CC BY
22
© Л.Ю. Левин, М.А. Семин, A.B. Зайцев, 2015
УДК 621
Л.Ю. Левин, М.А. Семин, А.В. Зайцев
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПЕРЕПАДА ДАВЛЕНИЯ НА СОПРЯЖЕНИИ ВЕНТИЛЯЦИОННОГО СТВОЛА И КАНАЛА ГВУ
Проводится серия численных расчетов течения воздуха через сопряжения вентиляционного ствола и канала ГВУ в программном комплексе АМБУБ.Показывается, что вклад линейных аэродинамических сопротивлений в полную потерю давления при прохождении воздухом сопряжения канала ГВУ со стволом и линейного участка канала ГВУ составляет менее 15%. Строится аппроксима-ционная аналитическая формула определения перепада давления на сопряжении канала ГВУ с вентиляционным стволом в зависимости от высоты канала ГВУ, диаметра ствола, радиуса скругле-ния сопряжения, расход воздуха в канале ГВУ. Показывается, что скругление острых углов стенок на сопряжении является более эффективным мероприятием по минимизации потерь давления на канале ГВУ по сравнению с плавным поворотом канала и плавным расширением каналав области его примыкания к стволу. Ключевые слова: местные сопротивления, сопряжение, вентиляционный ствол, канал ГВУ, численное моделирование, энергоэффективность, депрессия
Практический опыт показывает, что на вентиляционный канал ГВУ приходится существенная часть общешахтной депрессии [1, 2]. Это обусловлено значительными объемами воздуха, проходящего через канал ГВУ, и особенностями аэродинамики турбулентных вихрей на сопряжении канала со стволом. Поэтому проектные решения, опреде-ляющиеконструктивные параметрыканала ГВУ и его сопряжения со стволом, влияют на расчетные парамеры работы главных вентиляторных установок и экономические затраты на проветривание горных выработок.
Для правильного подбора конструктивных параметров канала ГВУ и его сопряжения с вентиляционным стволом рудника необходимо иметь теоретическую оценку падения дав-
ления в зависимости от различных конструктивных параметров канала и скорости воздуха в канале [3, 4].
В данном исследовании путём численного трехмерного моделирования турбулентного течения воздуха проводится оценка величин перепада давления на сопряжении канала ГВУ с вентиляционным стволом при различных конструктивных параметрах канала и скоростях воздуха в канале.
Согласно [5, 6, 7], следующие конструктивные особенности сопряжения тройников приточного типа и, в частности, канала ГВУ с вентиляционным стволом,являются существенными при определении падения давления:
1. скругление острых углов стенок на сопряжении;
2. поворот канала ГВУ в области примыкания к стволу;
3. плавное расширение канала в месте его сопряжения со стволом, обеспечивающее относительное уменьшение скорости потока в расширенном сечении, уменьшение истинного угла поворота потока при одном и том же номинальном угле сопряжения;
4. подбор высоты канала ГВУ;
5. подбор ширины канала ГВУ, равной диаметру ствола и обеспечивающей течения без дополнительных сжатия или расширения;
6. шероховатость стенок;
В данной работе подробно рассмативаются и анализируются конструктивные особенности 1 —4.
Численное моделирование течения на сопряжении вентиляционного ствола и канала ГВУ
Численное моделирование осуществялось в программном комплексе ANSYS с использованием платформы Workbench. Построение расчетной геометрии делалось в модуле Design Modeler, построение нерегулярной тетраэдрической конечно-элементной сетки производилось в модуле CFDMeshing. Расчет проводился в модуле Fluentна нескольких конечно-элементных сетках с целью исключения влияния способа дискретизации расчетной области на получаемые результаты.
На границе со стенкой задавался призматический пограничный слой. При задании параметров пограничного слоя использовалась формула [8]
лу = ^ , (1)
позволяющая аналитически определить высоту первого пристеночного конечного элемента в зависимости от условий, накладываемых на безразмерный параметр У+. Для модели турбулентности з1а^а^к-ерзПоп, используемой в данном исследовании для расчетов, и стандартных пристеночных функций значение параметра У+ должно находиться в интервале 30— 300 [9]. Здесь р — плотность воздуха, ц —
динамическая вязкость воздуха, — сдвиговая скорость,
определяемая по формуле / р , тда — турбулентное касательное напряжение.
Для расчета применялсяметод конечных объемовБМРЬЕ [8,9]. Итерационная процедура продолжалось до тех пор, пока все относительные невязки по искомым параметрам воздуха не становились меньше 10-4.
Определялся перепад давления между сечениями 51 и Б2, представленными на рис. 1.
Рис. 1. Схематичное преаставоеиие геометрии сопряжения канала ГВУ с вентиляционным стволом рудника
Подбор длин L1, L2 и L3 осуществлялся на основании предварительных расчетов. В результате было принято, что L1 > 5 D
L2 > 5D, (2)
L3 > D
где D — диаметр ствола.
На рис. 2 приведена зависимость перепада давления Ap = p (S1) - p (S2) в зависимости от радиуса кривизны скруг-
ления при различных значениях параметра h высоты канала ГВУ. Графики приведены при одинаковой скорости воздуха в канале ГВУ, равной 17 м/с. Ширина канала b принималась равной диаметру ствола D .
Как видно из рис. 2, при малых значениях радиуса скруг-ления увеличение данного радиуса на единицу ведет к существенному уменьшению перепада давления на сопряжении. По мере увеличения радиуса скругления данный эффект падения
250,0 230,0 210,0 £ 190,0
II
1 170,0 ■
1 150,0 ч =1
1 130,0
Z
= 110,0 90,0 70,0 50,0
0,000 СДСО 0,200 0,300 0,400 0,500 0,600 0,700 0,000 Относительный радиус скругления R/D
^^h = 7м, V= 17 м/с ^^h = 5,52м, V= 17м/с h = 5,2 м, V = 17 м/с
Рис. 2. Зависимость перепада давления от радиуса кривизны скруг-ленияпрн различных значениях параметра h высоты канала ГВУ
давления ослабевает. При увеличении значения радиуса скруг-ления со значения К/ П = 0.25 до значения К/ П = 0.375 полное давление уменьшается на 6 %. Это связано с тем, что сильное увеличение радиуса скругления К/ П > 0.5 приводит к диффузорному эффекту: происходит существенное увеличение поперечного размера проточной области в сопряжении, приводящая к появлению дополнительного местного сопротивления, нивелирующего уменьшение потерь давления вследствие увеличения плавности поворота [6].
В результате выполненного численного моделирования был получен набор расчетных точек при различных конструктивных параметрах канала ГВУ и его сопряжения со стволом. По данному набору точек с использованием метода наименьших квадратов [10] была построена аппроксимационная функция, позволяющая определять перепад давления в сопряжении канала ГВУ с вентиляционным стволом при различных значениях диаметра ствола, высоты канала ГВУ, скорости воздуха в канале ГВУ.
Следует отметить, что формула (3) была получена для случая ширины канала ГВУ, равной диаметру ствола, а также среднего выступа неоднородности (шероховатости) стенок ствола и канала 2 см. Плотность воздуха принималась равной р = 1.225 кг/м3.
Ошибка аппроксимации (3) по сравнению с расчетными точками численного моделирования в диапазоне значений параметров К е (0, П), Ь е (Э/2, П), V е (12 м/с, 24 м/с) составила менее 5%.
Также в работе проведена сравнительная характеристика влияния скругления, поворота и плавного расширения канала ГВУ на уменьшение перепада давления на сопряжении. Иссле-
Н
(3)
дования показали, что скругление острых углов стенок на сопряжении является более эффективным мероприятием по минимизации потерь давления на канале ГВУ по сравнению с поворотом канала ГВУ в области примыкания к стволу и плавным расширением канала в месте его сопряжения со стволом(см. рис. 3).
Выполнена оценка величины линейных аэродинамических сопротивлений вследствие трения в канале по сравнению с местными сопротивлениями в канале на сопряжении канала ГВУ со ствол ом. Линейные сопротивления в первую очередь регулируются путём изменения высоты канала ГВУ. Оценка относительного вклада линейных сопротивлений в общее падение давления позволит судить о том, насколько сильно оптимизация высоты канала ГВУ позволяет снизить общее падение давления на участке канала ГВУ.
Рис. 3. Сравнительный анализ влияния поворота, скругленияи плавного расширения канала на уменьшение перепада давления при различных скоростях потока в канале
•Местные сопротивления ■ Линейные сопротивления
Рис. 4. Сравнительный анализ величины местных сопротивлений на сопряжении канала ГВУ со стволом и линейных сопротивлений в канале вследствие трения
На рис. 4 представлены результаты сравнительного анализа относительной роли двух данных видов сопротивлений в формировании общего перепада давления сопряжения вентиляционного ствола с каналом ГВУ. Как видно из представленных графиков, вклад линейных аэродинамических сопротивлений в полную потерю давления составляет менее 15%. Таким образом, влияние высоты канала ГВУ на общее падение давления на участке канала ГВУ выражено слабо. Данный факт также может быть получен из формулы (3).
Заключение
Построена компьютерная трехмерная модель сопряжения вентиляционного ствола и канала ГВУ, на которой выполнена серия численных расчетов течения воздуха в программном комплексе АИБУБ.
Показано, что вклад линейных аэродинамических сопротивлений в полную потерю давления при прохождении воздухом сопряжения канала ГВУ со стволом и линейного участка канала ГВУ составляет менее 15%.
Построена аппроксимационная аналитическая формула определения перепада давления на сопряжении канала ГВУ с вентиляционным стволом в зависимости от высоты канала ГВУ, диаметра ствола, радиуса скругления сопряжения, скорости воздуха в канале ГВУ.
Показано, что скругление острых углов стенок на сопряжении является более эффективным мероприятием по минимизации потерь давления на канале ГВУпо сравнению с плавным поворотом канала и плавным расширением канала в области его примыкания к стволу.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Казаков Б. П. Структурно-классификационный анализ рудничных вентиляционных сетей по типам протекающих в них аэрологических процессов // Сборник докладов ежегодной научной сессии Горного института УрО РАН. — 2009. — с. 192 — 194.
2. Круглов Ю.В., Газизуллин P.P. Использование CFD-методов при исследовании аэрогазодинамических процессов в рудничной атмосфере // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). — 2011. — № 4. — с. 211 — 213.
3. Левин Л.Ю., Семин М.А., Газизуллин P.P. Разработка метода расчета местных аэродинамическох сопротивлений при решении сетевых задач воздухораспределения // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). — 2014. — № 9. — с. 200 — 206.
4. Казаков Б.П., Шалимов А.В., Стукалов В.А. Моделирование аэродинамических сопротивлений сопряжений горных выработок // Горный журнал. - 2009. - № 12. - С. 56 — 58.
5. Газизуллин P.P., Левин Л.Ю., Зайцев А.В. Влияние местных сопротивлений на воздухораспределение в рудниках при реверсивном режиме работы главной вентиляторной установки // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). -2012. - № 5. - С. 227—230.
6. Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. — М., Л.: Госэнергоиздат, 1960. — 464 с.
7. Харев А.А. Местные сопротивления шахтных вентиляционных сетей. — М.: Углетехиздат, 1954. — 248 с.
8. ANSYS FLUENT Theory Guide. Release 14.0. ANSYS, Inc. November 2011. 768 p.
9. Mohammadi B., Pironneau O., Analysis of the K-Epsilon turbulence model, New York: Wiley, 1994. — 194 p.
10. Линник Ю. В. Метод наименьших квадратов и основы математико-статистической теории обработки наблюдений. — 2-е изд. — М.:Физматгиз, 1962. — 349 с. E2S
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Левин Лев Юрьевич - зам. директора, д-р техн. наук, e-mail: aerolog_lev@mail.ru
Зайцев Артем Вячеславович - научный сотрудник, канд. техн. наук, e-mail: aerolog.artem@gmail.com
Семин Михаил Александрович - младший научный сотрудник отдела Аэрологии и теплофизики, mishkasemin@gmail.com
Горный институт Уральского отделения Российской академии наук
UDC 621
DETERMINATION OF UPCAST SHAFT AND FAN DRIFT JUNCTION PRESSURE DROP
Levin, L.Yu, Deputy Director, Dr technology. Sciences, e-mail: aerolog lev@mail.ru, Mining Institute of the Ural branch of the Russian Academy of Sciences Zaytsev A.V., research scientist, Cand. technology. Sciences,
e-mail: aerolog.artem@gmail.com, Mining Institute of the Ural branch of the Russian Academy of Sciences
Semin M.A., Junior researcher of the Department of Aerology and Thermophysics, mishkasemin@gmail.com, Mining Institute of the Ural branch of the Russian Academy of Sciences
Numerical simulation of air flow in «mine shaft — fan drift» junction using ANSYS software is accomplished. Analysis of received numerical results shows that relative proportion of linear air resistances in total air resistance is less than 15%. Approximating analytical formula for pressure loss determination is calculated. The formula includes fan drift height, mine shaft diameter, junction walls corners fillet radius, total air flow.It is shown, that junction walls fillet is more effective measure of pressure loss minimization than slow turn of air flow or fan drift enlargement near «mine shaft — fan drift» junction area.
Key words: Local air resistance, junction, mine shaft, fan drift, numerical modeling, energy consumption, pressure loss.
REFERENCES
1. Kazakov B.P. Strukturno-klassifikacionnyj analiz rudnichnyh ventiljacionnyh setej po tipam protekajushhih v nih ajerologicheskih processov (Structural classification analysis of mine ventilation networks by type of proceeding in them aerological processes) // Sbornik dokladov ezhegodnoj nauchnoj sessii Gornogo instituta UrO RAN. 2009. pp. 192—194.
2. Kruglov Ju.V., Gazizullin R.R. Ispol'zovanie CFD-metodov pri issledovanii ajerogazodinamicheskih processov v rudnichnoj atmosfere (Use of CFD methods in the study of aerogasdynamic processes in mines) // Gornyj informacionno-analiticheskij bjulleten' (nauchno-tehnicheskij zhurnal). 2011. No 4. pp. 211 — 213.
3. Levin L.Ju., Semin M.A., Gazizullin R.R. Razrabotka metoda rascheta mestnyh ajerodinamicheskoh soprotivlenij pri reshenii setevyh zadach vozduhoraspredelenija (Development of a method of calculating the local aerodinamicheskoi resistance when solving network problems distribution) // Gornyj informacionno-analiticheskij bjulleten' (nauchno-tehnicheskij zhurnal). 2014. No 9. pp. 200 — 206.
4. Kazakov B.P., Shalimov A.V., Stukalov V.A. Modelirovanie ajerodinamicheskih soprotivlenij soprjazhenij gornyh vyrabotok (Modeling the aerodynamic resistance mates mining) // Gornyj zhurnal. 2009. No 12. pp. 56 — 58.
5. Gazizullin R.R., Levin L.Ju., Zajcev A.V. Vlijanie mestnyh soprotivlenij na vozduhoraspredelenie v rudnikah pri reversivnom rezhime raboty glavnoj ventiljatornoj ustanovki (The influence of local resistance to the air distribution in the mines during reverse mode operation of the main fan installation)// Gornyj informacionno-analiticheskij bjulleten' (nauchno-tehnicheskij zhurnal). 2012. No 5. pp. 227—230.
6. Idel'chik I.E. Spravochnik po gidravlicheskim soprotivlenijam (Handbook of hydraulic resistance). Moscow, L.: Gosjenergoizdat, 1960. 464 p.
7. Harev A.A. Mestnye soprotivlenija shahtnyh ventiljacionnyh setej (Local resistance mine ventilation networks). Moscow: Ugletehizdat, 1954. 248 p.
8. ANSYS FLUENT Theory Guide. Release 14.0. ANSYS, Inc. November 2011. 768 p.
9. Mohammadi B., Pironneau O., Analysis of the K-Epsilon turbulence model, New York: Wiley, 1994. — 194 p.
10. Linnik Ju. V. Metod naimen'shih kvadratov i osnovy matematiko-statisticheskoj teorii obrabotki nabljudenij (Method and the basis of mathematical-statistical theory of the processing of the observations). 2-e izd. Moscow: Fizmatgiz, 1962. 349 p.
