Численный расчет движения воздуха в рудничной камере Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

стандарт Украины «Пылевой контроль. Методы и средства пылевого контроля, осуществляемого на предприятиях угольной промышленности»

Для совершенствования учета пылевых нагрузок в настоящее время разрабатывается «По-

1. Руководство по борьбе с пылью в угольных шахтах. - 2-е изд. Перераб. И доп. - М.: Недра, 1979, 319 с.

2. Медведев Э.Н., Кашуба О.И., Мартовицкий В.Д. Прогноз заболеваемости горнорабочих пневмокониозом. Доклад на симпозиуме «Неделя горняка - 2001» Москва, МГГУ 29 января - 2 февраля 2001 г. Горный информаци-

ложение по учету пылевых нагрузок», которое предусматривает централизованный учет пылевых нагрузок каждого работника на какой - бы шахте он не работал в течение времени до накопления в организме предельного значения пыли.

---------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

онно-аналитический бюллетень. - М.: Изд. МГГУ, 2001, №6. - С. 149-151.

3. Суханов В.В., Костин Ю.В. Пылевая опасность в угольных шахтах. Прогнозирование и профилактика пневмокониоза. - М.: ВНТГО, - 1990 г. - 83 с.

— Коротко об авторах -------------------------------------

Медведев Э.Н - доктор технических наук, МакНИИ, г. Макеевка, Украина. Брюханов А.М. - кандидат технических наук, МакНИИ, г. Макеевка, Украина. Крутенко С.А. - инженер, Госуглепром Украины, г. Киев.

'Ж'

------------------------------------------ © Е.С. Каменецкий, А.В. Чупин,

2004

УДК 622.413 : 621.56

Е.С. Каменецкий, А.В. Чупин

ЧИСЛЕННЫЙ РАСЧЕТ ДВИЖЕНИЯ ВОЗДУХА В РУДНИЧНОЙ КАМЕРЕ

Семинар №4

~П настоящее время, в связи с широким -Я-9 распространением мощных ЭВМ появилась возможность существенно улучшить методы расчета аэродинамики рудников и распространения в них загрязняющих веществ. Первые работы, в которых для анализа переноса загрязняющих веществ при вентиляции применяются решения трехмерных уравнений гидродинамики с моделированием турбулентности, появились сравнительно недавно [1]. С помощью моделей такого типа можно получить гораздо большую информацию о движении воздуха, загрязняющих газов и пыли в шахтных выработках, что позволит улучшить работу рудничных вентиляционных систем.

Во многих случаях картину течения при протекании воздуха через рудничные камеры в первом приближении можно считать плоской. Если рассматривать ламинарное или квазила-минарное течение, то есть принимать коэффициент вязкости постоянным, то для определения поля скорости воздуха в камере целесообразно использовать уравнения в переменных вихрь ш -функция тока у.

Поле давления в камере при этом не определяется, но оно в задачах вентиляции менее интересно.

д(ыа>) д(уа>) _ 1 (д2® д2®~1 дх & Яе 1^йх2 дх2 )

3 ,00Е-01 1 ,00Е-01

. шруднт В00Е_01

_______________ 7 , 00Е-01 - £

5 , 00Е-01 - Р

' ^ 1 3 , 00Е-01 - 9

- Ж I 1 , 00Е-01 - т

1 1 1 1 • 2 -1 , 00Е-01

■І.. ...... . 0 0 , 2 0 , 4 0 , 6

1 0 0 , 2 0,4 0, 6 0, 8

а)

9 ,00Е-0 7 ,00Е-0 5,00Е-0 3,00Е-0 1 ,00Е-0

Рис. 2. Сечения А-А

А|і.1

-1,00Е-01 , , , 2 0,2 0,4 0,6 0,8 1

Ь) А

а)

9,00Е-01 7,00Е-01 а|

5,00Е-01

3,00Е-01 / \

1,00Е-01 Г X,

-1,00Е-01 Г І І І 1 ЧР г 0,2 0,4 0,6 0,8 1

Ь)

г

с)

(2)

дх2 дх2

здесь и =дщ/дг- проекция скорости воздуха на ось х, а у = -ду/дХ - проекция скорости воздуха на ось х, Яе - число Рейнольдса.

В расчетах использовались следующие граничные условия:

• на входной границе, через которую воздух втекает в камеру, скорость воздуха задавалась равной единице.

• значения функции тока на этой границе определялись по скорости воздуха, причем предполагалось, что производные по координате х равны нулю. Завихренность на входе принималась равной нулю. На поверхности камеры функция тока была постоянной, а завихренность в соответствии с рекомендациями П. Роуча [2] рассчитывалась по формуле

ду дп

где п - нормаль к соответствующей границе.

На выходной границе расчетной области, через которую воздух вытекал из камеры, ставились такие же граничные условия как и на входной. Уравнение (1) решалось методом установления с использованием явной конечноразностной схемы с предикцией - коррекцией.

Для того чтобы избежать схемной диффузии в членах, описывающих конвективный перенос завихренности, производные аппроксимировались конечными разностями первого порядка в направлении против скорости потока. На первом этапе в случае положительных

Ф--

(3)

значении проекции скорости воздуха разностное уравнение имело вид

1

ю..

к + 1

Яе

гюк +1 - 2юк. + юк.1

г,3+1 1,3 1,3-1

\

И

+

И2

2

\к .о>к. - Vі 1 ,а>к

1, 3 1, 3 1—1,3 1 -

У

к к к к

и. Ф. , - и. , , 1

1,3 и г,3-1 1,3-1

И

2Иг + Щ,3

(4)

На втором этапе разностное уравнение было аналогичным, но в правой части, в квадратных скобках использовались полусуммы значений переменных на к и к+1 временных слоях.

Уравнение Пуассона для функции тока (2) решалось методом Либмана. Расчет продолжался до достижения сходимости, то есть до тех пор пока изменение картины течения по времени не становилось пренебрежимо малым. Были проведены расчеты течения воздуха в рудничных камерах при четырех конфигурациях (рис. 1). Продольные и поперечные размеры камер принимались одинаковыми, а ширина входных и выходных штреков составляла 0,4 от размера камер.

Во всех случаях помимо основной вентилирующей струи в камерах возникали области циркуляционных течений с низкими скоростями движения воздуха. Профили скорости воздуха в сечениях А-А (рис. 2) наглядно иллюстрируют этот факт.

Для вариантов «а» и «Ь», изображенных на рис. 1, представляют интерес также

5,00Е-01

С)

И

х

профили скорости воздуха в сечениях В-В (рис. 3). Величина скорости воздуха на графиках нормирована на величину скорости втекающей струи, а координаты на поперечный размер камеры.

Изменение числа Рейнольдса сохраняя качественную картину течения меняет размеры циркуляционных зон и скорость в них. Для анализа этих изменений были проведены расчеты при числах Рейнольдса равных 40, 100 и 500.

Отметим, что низкие числа Рейнольдса соответствуют квазиламинарному расчету турбулентных течений, поскольку увеличение вязкости при переходе от ламинарного режима течения к турбулентному больше, чем увеличение

характерной скорости воздуха. Изменение профиля скорости воздуха в сечении А-А для камеры конфигурации «Ь», представленной на рис. 1, приведено на рис. 4.

Для получения более надежных результатов при турбулентном режиме течения необходимо использовать какую либо модель турбулентности, что позволит избежать неопределенности, связанной с выбором эквивалентного числа Рейнольдса.

Таким образом, даже ограниченное число проведенных расчетов показывает, что описать поле скорости воздуха в рудничных камерах достаточно сложно и для совершенствования вентиляционных систем необходимо проведение численных расчетов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

8 ,00Е-01 6 , 00Е-01 4 , 00Е-01 2 , 00Е-01 0 ,00Е+00

0 2 0 4 0 6 0 8 1

а)

4 , 00Е-01 2 , 00Е-01 0 , 00Е + 00

-2 00Е-01

-4, 00Е-01

Рис. 3. Сечения В-В камер для вариантов а) и Ь)

1. Беляев К.В., Никулин Д.А.,

Стрелец М.Х. Моделирование трехмерных процессов вентиляции на основе уравнений Рейнольдса. -

Математическое

моделирование, 1998, т.10, №12, 71-86.

2. Роуч П. Вычислительная гидродинамика. - М.: Мир, 1980, 616 с.

1, 00Е+00 8,00Е-01 6,00Е-01 4,00Е-01 2,00Е-01 0,00Е+00 -2,00Е-01

0,2 0,4 0,6 0,8 1

іге=40

0,2 0,4 0,6 0,8

Ке=500

Рис. 4. Сечения А-А камеры конфигурации «Ь» при различных числах Рейнольдса

— Коротко об авторак

Каменецкий Е. С., Чупин А.В. - Северо-Кавказский государственный технический университет.

V

X

X

Ь)

00Е+00

5 00Е-01

_10Е+00

5,00Е-01

Ке = 100

Таблица 2

Удельное пылевыделение и запыленность воздуха на пластах разной группы пыльности

Группа пласта Удельное пылевы- Число Запыленность воздуха, мг/м3

по пылевому деление, г/т шахтопластов, % без средств со средствами

фактору пылеподавления пылеподавления

I До 50 8,7 250-835 33-35

II 50-100 17,1 250-1670 35-67

II 100-150 13,1 500-2505 70-100

IV 150-250 14,5 750-4175 105-167

V 250-400 16,5 1250-6680 175-267

VI 400-700 14,6 2000-11690 280-468

VII 700-1200 8,9 3500-20040 490-802

VIII Более 1200 6,7 6000-20040 802-840

Таблица 3

Соответствие распределения заболеваемости логарифмически-нормальномузакону

Показатели заболеваемо- сти Горные условия Число степеней свободы Критерий Пирсона Уровень значимости критерия соответствия Соответвие нор-мально-логариф-мическому закону распределения

Выход летучих, % Угол падения расчет ный таб- личный

Общее число больных пнев- мокониозом До 22 До 35 6 19,10 16,9 4,0х10-3 Не соответствует

Более 35 5 12,34 15,1 0,0303 Соответствует

Более 22 До 35 8 61,62 20,1 2,2х10-1° Не соответствует

Более 35 5 12,16 15,1 0,0312 Соответствует

Число вновь выявленных больных До 22 До 35 2 0,25 9,2 0,888 Соответствует

Более 35 2 0,42 9,2 0,813 То же

Более 22 До 35 3 0,66 11,3 0,884

Более 35 2 0,85 9,2 0,654

Таблица 4

Объем легочной вентиляции

Профессия Выполняемая работа Объем легочной вентиляции, м3/мин

Машинист угольного комбайна Выемка угля комбайном 0,020

Помощник машиниста То же 0,025

Горнорабочий очистного забоя Крепление, управление кровлей 0,030

Выемка угля в нише 0,025

Выемка угля отбойными молотками 0,035

Доставка материалов 0,025

Машинист проходческого комбайна Проведение выработок 0,023

Помощник машиниста То же 0,027

Проходчик Бурение шпуров, скважин 0,028

Возведение крепи 0,030

Машинист подземных установок Обслуживание машин 0,015

Электрослесарь То же 0,015

Горнорабочий Крепление, ремонт горных выработок 0,025

Доставка материалов 0,020

Мастер-взрывник Надзор 0,020

Горный мастер 0,015

Таблица 5

Критические пылевые нагрузки

Объем легочной вентиляции, м3/мин Предельно допустимая пылевая нагрузка (грамм) при содержании в воздухе пыли

0,02 290 510 1450 880

0,03 330 540 1800 940

0,04 335 545 1850 950