CC BY
543
------------------------------------ © С.С. Кобылкин, О.В. Сологуб,
2009
УДК 622.42/.44:
С.С. Кобылкин, О.В. Сологуб
ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ СРЕДСТВ ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ ВЕНТИЛЯЦИИ ПОДЗЕМНЫХ СООРУЖЕНИЙ И ШАХТ
Дано краткое описание основных средств программного обеспечения для автоматического расчета параметров систем вентиляции подземных сооружений и шахт. Приведены возможности и задачи каждой из программ, область их использования.
Ключевые слова: вентиляция, подземные сооружения и шахты, воздухораспреде-ление, концентрации метана.
Для решения задач по вентиляции подземных сооружений в настоящий момент широко используется компьютерное моделирование. Существуют большое количество программ, позволяющих рассчитать параметры вентиляции автоматически. В основу алгоритмов расчета закладываются известные методики. Тем не менее, автоматический расчет позволяет сэкономить много времени, дает возможность прогнозировать различные варианты в системах проветривания объектов.
Как и во многих странах мира, в России все чаще применяются такие пакеты программ для проектирования систем вентиляции шахт, рудников, транспортных тоннелей и других подземных объектов.
Рассмотрим некоторые из программ подробнее.
“Вентиляция” - это программа расчета нормального и аварийного воздухораспределения в шахте. К основным возможностям программы относятся:
• формирование пространственной топологии горных выработок;
• установка в выработки шахты вентиляторов, перемычек и людей с указанием параметров, специфичных для каждого типа;
• расчет естественного воздухораспределения в шахте;
• расчет устойчивости проветривания при изменении сопротивления в одной или нескольких выработках;
• расчет устойчивости проветривания при пожаре в одной из выработок;
• и др.
На рис. 1 и рис. 2 показаны рабочие окна программы «Вентиляция» с пространственной схемой выработок шахты и результатами расчета воздухораспределения соответственно.
Программное обеспечение (ПО) «Вентиляция-ПЛА», разработанное в ИГД им. Скочинского Романченко С.Б. и др., обладает теми же возможностями, что и пакет «Вентиляция», но дополнительно с помощью данного комплекса можно проводить расчеты устойчивости проветривания, построение оптимальных маршрутов вывода горнорабочих и движения подразделений горноспасателей, определение зон загазирования и маршрутов вывода горнорабочих на схеме вентиляции при возникновении аварий, связанных с задымлением, пожарами, взрывами. В пакет «Вентиляция-ПЛА» вложена также методика расчета времени движения застигнутых аварией людей до ближайшего узла со свежим воздухом и передвижения спасателей к месту аварии. На рис. 3 представлен общий вид программы с сетью выработок шахты [1].
К широко используемым ПО для расчета вентиляции относится и «Аэросеть». Программное приложение «АэроСеть» разработано в Горном институте УрО РАН в 2005 году. Приложение реализовано с использованием среды Delphi 7. Оно имеет русскоязычный интерфейс и в настоящее время применяется при моделировании воздухораспределения в калийных рудниках России.
«АэроСеть» не имеет привязки к конкретному типу рудников и может быть с успехом использовано для моделирования процессов воздухораспределения в рудниках различного типа, а также в шахтах, в т. ч. угольных.
Приложение предназначено для расчета сложных пространственных вентиляционных сетей шахт и рудников произвольной топологии, позволяет проводить анализ различных процессов возду-хораспределения в рудниках, решать задачи управления распределением воздушных масс в шахте.
При расчете сетей используются современные численные методы, а также оригинальные вычислительные алгоритмы и схемы, позволяющие значительно улучшить сходимость итерационных схем решения уравнений, а также уменьшить время счета.
Рис. 1. Окно программы «Вентиляция». Схема вентиляции шахты
Рис. 2. Результаты моделирования воздухораспределения
Файл Правка Вид Задачи Расширения Администрирование Настройки Справка
ПВй-Рд»П 1! ® Ч' ЧІ'ІІ
А \ ^ \ \ ■ І Основной ^ + ]| ЕВ Н Н И 'Л. л * а
* 390 У: 321 18.05.200913:27:38
Схема вентиляции | тренмерный вид | ПЛА | Водоснабжение | А
J
Рис. 3. Расчет параметров вентиляции в пакете «Вентиляция-ПЛА»
ПО «АэроСеть» не имеет каких-либо ограничений на количество ветвей в вентиляционной сети и число источников тяги (вентиляторных установок).
Приложение имеет богатый набор возможностей по оформлению внешнего вида вентиляционной сети. Позволяет задавать цвет и толщину ветвей, изменять их конфигурацию и стиль отображения, свободно редактировать внешний вид вентиляционной сети, перемещать вершины, узлы, ветви и т. д.
Приложение позволяет:
• использовать различные возможности графического оформления вентиляционной схемы в соответствии с условными обозначениями, формировать вентиляционные сети;
• редактировать существующие вентиляционные сети;
• задавать параметры ветвей вентиляционной сети: аэродинамические сопротивления, источники тяги (вентиляторные установки главного проветривания, вспомогательные вентиляторные установки);
• производить расчет естественной тяги;
• моделировать процессы нестационарного воздухораспреде-ления на основе оригинальных алгоритмов нестационарного сопряженного теплообмена между рудничным воздухом и горным массивом;
• моделировать работу эжекторных вентиляторных установок;
• рассчитывать оптимальный режим работы главной вентиляторной установки с критерием минимизации потребляемой мощности;
• рассчитывать аэродинамические сопротивления ветвей, как на основе данных шахтных замеров, так и на основании длины, площади сечения и коэффициентов аэродинамического сопротивления;
• производить анализ вентиляционной сети, показывать зоны влияния вентиляторных установок в тех или иных режимах проветривании я рудника;
• производить расчет задымленности (загазованности) в руднике в случае возникновения пожара в шахте;
• и др.
Общий вид Приложения при его запуске приведен на рис. 4. На рисунке показано главное окно Приложения с загруженной
■43,270; 81,043
Рис. 4. Околоствольный двор рудника БКПРУ-2 (г Березники)
Рис. 5. Общие свойства ветви: аэродинамическое сопротивление, название, рассчитанные параметры: расход воздуха, напор и др.
расчетной вентиляционной сетью рудника Березниковского калийного производственного рудоуправления №4 (Верхнекамское месторождение калийно-магниевых солей).
На рис. 5 - окно задания свойств ветви вентиляционной сети. Основными параметрами для расчета воздухораспределения являются характеристики источников тяги, а также аэродинамические сопротивления ветвей.
Окно задания свойств ветви имеет ряд закладок, на рис. 6 — 7 представлены две из них.
На рис. 6 - закладка для задания свойств эжекторной вентиляторной установки, если таковая установлена в выработке. Здесь можно подобрать оптимальный тип вентилятора, площадь сечения камеры смешения эжекционного и эжектируемого потоков, параметры сопла и др. Напорная характеристика вентилятора при этом вычисляется автоматически на основе оригинальных алгоритмов, разработанных в Горном институте УрО РАН.
Закладка, с помощью которой задаются источники тяги, например, главная вентиляторная установка, установленные в ветви, изображена на рис. 7. Здесь происходит обращение к базе данных источников тяги, выбирается нужный вентилятор, устанавливается режим его работы (число оборотов рабочего колеса).
Одним из самых мощных ПО на сегодняшний день в области моделирования течений реагирующих потоков (включая горение), теплообмена, многофазных течений и т. д. является пакет «FLUENT». Посредством обеспечения различных параметров моделирования и использования многосеточных методов с улучшенной сходимостью, он обеспечивает оптимальную эффективность и точность решения для широкого диапазона моделируемых скоростных режимов. Изобилие физических моделей в пакете FLUENT позволяет точно предсказывать ламинарные и турбулентные течения, различные режимы теплопереноса, химические реакции, многофазные потоки и другие феномены на основе гибкости сеток и их адаптации на основе получаемого решения [4].
Пакет имеет следующие возможности:
• моделирование 2D планарных, 2D осесимметричных, 2D осесимметричных с завихрениями и 3D потоков;
Рис. 6. Задание свойств вентиляторной эжекторной установки
Рис. 7. Задание напорной и мощностной характеристик вентиляторной установки
• моделирование установившихся или переходных потоков;
• моделирование всех скоростных режимов;
• моделирование невязких, ламинарных и турбулентных потоков;
• моделирование ньютоновских и неньютоновских течений;
• широкий набор моделей турбулентности;
• моделирование теплопереноса, включая различные виды конвекции, коньюгированный теплоперенос и излучение;
• использование специальных моделей для вентиляторов, радиаторов и теплообменников;
• использование динамических сеток для моделирования потоков вокруг движущихся объектов;
• и др.
Результат моделирования скоростей движения воздуха и концентрации метана в тупиковой выработке показан на рис. 11.
Программный комплекс FlowVision предназначен для моделирования трехмерных течений жидкости и газа в технических и природных объектах, а также визуализации этих течений методами компьютерной графики. Моделируемые течения включают в себя стационарные и нестационарные, сжимаемые, слабосжимаемые и несжимаемые потоки жидкости и газа. Использование различных моделей турбулентности и адаптивной расчетной сетки позволяет моделировать сложные движения жидкости, включая течения с сильной закруткой, горением, течения со свободной поверхностью [2].
На рис. 12 представлен пример моделирования во FlowVision.
В таблице приведены модели, доступные для моделирования во FlowVision.
VNETPC 2003 - еще одно ПО, позволяющее рассчитывать вентиляцию подземных сооружений. VNETPC уже около 20 лет используется для анализа и расчета систем вентиляции угольных шахт «Mimosa» в Мексике [3]. Эта программа обеспечивает точность результатов расчета более 93%. На рис. 13 показано окно со схемой одной из шахт «Mimosa».
Шкала ск<
8 23е+01
7 82Є+01
7.41е+01
7.00Є+01
6 59Є+01
617Є+01
576Є+01
5.35e+Ol
4.94e+0l
4.53e+0l
4.12Є+01
3.70Є+01
3.29Є+0І
2.88Є+0І
2.47Є+0І
2 06Є+01
165Є+01
1.23Є+01
412Є+00
Поле скоростей в зоне шибера
Всасывающий канал ZVN1-40-2500/10 Нагнетательный канал
Рис. 10. Расчет характеристик вентиляторных установок в программе «Fluent»
SA Turbulence model SSTTurbulence model
XXX
Experimental data Simulation results
Рис. 11. Векторное представление движения потока воздуха с примесью метана в тупиковой выработке
Рис. 12. Распределение концентрации вещества (примеси), поступающего из боковых отверстий в среду с движущимся потоком воздуха
Моделирование с помощью FlowVision
Базовая модель
Твердый материал Моделирование теплопереноса и диффузионных процессов в твердом теле. Эта модель используется в задачах сопряженного теплообмена для учета теплопереноса между жидкостью и твердым телом
Ламинарная жидкость Моделирование течений вязкого газа (жидкости) при малых и умеренных числах Рейнольдса при небольших изменениях плотности
Несжимаемая жидкость Моделирование течения газа (жидкости) при больших (турбулентных) числах Рейнольдса и при малых изменения плотности
Слабосжимаемая жидкость Моделирование движение газа при дозвуковых числах Маха и любых изменения плотности
Полностью сжимаемая жидкость Моделирование движения газа при любых числах Маха (до-, транс-, сверх- и гиперзвуковые течения)
Специальные модели
Пористая среда Моделирование движения газа при дозвуковых числах Маха и любых изменения плотности с учетом пористости среды
Модель свободной поверхности Моделирование вязкого течения при больших числах Рейнольдса со свободной поверхностью
Модель горения Моделирование горения при дозвуковых скоростях течения газов и произвольных числах Рейнольдса
Модель двухфазного горения Моделирование горения жидкого или твердого топлива при дозвуковых скоростях течения газа и произвольных числах Рейнольдса
Дополнительные модули (могут использоваться только совместно с выбранной моделью)____________________________________________________________
Излучение Поверхность-поверхность Модуль радиационного теплопереноса с поверхности на поверхность в прозрачной среде
Излучение газа Модуль радиационного теплопереноса в поглощающей и излучающей среде
Модель зазора Модуль, предназначенный для учета сопротивления, создаваемого узким каналом
Частицы Моделирование двухфазных течений с частицами. Несущая фаза может быть жидкостью или газом. Частицы могут быть твердыми, жидкими или газообразными (пузырьки). Во FlowVision реализована Лагранджева модель частиц
VYietP С 2003 6 Long Temi .vdb Cant) dad (m*/s) 11/24Л8 11:3906
Таким образом, моделирование систем вентиляции подземных объектов переходит на новый уровень. Современное программное обеспечение позволяет решать самые разнообразные, актуальные и сложные задачи в этой области. Но каждая программа имеет свои ограничения в использовании. Как правило, для расчета параметров вентиляции такого объекта как шахта (рудник) с большим количеством выработок применяется, к примеру, программа «Венти-ляция-ПЛА». Для более подробного исследования процессов в отдельной выработке шахты или в канале вентилятора главного проветривания можно воспользоваться пакетами FLUENT или FlowVision.
----------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Каледина Н.О., Романченко С.Б., Трофимов В.А. Компьютерное моделирование шахтных вентиляционных сетей: Методические указания. - М.: Издательство Московского государственного горного университета. - 72с.
2. Примеры решения типовых задач во FlowVision. Справочные материалы по использованию пакета FlowVision, 2007
3. Ventilation planning at the Minerales Monclova’s Mines. J. R. P. Aguirre. 12th U.S./North American Mine Ventilation Symposium 2008, S. 115-119
4. http ://www. fluent, com ushsi
Sologub O. V., Kobylkin S.S.
REVIEW OF THE MODERN SOFTWARE TOOLS FOR VENTILATION SIMULATING OF UNDERGROUND STRUCTURES AND MINES
A brief description of the basic software for the automatic calculation of the ventilation system parameters of underground structures and mines is given in the article. There are also opportunities and challenges of each program.
Key words: Ventilation, underground constructions and mines, concentration of methane.
— Коротко об авторах ---------------------------
Кобылкин С.С. - аспирант, инженер каф. АОТ, Сологуб О.В. - аспирант, ассистент каф. БЖГО, Московский государственный горный университет, Moscow State Mining University, Russia, [email protected]
