CC BY
60
УДК 622.4
Ю.В. Круглов, Р.Р. Газизуллин
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ CFD-МЕТОДОВ
ПРИ ИССЛЕДОВАНИИ АЭРОГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ
ПРОЦЕССОВ В РУДНИЧНОЙ АЭРОЛОГИИ
Изложен подход к исследованию процессов, происходящих в местных аэродинамических сопротивлениях в рудничных вентиляционных сетях. Описан процесс оптимизации местных сопротивлений с целью уменьшения их аэродинамического сопротивления.
Ключевые слова: вентилятор, сопротивление рудника, сопряжение вентиляционного канала со стволом, численный эксперимент.
Ж^звестно, что существует 2 основных вида потерь давления при движении воздуха, как горных выработок, так и по любому воздуховоду.
1. Линейные - потери в результате внутреннего трения отдельных струй воздуха между собой в общем потоке и трение всего потока о поверхность стенок выработок;
2. Местные - потери от деформации потока или в результате отклонения его от прямолинейного направления, или же в результате резкого изменения площади поперечного сечения его, т. е. в результате изменения скорости по величине и направлению [1].
Местные препятствия (или, что то же, объекты местных сопротивлений), встречаемые потоком воздуха, вызывают быстрое изменение структуры и конфигурации потока. Эти явления сопровождаются значительными потерями напора потока. По сравнению с потерями этого рода потери напора от трения на участке объекта местного сопротивления могут быть незначительны, поэтому ими, в отдельных случаях, можно пренебречь [2].
Совершаемая главной вентиляторной установкой (ГВУ) полезная работа идёт на преодоление аэродинамического сопротивления рудника. Исследования, проведенные на многих рудниках показывают, что основные потери депрессии приходятся на участок вентиляционный ствол - канал ГВУ, что подтверждает депрессиограмма на рис. 1. При проектировании существующих рудников проектные организации не имели арсенала современных программных продуктов. Используемые ими методы (Метод вариантов, работы Идельчика И.Е.) [3] не позволяет в полной мере учитывать влияние геометрических показателей на энергетические характеристики ГВУ.
Рис. 3. Сопряжение вентиляционного канала со стволом
Рис. 1. Депрессиограмма рудника. Участок 35-37: вентиляционный ствол-канал ГВУ
Скорость HMKj
г Plot Скорбеть, [м/с«і:]
Рис. 2. Поле скоростей на сопряжении вентиляционного канала и ствола
В настоящее время развивающаяся вычислительная техника позволяет использовать мощнейшие программные пакеты, такие как ANSYS CFX, Flow Simulation, решающие задачи гидродинамики. Ярким примером использования CFD-программ является проект сопряжения вентиляционного канала ГВУ со стволом на Краснослободском руднике РУП «ПО Беларуськалий».
При проектировании строящегося рудника, в частности при сопряжении ствола с вентиляционным каналом был заложен радиус скругления 5,4 метра с оставлением козырька в верхней части вент канала (рис. 2). Горному Институту было предложено исследовать аэродинамические характеристики и динамику воздушных потоков на сопряжении вентиляционного канала со стволом и
Название варианта , /с N, кВт
Сопряжение под прямым углом. 538 900
Вариант, предложенный в проекте Краснослободского рудника 5.40. 540 850
Сопряжение с увеличенным радиусом скругления до 6.4. 570 750
Сопряжение с увеличенным радиусом скругления до 8.4. 568 770
Вентиляционный канал с площадью сечения 20 м2 528 950
Вентиляционный канал с площадью сечения 30 м2 540 850
Вентиляционный канал с площадью сечения 39 м2 498 1100
влияние геометрических показателей канала на энергетические характеристики ГВУ с использованием современных CFD-методов.
Для этого была построена модель проектируемого сопряжения, учитывающая все особенности конструкции. На рис. 2 показано расчетное распределение скорости на сопряжении вентиляционного канала со стволом с радиусом скругления 5,4 м по выбранному сечению, вариант, предложенный в проекте Краснослободского рудника. На рисунке видно, что завихрения, образующиеся из-за оставленного в кровле козырька создают дополнительное местное сопротивление за счет сужения ядра потока.
Для оптимизации сопряжения были смоделированы и рассчитаны различные варианты с измененной геометрией канала. Расчеты показали, что разница подачи вентилятора и затрачиваемой мощности при различных геометрических параметрах сопряжений вентиляционного канала со стволом может достигать 12 % (таблица).
После анализа полученных данных результатов выбрана наиболее подходящая форма сопряжения (рис. 3).
Рассматриваемое закругление входа в вентиляционный канал должно быть не меньше 6,4 м и не больше 8,4 м. Оптимальным для такого типа сопряжения является закругление с радиусом 7,4 м.
Площадь сечения вентиляционного канала при этом не должна превышать площади живого сечения для прохода воздуха вентиляционного ствола. Габариты вентиляционного канала не должны ограничивать рекомендуемый радиус закругления. То есть при превышении площади вентиляционного канала живой площади ствола для выполнения рекомендуемого сопряжения потребуется слишком большой радиус закругления (больше рекомендованного 8,4 м). Оптимальной для такого типа сопряжения является площадь 32 м2.
В результате проведенных расчетов и анализа результатов численных экспериментов сделан вывод, что использование CFD-методов при проектировании
1. Казаков Б.П. Структурно-классификационный анализ рудничных вентиляционных
сетей по типам протекающих в них аэрологических процессов /Б.П. Казаков // Сборник докладов ежегодной научной сессии Горного института УрО РАН. — 2009. — 192-194 с.
вентиляционных систем позволяет более эффективно подобрать геометрические параметры важных узлов вентиляционной сети рудника и минимизировать энергопотребление ГВУ.
При наличии на вентиляторе частотного регулятора, в случае с благоприятными аэродинамическими характеристиками сопряжений, можно произвести снижение частоты вращения рабочего колеса вентилятора. При этом в зависимости от вариантов геометрии сопряжения, снижение затрачиваемой мощности на проветривание рудника может достигнуть 150 кВт (таблица), что при пересчете на годовое потребление составит почти 1,4 миллиона кВт.
Экономическая эффективность при выборе оптимальных геометрических параметров сопряжений в приведенном примере Краснослободского рудника составляет до 4 миллионов рублей в год.
-------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
2. Скочинский А.А., Комаров В.Б. Рудничная вентиляция, издание 2-е. Л.-М.: Углетех-издат, 1951. - 564 с.
3. Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям/ Под ред. М. О. Штейнберга. - 3-е изд., перераб. и доп.- М.: Машиностроение, 1992. - 672 с. шгЛ
— Коротко об авторах --------------------------------------------------------------
Круглов Юрий Владиславович - кандидат технических наук, старший научный сотрудник Пермского горного института Уральского отделения РАН, aerolog@mail.ru Газизуллин Руслан Рафаилович - инженер Пермского горного института Уральского отделения РАН, aero_rus@mail.ru
