CC BY
26
© Б.П. Казаков, C.B. Мальцев, М.А. Семин, 2015
УДК 622.4
Б.П. Казаков, С.В. Мальцев, М.А. Семин
ОБОСНОВАНИЕ УЧАСТКОВ ИЗМЕРЕНИЯ АЭРОДИНАМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ВОЗДУШНОГО ПОТОКА ПРИ ОПРЕДЕЛЕНИИ АЭРОДИНАМИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ СТВОЛОВ
Представлен анализ результатов численного моделирования смешивания и разделения воздушных потоковна участках ствола: сопряжение «ствол - калориферный канал» и сопряжение «ствол -горизонт». На основании выполненных расчетов выделены границы исследуемого участка для определения линейных аэродинамического сопротивления.
Ключевые слова: расчетная вентиляционная сеть, аэродинамическое сопротивление, замерный участок, калориферный канал, сопряжение ствола.
Определение аэродинамических сопротивлений шахтных стволов[2] является одной из первичных задач при разработке расчетной вентиляционной сети рудников. Особенно актуальна данная задача в связи с тем, что в стволах теряется значительная часть давления, создаваемого главной вентиляторной установкой (ГВУ). Падение давления может достигать в глубоких рудниках 70 % депрессии ГВУ и выше [3]. В результате от точности выбора исследуемого (замерного) участка ствола зависит и точность определения аэродинамического сопротивления всего ствола.
Анализ литературы [1, 4, 5, 6] показал, что начальная точка проведения замеров варьируется в диапазоне от 15 до 50 калибров после сопряжения. В [6] говорится о необходимости проведения экспериментальных исследований через 12-15 калибров после смешения потоков воздуха (начальная точка) и 4 калибра до следующего сопряжения (конечная точка). На основании сделанного обзора литературы можно сделать вывод о том, что в настоящее время нет де-
тальных исследований по определению границ замерных участков стволов, на которых следует проводить экспериментальные исследования по определению аэродинамического сопротивления.
В данном исследовании рассматриваются варианты смешения воздушных потоков на сопряжении ствола и калориферного канала, а также разделения воздушных потоков на сопряжении ствола с горизонтом. В рамках представленной работы выполнены предварительные экспериментальные замеры термодинамических и аэродинамических параметров воздуха, которые и послужили исходными данными для численного моделирования этих участков.
Численное моделирование вариантов смешивания и разделения воздушных потоков выполнено в программном комплексе ANSYS с использованием платформы Workbench. Численное моделирование рассматриваемой задачи включает в себя четыре основных этапа:
— построение расчетной геометрии исследуемых участков ствола;
— построение тетраэдрической конечно-элементарной сетки;
— выполнение расчета рассматриваемой задачи (расчет производится с помощью метода конечных объемов [7]);
— анализ полученных результатов.
Расчетная геометрия включает в себя трехмерную модель ствола с прилегающими калориферным каналом и участком горизонта с учетом их геометрическихпараметров — длин Li (м) и площадей поперечного сечения Si (м2) (рис. 1). На участке входа потока в расчетную область (калориферный канал и надшахтное здание) задавались аэротермоди-намическиепараметры воздуха: расход Qi (м/с) и температура Ti (°С) (рис. 1).
Для определения начальной точки замера рассмотрены варианты с учетом работающей калориферной установки и выключенной, различных сочетаний сечений ствола и разных объемов воздуха поступающего в ствол. По результатам проведенного моделирования определены распределения давлений (рис. 2) и температур (рис. 3, 4) воздуха в поперечных сечениях ствола (D=8 м) и на различных расстояниях ^)от сопряжения калориферного канала и ствола.
01. ТЛ
Ш
Рис. 1. Схема расчетной геометрии сопряжения калориферного канала и воздухоподаюшего ствола
О; Л
По результатам численного моделирования (рис. 2), можно сделать вывод о том, что на расстоянии 40^50 метров от сопряжения калориферного | канала со стволом давление воздуха по
сечению ствола (за исключением зоны 0,2 метра от стенок ствола) меняется в пределах погрешности прибора измерения давления (ОР1-740, абсолютная погрешность ±15 Па).
На рис. 3 изображены графики, полученные по результатам моделирования смешивания потоков воздуха поступающего через калориферный канал ^г) с температурой (71) и через надшахтное здание (<^2) с температурой (72). Данный рисунок характеризует распределение температуры воздуха в поперечных сечениях ствола при различных расстояниях (Ь) от сопряжения. Для данного случая можно сделать вывод, что температура воздушного потока выравнивается по сечению ствола через 100 м после сопряжения калориферного канала со стволом.
600
580
га 560
С
аГ 5 540
I
Щ
^
СО га 520
ш
0 1 500
с;
о
[= 480
460
440
-2-10 1 2 Координата вдоль диаметра ствола, м
Сечение Ь - 10 м Сечение Ь - 40 м
-Сечение Ь - 20 м -Сечение Ь - 50 м
Сечение I - 30 м
Рис. 2. Распределение давления воздуха в поперечных сечениях ствола при различных расстояниях (Ь)от сопряжения калориферного канала и ствола
12.3 12,2 12,1
u 12 ¿ 11,9 ir
a ii,8
w
| 11,7 £
H 11,6 11,5
11.4 11,3
-4-3-2-101234 Координата вдоль диаметра ствола, гл
Ф L - Юм ■ L - 20 м L — 50 м —L - 100 IV1
Рис. 3. Распределение температуры воздуха в поперечных сечениях ствола при различных расстояниях (L) от сопряжения калориферного канала и ствола
В данном исследовании была произведена оценка длины промежуткаустановления поля температур по сечению ствола от различных аэротермодинамических параметров воздушных струй, поступающих из калориферного канала и надшахтного здания, а также от величины диаметра ствола (рис. 4).
i
0,9
=и 0,8
§0,7 <в
& 0,6
I 0,5 £
„ 0,4 ^
I 0,3 m
£ 0,2 0,1 о
О 50 100 150 200 250
Расстояние от сопряжения вниз по стволу, лл
ÜT = 13 "С, Q= 301,6 мЗ/с, QR = 0,43 —■- ÜT = 13 "С, Q = 400 мЗ/с, QR = 0,43 —Ф— йТ = 4,2 °С, Q = 400 мЗ/с, QP = 0,43
Рис. 4. Перепад температур между максимальным и минимальным значениями температур в поперечных сечениях ствола при различных расстояниях от сопряжения калориферного канала и ствола
Установление поля температур по сечению ствола, представленное на рисунке 4, анализировалось исходя из критерия
K = \T - T \ (1)
| max min | v '
где Tmax и Tmin - соответственно максимальная и минимальная температуры воздуха в рассматриваемом поперечном сечении ствола.
Установлено, что при различном сочетании аэротермодинамических параметров^« T струй воздуха на входе в расчетную область расстояние от сопряжения калориферного канала со стволом, на котором разница температур будет менее 0.1 °С, может быть оценено с помощью формулы:
Lr = 8.2 • D■ |T - T2| ■ Q ' (2)
1 1 (( + Q )2
где D - диаметр ствола, 7j - температура струи воздуха, поступающей из надшахтного здания, - температура струи воздуха, поступающей из калориферного канала, - расход воздуха, поступающего из надшахтного здания, - расход воздуха, поступающего из калориферного канала.
Рис. 5. Распределение полного давления на участке воздухоподаю-шего ствола и сопряжения с горизонтом
Конечная точка исследуемого участка ствола определялась по результатам моделирования участка ствола и сопряжения с горизонтом (рис. 5). На основании модельных данных можно сделать вывод о том, что замеры следует производить непосредственно перед сопряжением ствола с горизонтом.
По результатам проведенных исследований сделаны следующие выводы:
1) на расстоянии 40^50 метров от сопряжения калориферного канала со стволом давление воздуха по сечению ствола (за исключением зоны 0,2 метра от стенок ствола) меняется в пределах погрешности прибора измерения давления (DPI-740, абсолютная погрешность ±15 Па);
2) температура воздушного потока выравнивается по сечению ствола через 100 м после сопряжения калориферного канала со стволом;
3) получена зависимость для определения начальной точки исследуемого участка ствола после смешения потоков;
4) определена конечная точка исследуемого участка.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Аэродинамика местных сопротивлений. Труды Института им. Н.Е. Жуковского, вып. 211, 1935.
2. Казаков Б.П., Исаевич А.Г., Мальцев C.B. Особенности определения аэродинамических сопротивлений глубоких рудников шахтных стволов // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно технический журнал). - 2013. -№ 12. - C. 164-168.
3. Круглов Ю.В. Моделирование систем оптимального управления воз-духораспределением в вентиляционных сетях подземных рудников. Дис. канд. техн. наук. Пермь:2006.
4. Ксенофонтова А.И., Карпухин В.Д., Харев А.А. Вентиляционное сопротивление горных выработок. - М.: Углетехиздат, 1950. - 240 с.
5. Скочинский А.А., Ксенофонтова А.И., Харев А.А. и др. Аэродинамические сопротивления шахтных стволов и способы его снижения. - М.: Углетехиздат, 1953. - 363 с.
6. Харев А.А. Местные сопротивления шахтных вентиляционных сетей. - М.:Углетехиздат, 1954. - 248 с.
7. MohammadiB., PironneauO., Ana/ysiso/fheK-Epsi1onturbu1encemode1, NewYork: Wiley, 1994. - 194 р. ИШ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Казаков Борис Петрович — заведующий отделом Аэрологии и теплофизики, доктор технических наук, профессор, aero_kaz@mai1.ru, Семин Михаил Александрович — младший научный сотрудник, mishkasemin@gmai1.com,
Горный институт Уральского отделения Российской академии наук, Мальцев Станислав Владимирович — Ассистент, stasmalcev@rambler.ru, Пермский национальный исследовательский политехнический университет.
VALIDATION OF AIR FLOW PARAMETERS MEASURING AREA FOR MINE SHAFTS AIR RESISTANCE DETERMINATION PROBLEM
Kazakov B.P., head of the Department of Aerology and physics, doctor of technical Sciences, Professor, aero_kaz@mail.ru, Mining Institute of the Ural branch of the Russian Academy of Sciences, Russia,
Semin M.A., Junior research fellow, mishkasemin@gmail.com, Mining Institute of the Ural branch of the Russian Academy of Sciences, Russia
Maltsev S.V., Assistant,stasmalcev@rambler.ru, Perm national research Polytechnic University, Russia.
In this paper analysis of air currents mixing and separation numeral modeling is proposed. We consider the cases of «shaft - unit-heater drift» junctionand «shaft -level» junction. Boundaries of test measurement usable area for linear air resistance determination are received on the basis of performed numerical calculations.
Key words: mine ventilation network, air resistance, measuring area, unit-heater drift, shaft junction.
REFERENCES
1. Ajerodinamika mestnyh soprotivlenij (Aerodynamics local resistance). Trudy Insti-tuta im. N.E. Zhukovskogo, vyp. 211, 1935.
2. Kazakov B.P., Isaevich A.G., Mal'cev S.V. Osobennosti opredelenija ajerodi-namicheskih soprotivlenij glubokih rudnikov shahtnyh stvolov (Features determine the aerodynamic resistance of deep mine shafts)// Gornyj informacionno-analiticheskij bjulleten' (nauchno tehnicheskij zhurnal). 2013. No 12. pp. 164-168.
3. Kruglov Ju.V. Modelirovanie sistem optimalnogo upravlenija vozduhoraspredele-niem v ventiljacionnyh setjah podzemnyh rudnikov (Modeling of the optimal control distribution in the mine ventilation networks). Dis. kand. tehn. nauk. Perm': 2006.
4. Ksenofontova A.I., Karpuhin V.D., Harev A.A. Ventiljacionnoe soprotivlenie gornyh vyrabotok (Ventilation resistance workings). Moscow: Ugletehizdat, 1950. 240 p.
5. Skochinskij A.A., Ksenofontova A.I., Harev A.A. i dr. Ajerodinamicheskie soprotiv-lenija shahtnyh stvolov i sposoby ego snizhenija (Aerodynamic resistance shafts and ways of its reduction). Moscow: Ugletehizdat, 1953. 363 p.
6. Harev A.A. Mestnye soprotivlenija shahtnyh ventiljacionnyh setej (Local resistance mine ventilation networks). Moscow:Ugletehizdat, 1954. 248 p.
7. MohammadiB., PironneauO., AnalysisoftheK-Epsilonturbulencemodel, NewYork: Wiley, 1994. - 194 p.
UDC 622.4
