CC BY
69
ГОРНОЕ ДЕЛО
УДК 622.458
ОЦЕНКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ОТВАЛА ДЛЯ ОБОСНОВАНИЯ ЗОН ВЛИЯНИЯ ВЕТРОВОГО ПОТОКА
В. П. Сафронов, М. С. Лазарев
Моделирование течения ветрового потока при обтекании преград в виде отвалов и установление взаимного влияния технологических параметров и параметров моделируемой воздушной струи на микроклимат прилегающих территорий. В основу методики расчета и моделирования ветрового потока положено нестационарное уравнение Навье-Стокса. Методика позволяет выявлять благоприятную конструкцию отвала путем изменения результирующего угла его откоса.
Ключевые слова: ветровой поток, циркуляционная зона, обтекание, отвал, скорость, плотность, динамическое давление.
До 50-х годов прошлого века широко бытовало мнение о весьма благоприятной гигиенической характеристике по газопылевому фактору открытого способа разработки месторождений твердых полезных ископаемых. При эксплуатации карьеров глубиной свыше 100-150 м такое мнение в последствии было опровергнуто по следующими причинам: двигателям внутреннего сгорания, которыми, как правило, оснащено горнотранспортное оборудование, не хватает кислорода для приготовления топливной смеси, что ведет к потерям мощности двигателей, перерасходу топлива и сверхнормативным выбросам выхлопных газов; условия труда ухудшаются, что приводит к потерям производительности труда на рабочих местах в карьере.
Под руководством акад. А. А. Скочинского, д.т.н. В.Б Комарова, и д.т.н. К.В. Кочнева были заложены основы научных исследований в области аэрологии карьеров, включая вопросы борьбы с пылью и вредными га-
84
зами. Интенсификация производственных процессов открытых горных работ и требования по улучшению условий труда горнорабочих привели к оформлению аэрологии карьеров в самостоятельную научную дисциплину, отрасль горной науки и быстрому ее развитию. Исследования, направленные на решение теоретических и практических вопросов, на «оздоровление» атмосферы карьеров, были продолжены и развиты Бересневичем П.В., Битколовым Н.З., Калабиным Г.В., Качуриным Л.Г., Коноревым М.М., Кулешовым А.А., Михайловым В.А., Нестеренко Г.Ф., Никитиным В.С., Ушаковым К.З., Филатовым С.С., Чулаковым П.Ч. и др. Под их руководством были разработаны способы и средства защиты атмосферы карьеров от загрязнений, учитывающих горно-геологические, горнотехнические и метеорологические условия разработки месторождений [1].
Эффективными методами по проветриванию карьеров являются использования геотермального тепла и ветрового потока. Энергия этих процессов способна полностью заменить искусственное проветривание карьеров. Для естественной вентиляции горных выработок карьера необходимо обеспечить свободный доступ ветрового потока, точнее управляемого ветрового потока. Основными препятствиями для проникновения ветрового потока в карьер являются внешние отвалы, дробильно-сортировочные фабрики, административно-бытовые здания и промышленные сооружения, а также прилегающие к ним различные ограждения (земляные валы, заборы и др.). Поэтому для решения задач по управляемости ветровым потоком необходимо технологические параметры горных работ, конструктивные параметры отвалов и аэродинамические параметры ветрового потока рассматривать как систему.
В ветровом потоке, при встрече с препятствиями выделяется место или так называемая точка отрывного течения. За точкой отрывного течения образуются циркуляционная зона и зона разряжения, которые могут играть роль пылеуловителя. Пыль с отвала вскрышных пород (или склада почвенно-растительного слоя) можно частично удерживать в пределах прилегающей к нему территории. Отрыв потока - это одно из физических явлений, возникающих при движении газов или жидкостей над твердой поверхностью или, наоборот, при движении тела в неподвижной жидкости или газе. Физика процесса заключается в том, что ветровой поток перестает двигаться вдоль поверхности и отходит от нее. Два фактора являются определяющими для возникновения отрыва ветрового потока - это увеличение его вязкости и изменения давления ветрового потока вдоль поверхности, тем более, если она неровная. Необходимым условием отрыва ветрового потока от поверхности является возрастание давления в направлении течения, то есть, когда формируется положительный (неблагоприятный) градиент давления. Такие условия типичны при обтекании ветровым потоком отвалов вскрышных пород [2].
Процесс перемещения ветрового потока при встрече объекта (пре-
пятствия) нами был рассмотрен на примере обтекания им одноярусного отвала.
При обтекании передней части отвала образуется «косой скачок» уплотнения. Распределение давления в окрестности излома, обтекаемой поверхности, принимает ступенеобразную форму. Положительный градиент давления в точке излома возрастает до своего максимального значения с положительным градиентом давления и на обтекаемой поверхности нарастает пограничный слой. Из теории пограничного слоя известно, что пограничный слой не может выдержать стремительно нарастающий градиент давления и течение должно перестроиться. На самой обтекаемой поверхности скорость потока равна нулю, а в пристеночной области течение имеет очень малую скорость, стремящуюся к нулю. Благодаря наличию этой области возмущения давление передается от точки излома вверх по потоку, пограничный слой утолщается и во внешней невязкой области воздушного потока образуется циркуляционная зона за счет снижения избыточного давления в этой области.
Область разряжения, с характерной малой скоростью движения воздушных масс, активно влияет на движение воздушного потока в противоположной части (задней части) отвала. При обтекании воздушным потоком задней части отвала тоже образуется зона разряжения с последующим падением давления воздушного потока. Максимальное падение давления образуется в точке контакта нижней бровки отвала с земной поверхностью. За счет отрицательного градиента давления течение воздушного потока перестраивается в обратном направлении и как следствие образуется еще одна циркуляционная зона. На обтекаемой поверхности откоса задней части одноярусного отвала, как и с наветренной части откоса отвала, скорость потока равна нулю, а вблизи поверхности отвала скорость воздушного потока стремится к нулю.
На рис. 1, а изображено распределение динамического давления при обтекании одноярусного отвала [3].
Рис.1 Схема распределения динамического давления (а) и горизонтальных скоростей (б) при обтекании одноярусного отвала
86
Из схемы (рис. 1, а) следует, что отрыв ветрового потока может осуществляться не только от бровок отвала, но и от всех выступающих или западающих конструктивных элементов отвала, поэтому около таких элементов отвала всегда будут присутствовать циркуляционные зоны.
На рис. 1, б изображена диаграмма скоростей, из которой видны основные циркуляционные зоны и характер их влияния на территорию, прилегающую к отвалам.
Из схемы (рис. 1, б) следует, что по территории земной поверхности, прилегающей к отвалам, воздух движется навстречу ветрового потока и над этой территорией существует зона, ограниченная поверхностью, на которой продольная компонента средней скорости равна нулю, движение воздушных масс по направлению совпадает с вектором основной скорости ветрового потока.
После преодоление точки соприкосновения основного потока с дневной поверхностью энергия ветрового потока постепенно восстанавливается к более равномерному. Плотность потока переходят в допреград-ную форму, а скорость потока, с явной потерей, пытается восстановиться, но процесс восстановления скорости происходит на значительном расстоянии от препятствия.
Из выше сказанного следует, что для эффективного проветривания карьера необходимо располагать отвал так, чтобы циркуляционная зона между карьером и отвалом не входила в зону влияния карьерного микроклимата или минимально касалось его. То есть при выборе места расположения внешнего отвала от границы горного отвода требуется знать длину циркуляционной зоны.
Внешней границей зоны циркуляционного течения является линия тока у( х, у) = 0, построенная из условия равенства нулю интегрального расхода воздуха в осредненном турбулентном движении в направлении ветра и в противоположном направлении, уравнение интегрального расхода воздуха представлено в следующей формуле:
уу = 0
| и^у = 0, (1)
0
где х,у - горизонтальная и вертикальная координаты; их - продольная компонента средней скорости ветра; у( х, у) - функция тока.
Поскольку скорость ветрового потока в области обратного течения имеет отрицательный знак, то и трение по стенке преграды, в соответствии
ґдиЛ
< 0. В
с законом трения Ньютона, становится отрицательным т = т
I Эу у
самой точке отрыва напряжение касательного трения обращается в нуль: т = 0. В области присоединенного течения за счет сил трения движется
вниз по потоку по направлению к точке отрыва.
Поскольку в точке отрыва поверхностное трение равно нулю, и в силу закона трения Ньютона в точке отрыва и присоедине-
нии
ґдиЛ
эу
= 0 [3,4].
Длина циркуляционной зоны может быть определена при решении уравнения Навье-Стокса.
Э¥х Э¥х Э¥х 1 Эр V Э , —
х + ¥х—х + ¥у—х = X-------+ пА¥х + -—ЖуУ
Эх ^ Л-
Эt
ЭУ
У
Э(
Э¥
У
х
Эх
ЭУ
ж
р Эх
3 Эх
У
У
ЭУ
У -1 Эр + пАКУ +П—сііу¥
(2)
р ЭУ
У
3 ЭУ
где ¥х, ¥у -проекция скоростей на оси координат, X , У -проекция массо-
вых сил, р - плотность текучей среды, Л:
Э2 Э
+
2
Эх2 Эу2
А также системы уравнений сохранения массы, импульса и энергии нестационарного пространственного течения:
2
-оператор Лапласа.
Эр + Э
Эt Эх£
Э(Ри1) ,
Эt Эх;
Э (рЕ) Э
(Р и£ ) = 0
Э эр
(риіи£ — Ті£ ) + - = Бі
£
Эх
(3)
1
Эt Эxi
((рЕ + р)и£ + — ті£ ) = Б£и£ + дн
где / - время; и - скорость текучей среды; Р - давление текучей среды;
- внешние массовые силы, действующие на единичную массу текучей среды: = $1ротои8 + $1%таус[у , $1ротои8 - действие сопротивления пористого
тела, $>1 £ГаЛ!$у - действие гравитации, Е - полная энергия единичной массы текучей среды, Qн - тепло, выделяемое тепловым источником в единичном объеме текучей среды, - тензор вязких сдвиговых напряжений,
- диффузионный тепловой поток.
Для ветрового потока тензор вязких сдвиговых напряжений определяется следующим образом:
^Эи у Эиг- 2Эи/
ту =т
+
Эxj Эх 3Эх
і
5і,
—| р£б.
У
(4)
где т = т + Д/, Д/ - коэффициент динамической вязкости и Д/ - коэффици-
88
<
ент турбулентной вязкости, 8^ - дельта-функция Кронекера, к - кинетическая энергия турбулентности. В соответствии с к -е моделью турбулентности, Ц/ определяется через величины кинетической энергии турбулентности к и диссипации этой энергии е:
где Лт = [1 — ехр( —0,025Яу)]
У'
1+
т
20.5
с^рк ‘
Є
(5)
Я
т
у
рУку .
ті ’
Я
рк
2
у
тіє
, у - расстоя-
ния от поверхности стенки, Сц = 0,09.
Кинетическая энергия турбулентности и диссипация этой энергии
определяются в результате решения следующих двух уравнений:
Эр Э / Л Э ' (рик) =
Эі Эх£
Эре + Э Эі Эх£
Эхк
ті +
ті
О к
Эк
Эхк
+ Бк
(рикЄ)
Э
ґґ
Эх
к
ті +
ті
О
Эе
(6)
Є У
Эх
к
+
где Бк =тЯЭщ1—рє+тір^, Бє = сєі-Є
г
Лт
Я Эи
тЯ=ті
Эщ + Эиj 2Эщ £
+
■ з рк$ і
V
+ тісЯрЯ
■ Сє2Л2
рє_
к
Я
Я 1 Эр
g -составляющая
а в р Эх1
гравитационного ускорения, а в = 0,9, Св = 1 при Рв > 0 и Св = 0 при
Ря < 0, СЕ1 = 1,44, СЄ2 = 1,92, Ок = 1
Л2 =1 — ехР(—Я^).
Ое= 1,3:
Л = 1 +
Ґ \3
0,05
Л
т
Диффузионный тепловой поток моделируется с помощью уравне-
ния
Чк
г \
ті +ті
чРг О с У
с,
ЭТ
Эх
к
(7)
где аС = 0,9, Рг - число Прандтля, Ср - удельная теплоемкость при постоянном давлении, Т - температура текучей среды.
Также используется уравнение состояния
р = Р /(ЯТ) (8)
где Я - универсальная газовая постоянная моделируемого газа [5,6,7].
Для условного расчета был принят одноярусный отвал с длинной
2
верхней бровки 200м, высотой яруса 30 м, углом откоса 400. Угол внутреннего трения горной породы, слагающей отвал, принят 40°.
Для установления графических моделей распределения скоростей, давления и плотности воздуха нами проведен вычислительный эксперимент путем решения системы уравнений (3) при помощи пакета прикладных программ по аэродинамическому моделированию COSMOSFloWorks. Вследствие того, что нас интересует поведение ветрового потока вблизи поверхностей одноярусного отвала, то были построены графики, отражающие поведение ветрового потока в пограничном слое. На рис. 2 представлены результаты вычислительного эксперимента в виде графиков о распределении скоростей, давления и плотности воздуха ветрового потока при обтекании им одноярусного отвала вскрышных пород.
а) 5 сэ 1 6 1 1 1 1 Й 8 ! ь
\
I
0 1*
25 3x5 » ' ■—* є 75 7 у
Длинно обтекаемого тепа
б) 1 і 110 ■ і
‘ ^ 1 0 ; . . 25 . .
Длинно обтекаемого тело
в)
\
\
3 і 1203 1
/
1.2028 V
75 150 225 300 375 450 525 6Э0 675 750 Длинна обтекаемогсте/а
Рис. 2 График изменения ветрового потока при обтекании им одноярусного отвала вскрышных пород: а - горизонтальных скоростей; б - динамического давления,
в - плотности воздуха)
90
Графики, приведенные на рис. 2, получены для случая, когда скорость ветрового потока не превышает 3 м/сек. Также были проведены вычислительный эксперимент для случаев, когда скорость ветрового потока достигает 10 м/сек и даже 20 м/сек.
На рис. 3 приведены графики изменения горизонтальных скоростей ветрового потока по длине обтекаемой поверхности отвала при начальных скоростях ветрового потока 10 м/сек и 20 м/сек. Из сопоставления графиков следует, что при обтекании отвала ветровым потоком, разница значений длин, сравниваемых циркуляционных зон, не существенна и мало зависит от скорости ветрового потока.
\
Л
\\ .1 /
\ /
0 75 1 ю г: >5 3( Ю 3 г5 4!: ;о ►5 —*600 /
\ ч ^
Длинна обтекаемого тела, м
Скорость 20 м/сек Скорость 10 м/сек
Рис. 3. График изменения горизонтальных скоростей ветрового потока при обтекании им одноярусного отвала вскрышных пород
Из графиков следует, что при малых скоростях их влияние на длину циркуляционной зоны незначительно. А основными параметрами влияющие на длину этой зоны являются геометрические параметры отвалов: высота яруса и их количество, угол откоса отвала, межярусные площадки и длина отвала поверху.
Для апробации методики расчета циркуляционной зоны для внешних скальных отвалов были использованы исходные данные предприятий по добыче фосфоритовой руды: Аралтобе и Кесиктобе.
С учетом климатологии и отчета ОблГМЦ ожидаемая скорость ветрового потока равна 10 м/сек. Геометрические параметры отвала Аралтобе: высота яруса - 15 м, количество ярусов -2-3, угол яруса откоса отвала - 37°, высота поверху составила - 640м, меж ярусная площадка - 35м. Параметры отвала Кесиктобе: высота яруса - 15 м, количество ярусов - 3-4 , угол откоса - 37°, высота поверху составила - 400м. Для соизмерения данных по конструкции отвалов количество ярусов принято равное трем.
По результатам вычислительного эксперимента получены графики скоростей, которые отражают длину циркуляционной зоны (рис. 4). На
91
участке Аралтобе циркуляционная зона в передней части профиля отвала отсутствует. А на задней части профиля отвала минимальная циркуляционная зона наблюдается на участке Кесиктобе.
4 а) 3,5 1» § ! 2 § 1, 5 1 1 3 0,5 0 -0,5 -1 9 б) 7 5 6 1 1 5 § 8 4 8 I3 § 2 6 11 0 -1 -2
-
\ - 1
1 >0 31)0 4!>0 600 750 ^ 1 9(10 1030 2 Ю 13 50 1500 1650 18 ОСРШвО 21Ю2250 3^ 30 25.^ лтоаЛЕВО 30 00 1 1 ,5 5 5 ,5 7 ч ,5 11 ^Ч|| 5 12 1,5 К 1' а 15 ’,5 Г5Ч19 -,5 2 0 22 1,5 2‘ 5 26 2.5 2 0 29 Р,5
Дли на обтек емого те Длинна обтекаемогс
Рис. 4 График изменения горизонтальных скоростей ветрового потока при обтекании им отвала из скальных пород: а - карьера Аралтобе; б - Кесиктобе
Основные выводы по результатам теоретических исследований:
1. На верхней бровке отвала первоначально отсутствуют изменения скоростных и адиабатических параметров, характеризующих воздушный поток, но вследствие появления точки уплотнения воздушного потока на нижней бровке отвала, возникает набегающий воздушный поток, образуется избыточное давление и происходит увеличение скорости воздушного потока по откосу отвала. При этом образуется «след» воздушного потока, который имеет затухающий характер. За верхней бровкой отвала, из-за столкновения разноскоростных воздушных потоков, образуется область разряжения с малой скоростью движения воздушных масс около поверхности отвала.
2. Скоростные характеристики воздушного потока не влияют на длину циркуляционных зон. Основными влияющими на параметры циркуляционной зоны являются следующие геометрические параметры отвала: высота яруса и их количество, естественный угол откоса, межярусные площадки и длина отвала поверху (в направлении воздушного потока).
3. В лобовой части отвала наиболее благоприятный угол откоса следует принимать равным углу раскрытия свободной струи. А в тыловой части отвала наиболее благоприятный угол откоса следует принимать равным углу естественного откоса горной пород.
Список литературы
1. Ворсина Е.В. К вопросу обеспечения безопасного состояния атмосферы карьеров. Материалы XII всероссийской научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов.г Нерюнгри, 2011,
с. 59-61.
2. Занин Б.Ю., Зверков И.Д., Козлов В.В., Павленко А.М. О новых методах управления дозвуковыми отрывными течениями, Вестник НГУ, Том 2, выпуск 1 г. Новосибирск, 2007, с10-18.
3. Бондарев Е.Н., Дубасов В.Т., Рыжев Ю.А.,Свирщевский
С.Б.,СеменчиковН.В.Аэрогидромеханика Москва, изд. Машиностроение, 1993г, 608стр.
4. Самсонов В.Т. Аэродинамические расчёты при проектировании вентиляционных выбросов. М.: Высшая школа, 2005 132стр.
5. Краснов Н.Ф., Кошевой В.Н., Калугин В.Т. Аэродинамика отрывных течений. Москва, изд. Высшая школа, 1988, 353 стр.
б.Чжен П. Отрывные течения. Т.1. Москва, Мир, 1972, 299 стр.
7.Алямовский А.А SolidWorks 2007-2008 компьютер моделирование в инженерной практике, Санкт-Петербург, изд.БВХ-Петербург, 2008, 1029стр.
Сафронов Виктор Петрович, д-р тех. наук, проф., lazms@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Лазарев Михаил Сергеевич, аспирант, lazms@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
ASSESSMENT OF TECHNOLOGICAL PARAMETERS OF THE DUMP FOR
JUSTIFICATION OF THE ZONE OF INFLUENCE ON THE WIND STREAM
V.P. Safronov, M.S. Lazarev
Modelling the wind flow in the flow hedges in the form of dumps and the establishment of mutual influence of technological parameters and parameters of the model-convertible air jet on the microclimate surrounding areas. The basis of the meth-ods of calculation and simulation of wind flow is necessary unsteady Navier-Stokes equations. The technique allows to identify favorable blade design by changing its angle of repose of the result.
Key words: wind stream, circulating zone, flow, dump, speed, density, dynamic
pressure.
Safronov Victor Petrovitch, doctor of engineering, professor, lazms@mail.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Lazarev Mikhail Sergeyevich, poststudent, lazms@mail.ru, Russia, Tula, Tula State University
