиальная возможность использования CFD (Computational Fluid Dynamics) моделирования для оценки и прогнозирования состояния атмосферы внутри глубоких карьеров.

Ключевые слова:

компьютерное моделирование, аэродинамические условия, глубокий карьер, распределение воздушных масс, CFD-метод.

S.A. Kozyrev, V.F. Skorokhodov, R.M. Nikitin, P.V. Amosov, V.V. Massan

CFD METHOD IN COMPUTER TECHNOLOGY AS A TOOL TO STUDY THE AERODYNAMICS OF DEEP OPEN PITS

Abstract

The work is a pilot stage 3D computer modeling of the aerodynamic conditions of the quarry mine "Iron" using software ANSYS Fluent. Considered the possibility of using CFD (Computational Fluid Dynamics) modeling to assess and predict the state of the atmosphere inside deep pits.

Keywords:

computer simulation, aerodynamic conditions, deep pit, the distribution of air masses,

CFD method.

С развитием наукоемких информационных технологий все в большей степени становится возможным проведение исследований физических процессов, протекающих непосредственно в различных технологических циклах и природной среде, состояние которой в той или иной степени определяет условия их осуществления.

Объектом исследований данной работы явился карьер рудника «Железный» Ковдорского ГОКа.

Актуальность работы состоит в необходимости развития существующей производственной системы мониторинга и прогнозирования условий добычи рудного сырья и повышения промышленной безопасности при проведении взрывных работ и интенсивной эксплуатации технологического транспорта. В условиях развития производства, что предполагает увеличение объемов выработки и размеров карьера, изменение прилегающего ландшафта, в том числе, за счет складирования вскрыши и последующий переход на подземный способ добычи с нижних горизонтов карьера, заблаговременное получение информации о характере воздушных течений и составе атмосферы является необходимым при планировании горных работ.

251

На протяжении ряда лет данная проблема исследуется в Горном институте КНЦ РАН с применением программы COMSOL Multiphysics. Был проведен ряд работ [1-4], которые позволили получить 2D информацию о характере воздушных течений на верхних и глубинных горизонтах карьера, выявить закономерности распределения воздушных масс внутри карьера с учетом климатических особенностей территории.

В ходе его выполнения 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 на распределение воздушных потоков внутри карьера 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.

Рис. 1. Геометрический образ карьера и рельефа прилегающей территории

Расчетная область модели (рис. 2) представляет собой трехмерную прямоугольную область с высотой от верхнего горизонта карьера 750 м.

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 надкарьерного пространства - 42,6 м. Общая емкость сетки составила 734811 элементов.

Задача решалась в стационарном режиме с использованием стандартной (к-в)-модели турбулентности. Для решения использовался компьютер с характеристиками 2.93 GHz, 8.00 ГБ и программным обеспечением Windows 7(max), 64-ОС.

В ходе решения задачи, прежде всего, установлена возможность использования 3D компьютерного моделирования для оценки и прогнозирования состояния атмосферы внутри глубоких карьеров. Получена визуальная и количественная информация о распределении воздушных потоков во всем моделируемом пространстве, включая приповерхностные слои карьера и прилегающей территории.

252

На рис. 3 представлены, по срезам моделируемого пространства, поля градиента скорости воздушных потоков при заданных направлениях и скорости ветра. Рис. 3 показывает принципиальную возможность оценки скорости воздушных потоков в любой точке модели как в значениях магнитуды вектора скорости, так и направления.

Рис. 3. Поля градиента скорости воздушных потоков

Возможности ANSYS Fluent также позволили получить поля вектора скорости ветра для любого из сечений карьера в стационарном режиме ветровой нагрузки. На рис. 4 показано поле магнитуды воздушного потока для центрального сечения карьера при южном направлении ветра.

Визуализация параметров воздушных потоков в исследуемой области делает возможной оценку распределения областей пространства карьера, где при заданных условиях задачи наблюдается изменение кинетической энергии ветра, что способствует формированию вихревых течений (рис. 5). Так использование постпроцессора ANSYS Fluent позволяет осуществить верификацию результатов исследований с теоретически ожидаемыми данными, которые, в свою очередь, согласуются с результатами 2D моделирования, не учитывающими влияние реальной геометрии моделируемой области пространства.

253

Рис. 4. Поле магнитуды воздушного потока для центрального сечения карьера при южном направлении ветра

Рис. 5. Визуализация характера турбулентности для двух перпендикулярных центральных срезов моделируемой области

Одной из задач при построении модели является получение информации о распределении и интенсивности приповерхностных воздушных течений. На рис. 6 показано, что с помощью использованного метода CFD моделирования решение данной задачи реализуется как для приповерхностных областей пространства, так и в любой зоне моделируемой области. Причем представление результатов расчета возможно в количественном, векторном, статическом и динамическом (компьютерная анимация параметров процесса) виде.

Представленная задача может рассматриваться как основа дальнейших исследований аэродинамики глубоких карьеров на примере рудника «Железный». По мнению авторов оптимизация задачи предполагает выполнение следующих последовательных шагов: уточнение и расширение границ исследуемой области пространства; временная корректировка направления и интенсивности ветра; придание исследуемой области континуальных свойств для учета распределения в исследуемом пространстве газовых включений, взвесей и аэрозолей; обеспечение контроля над изменением термодинамических параметров среды (давление, температура и влажность атмосферы).

254

Рис. 6. Линии тока ветра в приповерхностных областях карьера и прилегающей территории

Литература

1. Козырев, С.А. Моделирование аэродинамических процессов в глубоких карьерах /С.А. Козырев, П.В. Амосов // Глубокие карьеры: сборник докладов Всероссийской научно-техн. конф. с международным участием, 18-22 июня 2012 г., г. Апатиты, ГоИ КНЦ РАН. - СПб., 2012. - С.470-474.

2. Козырев, С.А. Пути нормализации атмосферы глубоких карьеров /С.А. Козырев, П.В. Амосов // Вестник МГТУ. - 2014. - Т.17, №2. - С.231-237.

3. Козырев, С.А. Моделирование распределения воздушных потоков в глубоких карьерах /С.А. Козырев, П.В. Амосов //Горный журнал. - № 5. -2014. -С.7-11.

4. Козырев, С.А. Применение CFD-моделей при решении задач рудничной аэрологии / С.А. Козырев, П.В. Амосов // Горный информ.-анал. бюл. - 2014. - №8. - С.204-211.

Сведения об авторах

Козырев Сергей Александрович - д.т.н., зав. лабораторией технологических процессов при добыче полезных ископаемых, е-mail :[email protected]

Скороходов Владимир Федорович - д.т.н., зав. лабораторией новых обогатительных

процессов и аппаратов,

е-mail: [email protected]

Никитин Роман Михайлович - ведущий технолог лаборатории новых обогатительных процессов и аппаратов, е-mail: [email protected]

Амосов Павел Васильевич - к.т.н., старший научный сотрудник лаборатории проблем освоения и рационального использования подземного пространства, е-mail: [email protected]

Массан Владимир Васильевич - инженер лаборатории технологических процессов при добыче полезных ископаемых, е-mail: masjanja [email protected]

255