（安全技术及工程专业论文）高温独头巷道射流通风热环境数值模拟及热害控制技术研究.pdf

中南大学硕士学位论文a b s t r a c t a bs t r a c t w i t ht h ee x h a u s t i o no fs h a l l o ws u r f a c er e s o u r c e s ，m o s tu n d e r g r o u n dm e t a lm i n e s i nc h i n ah a v et r a n s f e r r e dt od e e pm i m n g b e c a u s eo fi n c r e a s e de x p l o i t a t i o nd e p t ha n d o t h e rh e a ts o u r c e se x o t h e r m i cf u n c t i o n ，h i g ht e m p e r a t u r eh e a t h a r mh a sb e c o m e o u t s t a n d i n gp r o b l e mw h i c hr e s t r i c ts a f e t yp r o d u c t i o n t h e r ei so n l yo n eo u t l e ti n h e a d i n gf a c ea n di tc a n n o tf o r mc y c l ea i r - f l o w sn a t u r a l l ys ot h eh e a t h a r mp r o b l e m b e c o m e sm o r es e r i o u s l y v e n t i l a t i o ni sa ne c o n o m i c a la n de f f e c t i v em e t h o da n d s c i e n t i f i ca n dr a t i o n a ls y s t e ms a v ec o s t b a s e do nt h em a i nr o a d w a yo fy u n x i c o m p a n yl t d ，w i t hm e t h o do fn u m e r i c a ls i m u l a t i o nt h ei n f l u e n c ef a c t o ro ff o r c e d v e n t i l a t i o nf i e l dd i s t r i b u t i o na n a l y z e d 。m a i n l yc o n t e n t sa sf o l l o w i n g ： ( 1 ) t h es t u d yo nt h e o r ya n a l y s i sa n dm a t h e m a t i c a lm o d e lo fh e a d i n gf a c ef l o w f r o mt h eb a s i cp r i n c i p l eo fm a s sc o n s e r v a t i o n ，m o m e n t u mc o n s e r v a t i o na n de n e r g y c o n s e r v a t i o nu n d e rt u r b u l e n ts t a t ec a r r i e do nt h e o r e t i c a la n a l y s i so fa i rf l o w i n gr u l e s a n de s t a b l i s h e dm a t h e m a t i c a lm o d e l ( 2 ) n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n de v a l u a t i o no ft h e r m a le n v i r o n m e n ti nh e a d i n gf a c e t h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o nw a sm e a s u r e df i r s t l y , a n dt h e nc a r r i e do nn u m e r i c a l s i m u l a t i o nw i t ha i r p a r k c o m p a r e dt h er e s u l tw i t hf i e l dt e s td a t aa n da n a l y z e dt h e d i f f e r e n c e ，f i n a l l ye v a l u a t et h et h e r m a le n v i r o n m e n tf r o ms u b j e c t i v ec o n s c i o u s n e s s a n do b j e c t i v ec o n d i t i o nt w oa s p e c t s ( 3 ) a n a l y z et h ei n f l u e n c ef a c t o r so f h e a d i n gf a c ej e tv e n t i l a t i o n a c c o r d i n gt ot h e n u m e r i c a lo ff i e l ds i t u a t i o na n dt h ee v a l u a t er e s u l t ，t h ei n f l u e n c eo fi n l e tp a r a m e t e r a n dt u n n e lp a r a m e t e rw e r ec a r r i e do n u n d e rd i f f e r e n tp a r a m e t e rc o n d i t i o n ，f l o w m o t i o nl a w s ，t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o na n dp m v - p p di n d e xw e r ec o m p a r e d ( 4 ) t h er e s e a r c ho ft h e r m a ld i s a s t e rp r e v e n t i o nt e c h n o l o g y o nt h eb a s i so f s i m u l a t i o nr e s u l tk n e wt h a th i g h t e m p e r a t u r es i t u a t i o nc a nn o tc h a n g eb yv e n t i l a t i o n m e t h o d s oi tm u s ts e e ko t h e rm e t h o d st oc o n t r o lt h e r m a ld i s a s t e r t h es u c c e s s f u l t e c h n o l o g yp r o v i d e dr e f e r e n c ef o rt h en e wm i n i n gc o m p a n ya n ds u i t a b l et e c h n o l o g i e s p r o p o s e d t h er e s u l ts h o w e dt h a t ：p r e s s e dv e n t i l a t i o ni nh e a d i n gf a c eo b e yr e s t r a i n e dw a l l a t t a c h e dj e tv e n t i l a t i o nr u l e t h ei n l e tp a r a m e t e ra n dt u n n e lp a r a m e t e rh a d i m p a c to n j e tm o v e m e n t u n d e rd i f f e r e n ti n l e tp a r a m e t e rc o n d i t i o n , j e th a dd i f f e r e n ti n i t i a l e n e r g yw h i c hm a d eb e n d i n gl e v e lc h a n g e ，f o r m i n gd i f f e r e n tt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n ， i i 中南大学硕士学位论文 a b s t r a c t l e a d i n gt od i f f e r e n th u m a nt h e r m a lc o m f o r t ，i nw h i c ht h em o s to b v i o u s l yp a r a m e t e r w a si n l e tt e m p e r a t u r e u n d e rd i f f e r e n tt u n n e lp a r a m e t e rc o n d i t i o n ，j e th a dd i f f e r e n t a t t a c hf o r c ew h i c hm a d et h er o o fe f f e c to nj e tc h a n g e ，f o r m i n gd i f f e r e n tc o a n d ae f f e c t ， l e a d i n gt od i f f e r e n th u m a nt h e r m a lc o m f o r t ，i nw h i c ht h ei n l e tp o s i t i o nh a dt h el e a s t i n f l u e n c e k e yw o r d s ：h e a d i n gf a c e ，t h e r m a ld i s a s t e rc o n t r o l ，f o r c e dv e n t i l a t i o n ， n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，t h ei n d e xo fp r e d i c t e dm e a nv o t e ( p m v 卜- p r e d i c t e dp e r c e n t d i s s a t i s f i e d ( p p d ) i i i 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共 同工作的同志对本研究所作的贡献均己在论文中作了明确的说明。 作者签名：垄遂遂 日期：丝墨年上月l 日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论 文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文； 学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名：叠墟 导师签名：腓日期：滩年扯月罗 中南大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题来源及论文研究背景和意义 1 1 1 课题来源 本课题来源于校企科研合作项目“云锡区域性矿山生产系统优化及信息 化现代矿山建设总体规划研究项目”，拟选取云锡集团卡房分矿新建矿业公司的 1 4 5 0 中段3 7 穿东主巷道为研究对象，开展“高温独头巷道射流通风热环境数值 模拟及热害控制技术研究”。 卡房分矿是云锡集团矿业开发有限责任公司集采、选为一体的主要矿山，位 于云南省个旧市南部。为推进区域矿山生产系统优化建设，分矿展开了深部中段 开拓工程。随着采掘深度的增加，矿井高温热害问题越来越严重，尤其是独头掘 进工作面处，气温高，湿度大，空气含氧量低，工作环境极其恶劣。由于工程的 不断推进，掘进巷道长度不断增加。造成井下工作面的热害问题逐渐突出，已出 现十三个掘进与采矿作业点( 区域) 现场温度高达3 4 , - - - 4 0 。通过现场调研发 现：卡房独头巷道高温现象的主要原因是地热和矿石氧化放热，岩石暴露后，热 从岩石中释放出来，井下空气流经围岩时，两者发生热交换使得井下气温升高； 另一方面由于卡房分矿属于硫化矿床，矿石在潮湿环境中容易进行氧化放热；其 次是因为采场多并且分布在不同的中段，回采完的采场没有及时封闭，导致漏风 严重、风量损失大，造成作业面风量小，严重影响了独头工作面的通风降温效果。 如在进风口的风量为7 m 3 s ，而输送到采场室的风量不足l m 3 s 。 单纯从理论角度来看，独头巷道目前采用的局部通风可以保证掘进面有足够 的新鲜风流流入，起到较好的降温作用。但实际上，由于现场实际条件的限制和 工人对通风作用认识不足，加上局部通风存在体积大、噪声大、易损坏、拆装繁 琐等缺点，使常规的局部通风方法无法达到设计的要求，表现在风筒破损、漏风 严重、出风口离工作面过远，掘进面得不到足够的新鲜风流，有的甚至没有风流。 一般来说，通过加强管理和维护可以使系统的有效送风率提高，但要使压入式风 筒的出风口与工作面的距离在有效射程之内。然而，现场往往难以做到，主要原 因是掘进面空间有限，而且要频繁进行凿岩、爆破、出渣等多种工序。风筒距离 作业面太近，不但有碍工人生产，而且容易爆破时炸坏风筒，因此很多工人宁愿 在高温环境下工作，也不愿将风筒接近工作面。 1 1 2 论文研究意义 矿井热环境是指地下采掘空间中的微气候( 温度、湿度、风速和热辐射) ， 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 人们习惯把恶劣的热环境称为热害【l 】。随着采矿机械化程度的提高和开采强度的 增大，机械散热愈来愈大，特别是矿井开采深度不断增加，地温随之升高，热害 问题会愈来愈严重。主要表现在以下两个方面：一是在现有生产水平还没出现高 温热害的矿井，开采到下一水平就可能出现热害问题；二是现有生产水平仅出现 局部高温热害现象的矿井，至下一生产水平就可能出现更加严重的热害问题。因 此，随着矿井开采向深部延伸，高温热害是必然要面临的重要技术问题【2 】。在矿 业发达城市，由于矿井采深加深高温问题更为严重，如南非，最深的金矿已达 4 0 0 0 m ，印度、巴西的金属矿井有的也己超过2 0 0 0 m t 3 1 。我国进入2 0 世纪9 0 年 代以来，矿井的平均采深己经从5 0 年代的2 0 0 3 0 0 m 发展到现在的7 0 0 - - 8 0 0 m ， 平均每年递增l o m 左右，高温现象也比较突t 4 1 ，如安徽铜陵的狮子山铜矿冬瓜 山矿段8 7 5 m 水平气温达3 0 - - - 3 9 ；湘西金矿2 5 中段掘进工作面温度达3 2 ， 都严重超出了国家规定的安全卫生标准。近年来的统计资料表明，我国已有1 4 0 余个矿井出现了不同程度的高温问题，其中采掘工作面风温超过3 0 的矿井己 达6 0 余个【5 1 。 井下的高温环境，不仅危害矿工的健康，引发各种职业病，而且大大降低了 劳动生产率，危及井下的安全生产，甚至有可能导致停产。日本1 9 7 9 年全国矿 山调查统计数据显示：3 0 - - 4 0 的工作面比低于3 0 时的事故率高3 6 倍。为 确保安全生产，我国金属非金属矿山安全规程规定：金属矿山井下作业地点 的空气温度 一厶j i l 。( f c ，一t 。) 】 式中：m 人体能量代谢率，w m 2 ； 形人体所作的机械功，w r n 2 ； 只人体周围空气的水蒸汽分压力，p a ； f 。人体周围空气温度，； 厶人体着装后实际表面与其裸身人体表面积之比，即着衣面积系数； 中南大学硕士学位论文第三章独头巷道高温热环境模拟和热环境评价 f 4 衣服外表面温度，； t ，房间的平均辐射温度，； 五对流换热系数，w m 2 。 用预测不满意百分比p p d 指标表示人群对热环境不满意的百分比。p m v 与 p p d 的关系为： 尸尹! d = 10 0 9 5e x p 一( o 0 3 3 5 3 p m v 4 + 0 217 9 p m v 2 ) 】( 3 9 ) 大量研究成果表明，影响井下人体热感觉一共有6 个因素：干球温度、空气 相对湿度、风速、平均辐射温度四个环境参数以及人体活动强度、衣着热阻两个 人体参数【鲫。本论文主要是对环境因素进行模拟计算。 3 4 2 独头巷道热环境的评价结果 ( 1 ) 主观意识评价结果 对该独头巷道1 5 名掘进作业人员进行生理问卷调查，所得结果如下表3 3 所示。 表3 - 3 独头巷道掘进作业人员生理问卷调查表 热舒非常不舒服不舒服有点不舒服舒服 适评价41 1 很烦须 有点烦一般 有点愉快愉快非常愉快 心情评价 285 不舒适感头晕 恶心眩晕 虚弱 口渴b 艮花 觉评价 31 2 体力和生与平时 能够继续能够继续工作但 希望立即要求立即停不能继身体出现 理状态评一样 工作 时间不会太长停止工作 止工作 续工作异常情况 价 出汗情 不出汗 基本不出汗出少量汗 汗流浃背 况评价78 热感 太热热 暖适中凉冷很冷 觉评价1 23 空气湿度 太潮潮 有点潮 适中 有点干燥干燥 太干燥 评价 1 32 空气新鲜很闷闷有点闷适中比较新鲜新鲜很新鲜 程度评价 l1 2 2 空气流速无吹风感 有微风感有吹风感 吹风感很强 评价1 5 主观调查结果显示：所有的工作者都对自己所处的工作环境感到不舒服；约 中南 学碗十学位论立 第三章张头巷道商滥热环境模拟和热环境评价 一半的工作者工作时感到心情烦躁，有约2 5 感到心情很烦；几乎所有的工作者 都感到“口渴”，还有极个别工作人员有眩晕的现象：全部工作人员都表示他们 在出汗，超过一半的人表示他们已经“汗流浃背”；有接近8 5 的人感到“太热 有接近9 0 的人感到空气潮湿：约8 成的工作者感觉到闷：没有人感觉到吹风感。 相关研究表明l ：高温条件下易造成工人心里疲劳、精神涣散等症状；同时人的 中枢神经的兴奋性下降，注意力、肌肉工作能力、动作准确性、协调性以及反应 速度均降低，大脑皮层兴奋过程减弱，条件反射期限长，注意力不集中，工作失 误明显增加，正常情况下本可避免的事故发生率升高，成为井下工伤事故发生的 主要诱因之一。上述数据说明掘进工人对作业环境非常不满，在生理和心理上都 难以忍受。 ( 2 ) 客观条件评价结果 1 ) 空气年龄 彻z = i3 空气龄场曲线分布 图3 7 空气年龄场分布曲线囤 图3 7 反映的是z - i3 即巷道中间位置不同垂直断面的空气年龄分布。从图 中可以看出，空气年龄沿巷道轴线方向不断增大。由于采用的是压入式通风方式， 空气刚进入掘进作业空间时，空气年龄接近于零。随着新鲜风流在沿途被巷道、 人体、设备、氧化及矿岩不断释放的有害气体及物质的污染，风流到达用风地点 ，z 】t e 7 b m 【阻 l t t 中南大学硕f 。学位论文 第三市独丑巷道高温热环境模拟和热环境评价 时，风流中的污染物不断增加新鲜程度下降巷道内空气品质变差。 图中清晰的表明由于射流新风与巷道上升气流的混合使得气流的空气年龄 从下到上逐渐增大，导致上部区域的空气清洁度降低，下部的空气年龄要比上部 的空气龄小；距离送风口越远，风筒射出的新鲜气流量越来越少，气流运动速度 较慢，气流停滞时间较氏，窀气年龄不断增大。当新鲜气流与巷道内的有害气体 混合后，巷道内污染气流达到平衡，因此在迎头附近空气年龄处于相对稳定状态。 由空气年龄图发现，迎头处空气年龄保持在1 8 0 s 2 3 0 s ，说明送风空气从巷道入 口到迎头需要约6 8 分钟的时间，可见空气年龄反映的是各点空气的新鲜程度， 凡是送风空气容易到达的地方。其空气年龄就小。在巷道的上部区域( y - 16 、 2 o ) x = 0 处的空气年龄大于0 ，这是因为送入的新风与因射流诱导作用而卷吸形 成的上升气流混合，使得新风的空气品质降低。 2 ) 能量利用系数 根据现场测得数据，工作区平均温度为3 83 c ，排风口温度为4 4 * ( 2 。由公 式3 7 得： e ，：! d ：竺：丝：19 。f 。一f o 3 83 3 2 从现场数据计算结果可以看出，沿巷道高度方向上有明显的垂直方向上的温度 梯度。虽然较高的能量利用系数反映了较大的节能潜力，但是巷道内达3 8 3 c 的 平均温度使得整个巷道热舒适性很差，工作人员根本无法作业。并且模拟计算结 果图3 - 3 ( a ) 温度场分布也表明，巷道内自下至上温度梯度明显，巷道下部温度 低上部温度高，热力分层分明；由于整个巷道通风降温效果不明显，所以人体头 足温差不大，属于人体热舒适性可接受范围。 3 ) p m v - p p d 指标 ( a ) z = 0 1 5 p m v 场分布 _m加姑埘啪咐啡 巾南太学硕学位论女第= 荜独a 巷道高温热环境模拟 热环境评价 ( b ) z - l3 p m v 场分布 图3 - 8 不同纵断面p m v 场分布 图3 - 8 反映的是风筒轴线和巷道中心位置处的p m v 分碲，从图中可以看出， 整个纵断面上的p m v 值偏大，酷明人体感觉很热，热舒适感很差，巷道急需降 温柬调节内部1 作环境。 对比圈( a ) 、( b ) 发现，z0 1 5 处的p m v 最小值为22 9 7 5 3 而z - 13 处 p m v 最小值为2 4 1 6 5 5 ，造成这种现象是由于z - 01 5 位置是射流的中心位置， 高速的低温气流射出后被巷道内高温迅速加热，与周固空气进行剧烈的热交换， 所以在出口处的p m v 值偏小。另外，狂风筒轴线断面风流所能到达的范围明显 小于巷道中，i i , 位胃，这是因为射流从主体段脱落到工作区后使得该区域的空气运 动较快，带走了部分热量，所以p m v 值范围变化没有风筒轴线位置那么明显。 ( a ) 7 - 13 p m v 场曲线分布( b ) z - 13 p p d 场曲线分布 图3 - 9p m v - p p d 场分布 从图3 - 9 ( a ) 可以看出，整个巷道p m v 值范围在24 5 3 ，通过计算得出， 卡房独头巷道的p m v 最大值为3 ，最小值为24 2 ，平均值为27 8 ，根据m a l le r i ”】 等研究表明，人体感觉舒适的p m v 值范围为一05 - - 05 ，说明该独头巷道人体热 舒适感很差，人体感觉闷热。观察p m v 值变化发现，p m v 值沿巷道水平方向不 断增大，在巷道垂直方向p m v 值从下到上增加，越靠近顶板p m v 达到最大值 的水平距离越短。对比p m v 与温度场分靠曲线发现，p m v 与温度关系密切，温 mi爵曾西l 中南大学硕士学位论文 第三章独头巷道高温热环境模拟和热环境评价 度越高，p m v 值越大，人体感觉越热。这表明人体热舒适感对温度最敏感，与 文献 6 1 研究结果一致。可见，要创造独头巷道安全舒适的工作环境，首先要降 低温度。 由于p m v 值都大于2 ，所以p p d 指标随p m v 值得增大而增大。从图3 - 9 ( b ) 知：整个巷道环境的p p d 指标都在9 0 以上，在迎头附近甚至高达9 9 ， 说明人群对热环境非常不满意。根据3 1 1 计算所得p m v 值，代入3 1 2 得到预 测不满意百分比p p d 指标最小值为9 1 5 2 ，最大值为9 9 1 1 5 9 ，平均值为 9 6 8 1 ，可见人体在独头巷道的热舒适感很差。 3 5 本章小结 本章主要利用c f d 软件对高温独头巷道气流运动规律进行了数值模拟计 算，对实际巷道的速度场、温度场分布进行了研究，并且借助热环境指标对巷道 空气质量进行了评价分析，得到了巷道空气年龄分布情况、排热能力系数以及 p m v - p p d 指标。通过对这些内容的研究，可总结如下几点： ( 1 ) 风筒射出的风流由于受独头巷道局限空间的制约和风流的连续性作用， 到达迎头便出现与射流方向相反的流动，产生回流，在射流的卷吸效应和回流的 反向流动的共同作用下形成了涡流区。此外，风流在出风口轴心的速度分布要比 巷道中心轴线处紊乱，速度衰减更为缓慢，且在风筒所在区域，风流起始段巷道 中心的风速大于出风口风速。 ( 2 ) 风流温度沿风流方向不断升高，并且在独头巷道同一断面风流中，中 间部分温度低，靠近巷道壁处温度较高，且温度变化较大。 ( 3 ) 速度场和温度场关系密切。高风速区温度较低，风流结构复杂的涡流 区温度较高，且变化剧烈，风速是影响温度分布的主要因素。 ( 4 ) 利用空气龄、能量利用系数以及p m v - p p d 指标对独头巷道热环境巷 道进行评价分析得出，压入式通风方式使空气年龄沿巷道轴线方向不断增大，在 迎头处空气年龄达最大值1 8 0 s ，说明送风空气从巷道入口到迎头需要6 分钟的 时间，巷道内空气新鲜程度较差；较高的能量利用系数反映了较大的节能潜力， 但是高达3 8 3 的平均温度使得整个巷道热舒适性很差，工作人员根本无法作 业；p m v 最大值为3 ，最小值为2 4 2 ，平均值为2 7 8 ，p p d 指标最小值为9 1 5 2 ， 最大值为9 9 1 2 ，平均值为9 6 8 1 ，这些指标都反映该巷道人体的热舒适感非 常差，急需调整通风系统，改善恶劣的作业环境。 中南大学硕上学位论文第四章热环境场分布因素分析及热害控制技术研究 第四章热环境场分布影响因素分析及热害控制技术研究 通过对卡房高温独头巷道进行实地测量和数值模拟分析可知，卡房新建矿段 高温现象严重，现有的通风系统降温效果不明显，p m v - p p d 指标也远超出人体 舒适范围。因此，应该针对现有通风系统存在的问题，分析造成巷道高温现象无 法解决的原因所在，以改善巷道的高温热环境。 长期以来，矿井通风都是在一定的可控热环境条件下，通过改变送风量大小 达到调节井下气候的目的，往往忽略了气流分布对人体热舒适的影响。气流分布 主要通过速度场和温度场来影响人体热舒适性，这是因为不同的气流分布会形成 不同的速度场和温度场，从而产生截然不同的热舒适感觉。合理的气流分布可把 高品质的空气送到最需要的地方，使空间内温度和速度达到均匀，在保证空气品 质的同时满足人体热舒适，是确保人体最佳舒适效应、良好空气品质的前提和必 要条件。新建矿业公司该段独头巷道空间由于送风温度较高、送风量和风管直径 较小，射流射程没有到达迎头，巷道内存在通风死区，造成空气不新鲜、温度分 布不均匀、人体热舒适感很差。因此，本章从送风参数和巷道自身的一些参数出 发，分析送风温度、送风量、风筒直径、壁面粗糙度、巷道宽高比、送风口位置 等因素对矿井热环境通风效果的影响。 4 1 送风参数对场分布的影响 根据前文分析可知，独头巷道压入式通风实质为非等温水平贴附射流。由于 送风口送出的低温气流与周围气流存在温差，因而也会因温差不同产生不同密度 差，两种气流最终会产生不同的浮升力。根据浮升力与诱导力大小的不同，射流 会出现偏移现象。如果射流提前下降到工作区，一方面会造成下降区域较大的空 气流速，温度降低；另一方面，射流的提前下降会使空间存在送风不能到达的通 风死区。 为了评价气流的弯曲情况，定义了无量纲阿基米德数( a r ) 。a r 表征了射 流重力与浮升力的比值，a r 数的正负和大小，决定了射流弯曲的方向和程度，a r 越小，射流贴附长度越长。非等温贴附射流为冷态射流时，在重力作用下射流有 可能到达某一距离后脱离顶棚成为下降气流，此时贴附长度将会受到影响。a r 定 义如式( 4 1 ) 所示： a r ：一g d o ( r o - r ) ( 4 1 ) “j l 中南大学硕士学位论文第四章热环境场分布因素分析及热害控制技术研究 式中g 重力加速度，m t s 2 ； d 。送风口的水力直径，m ； 瓦射流出口气流温度，k ； 疋环境温度，k ； 送风i s l 的平均速度，m s 。 非等温圆射流其轴心轨迹可用下式计算： 刚饼( o 5 1 3 5 ) 2 ， 式中，y 为射流轴心线上某点距送风1 2 1 轴线的垂直距离，m ；x 为射流轴线 线上某点( 沿送风口轴心) 离开送风口的距离，m ；a 为送风口紊流系数，圆形 送风口取a = o 0 6 6 。 工作区回流平均速度： 互监：o 6 9 ( 4 - 3 ) 吃d o 、7 等, 5 3 1 7 半 ， 式中，圪为工作区回流平均速度，为入流风速，c 为垂直于单股射流的 房间横截面积，d n 为风口当量直径，h 、b 分别为房间的高度和宽度，l 为送风 量，m 3 h 。根据公式( 4 3 ) 、( 4 4 ) 得知，回流区平均速度随着送风量和送风速 度的增大而减小。 由前文已知，本文研究的射流均为冷射流，即射流弯曲方向固定，因此仅需 考虑弯曲程度的影响。从上式可以看出，重力加速度和环境温度为定值，影响气 流弯曲程度的参数主要有三个，分别为：送风口温度，送风口速度和风管直径。 为了考察这三者对独头巷道射流场分布的影响，本节逐一对其进行分析。 4 。1 。1 送风温度对场分布的影响 金属矿山安全规程规定，采掘作业面空气温度不得超过2 6 * ( 2 ，而现场实测 风筒送风温度就达3 2 ，高于规程标准；较高的送风温度不仅直接影响独头巷 道的温度场分布，同时对排热能力以及热舒适性也产生影响。根据规程标准，本 节分别取送风温度为t = 2 0 * c 、t = 2 4 。0 、t = 2 8 c 来进行模拟计算，送风速度与送 风口直径与第三章模型一致。 ( 1 ) 速度场分布 中由大学硬士学论土鳞四乖热h 境坜分布目素分析热害控制技术研究 a ) t - 2 0 6 c f b ) t = 2 4 ( c j l 2 2 8c 囤4 - 1 z = 0 1 5 处的速度场分布 图4 一l 所示的是风筒轴心位置的速度场分布，从图中可以看出，当送风速度 和风简直径不变仅改变送风温度时，气流的运动遵循一般射流流动枷律，流线 的流型变化不大，都会形成相似的回旋气流，回旋气流的涡旋中心所处的位鼍基 本不变。但是随着送风温度的升高，风筒出口速度不断增大。造成这种现象的原 因是温度高的射流具有的初始能量大，因此送风温度越高出口风速越大。 对比图( a ) 、( b ) 、( c ) 发现，送风温度为2 0 时，主流和回流之间以涡层 形式存在的自由间断层不是很明显断层面积也比较小；当送风温度增加到2 8 时，这种涡层形式的间断明显存在，区域面积也在不断增大，并且该段的风流速 度也随着送风温度的增大而不断减小。断层面积的大小反映了射流在受到回流限 制后的扩散程度，断层面积越大，说明射流受回流的限制越犬，扩散也更为微弱。 但是由于送弘l 温度低，送m 温差增大，导致射流的浮力的影响增大，射流提前下 降的可能性也增大。因此，对巷道内温度分竹的均匀性有很大程度的负面影响， 对空间内舒适度的提高增加了难度。 中南人学砸学位论立 第凹章热环境场分布目素井析监热害榨制技术研究 b 1 t = 2 4 醮 ( c ) t = 2 8 c 圈4 - 2 y = i2 处的速度场分布 图4 - 2 反映的是巷道垂直方向上中间横断面的速度场分布，从图中可以看出： 由于间断层的出现，y = i2 处的速度都比较低。随着送风温度的升高，速度不断 减小。这种情况的出现与射流的弯曲程度有很大关系，根据公式( 4 - 1 ) 、( 4 - 2 ) 可知，射流的弯曲程度爿，值随着送风温差矗一的增大而增大，温差变大时， 值增大。p 值变化也越大射流弯曲愈大射流的冲入深度变短，且射流下降较 早，贴附效应变差。送风温度为2 0 时，一r 值最大，贴附长度最差，气流下降 虽早，气流的提前下降，使得巷道中部区域有较大的空气流速。 中南人学碗十学位论文 第章热环境场分布蒺分析及热害控制技术研究 ( a ) t = 2 0 c ( b ) t = 2 4 c ( c ) t = 2 8 c 困4 - 3 不同送风温度下的速度曲线分布 从图4 - 3 的速度曲线分枷可以看出，不同送风温度下的速度分靠都呈衰减趋 势，且各垂直断面之间速度衰减程度随距离风筒位置的远近而不同。离风简位置 越近的断面初始速度越大，衰减程度也越为明显，形成巷道底部风速小，顶部风 速大的分布。 随着送m 温度的提高，风筒位置跗近巷道入口处的速度也不断增大，送风温 度越高，速度衰减越为缓慢，曲线越光滑，在巷道垂直方向的速度变化梯度越小。 山此可见，送风温度的高低不仅可以影响风口初始速度的大小，而且可以影响射 流的贴附效应，形成巷道不同垂直断面处的速度差，从而影响整个速度场的分布。 ( 2 ) 温度场分布 m ) i - 2 4 群 醛 中南太学颧学位论文镕日* 境自* $ 目* 析* # 术w f “ 蹉 f c ) r - 2 8 图4 - 4 2 01 5 处的温度场分布 从图4 - 4 得知，送风温度变化时，风筒轴心处温度场变化趋势一致，在风筒 f 部形成一个低温区，随着风流的速度慢慢减小，巷道内被吸收的热量逐渐减少， 高温现象不能得到根好的改善，在风流无法到达的迎头区出现局部高温现象。 随着送风温度升高巷道内的低温区面积越来越小，并且同一位置处的温度 电会有所增大，在低温和高温的边界区域温度梯度变化随送肛l 温度增加而减小。 t ， ( a ) t = 2 0 c ( b ) t = 2 4 c ( e ) t = 2 8 c 图4 - 5 y - i2 处的温度场分布 鹾 巾m 人 碗论文第叫章热环境坊丹布闲囊分析& 热害控制技术研究 从图4 5 发现在巷道横断面上。送风温度变化时工作区的温度梯度基本不 变化，仅随送m 温度的升高，同一高度的温度增大。对比图( a ) 、( c ) 发现，随 荇送风距离的1 i 断加长送风温度的影l 晌逐渐增大。送风温度越低，温度引高的 越慢，但是垂直方向上的温度梯度越大。这| 兑明送风温度高的射流贴附性更好， 4 t 流贴附长度比较长，工作区的温度分布更均匀。 ( a ) t - 2 0 ( b ) r - 2 4 x 2( c ) r = 2 8 图4 - 6 不同逆风温度备件下的温度分布曲线图 图4 - 6 的温度场分稚表明：独头巷逆内窄气温度呈层状分布人体停尉区域 为低温空气i 爱，顶部为高温区域。送风温度升高时，相同位置的气流温度有所升 高凡温度分布爬升的速度随送风温度的不断增大而加快，但是垂直方向上温度 梯度变小，温度分布更加均匀，在接近巷道迎头处温度骤然升高到4 i ，说明 存巷道迎头附近产生阻i 流。 在送风口处，送风温度越低，温度梯度越大。对比图4 2 ( a ) 、( c ) ，在送风 处y - 08 和y = 20 位置处的温度梯度变化明显，t = 2 0 _ ( 2 时a t 为40 c ，而t = 2 8 g 时a t 为2 。m 于送风量和风简直径样，凼此在到达一定水平位簧时，温度 梯度变化x 丌始保持一致。 ( 3 ) p m v - p p d 场分布 f a ) t - 2 0 醛 中自大学i * 女 第列章热境场分布目素卦析& 热害控制拙术究 m ) t = 2 4 c d t = 2 8 蹉 l ( d ) t = 3 2 c 图4 7 z - i3 处的p m v 分市 通过p m v 场分布图可以看出，人体热舒适性指标沿巷道方向逐渐增大，在 巷道入1 ：3 区域p m v 值较小，而迎头区域的p m v 值较大。这是由于p m v 值分布受 流场和温度场分布规律的影响，在入口区域气流速度相对较高，温度较低，因此 该区域热舒适感较好：而在迎头区域气流运动不明显，气流很难到达该区域，导 致这些区域的热舒适性指标较差。 随着送风温度的改变，这些区域的大小也出现明显的变化。送风温度越低 巷道内p m v 值变化范围越大，巷道入口处舒适感较好的区域面积也越大，迎头 区域舒适感较差的范围也越小。对比图中不同送风温度下的p m v 场，发现适当 的降低送j _ 吨温度对改善独头巷道的高温现状有很大帮助。 mi县譬i 中南大学硕士学位论文第四章热环境场分布因素分析及热害控制技术研究 ( a ) t = 2 0 c ( b ) t 兰2 4 ( c ) t = 2 8 c 图4 8 z = i 3 处的p m v 分布曲线图 根据前面分析可知，p m v 场分布与温度场关系密切，p m v 随温度变化而变 化，图4 2 和4 3 的对比图又一次次反映了这两者之间的关系。对比温度场和p m v 变化曲线可看出，空气温度对人体热感觉的影响十分显著。随着送风温度的增大， 动p m v 呈线性增长。 m ( a ) t = 2 0 4 c ( b ) t - - 2 4 c ( c ) t = 2 8 。c 图4 9 不同送风温度条件下的p p d 分布曲线图 从图中可以得出，p p d 指标也随着送风温度的增大而增大。当送风温度达到 2 8 时，p p d 平均值为8 6 5 6 6 7 ；而t = 2 0 时，平均值为4 4 8 2 9 4 。标准i s 0 7 7 3 0 中规定，9 0 以上的人感到满意的热环境为热舒适环境，即p p d 1 0 ，可见仅 改变送风温度还不能达到改善巷道热环境的要求。通过计算，不同送风温度下 p m v - p p d 指标的极值和平均值如表4 1 所示： 表4 1 不同送风温度下p m v - p p d 指标极值和平均值 从上表可以看出，这三种送风温度下的p m v - p p d 指标都不符合人体热舒适 要求。当送风温度从2 0 。c 增大到2 8 ，p m v 平均值增量为0 9 8 7 3 6 ，p p d 平均 值增量为4 1 7 3 7 3 ；对比t = 2 4 c 、t _ 2 8 时以及原通风系统中t - 3 2 的p m v 、 3 7 中南太学硕士学位论文 第章# # 境讣布目索骨折及热害控制技术研究 p p d 值发现，这三种情况f 的p m v - p p d 指标最大值均相同，说明在保持原有风 速不变的情况下，送风温度为2 4 c 就已经达到人体热舒适的极限。 ( 4 ) 空气龄场分御 隧 醚 0 y r _ 2 8 c 图4 - 1 0 7 7 - i3 处的空气龄场分布 图4 1 0 反映了不同送风温度下独头巷道空气龄场分布情况，可以看出：在 巷道入口处新鲜气流容易到达，空气新鲜程度高，所以空气龄小；在回流区，空 气可以到达，但该区域的空气与巷道内的污浊空气充分混台，新鲜程度降低，所 咀空气龄较大；在涡流区，新鲜气流无法到达，空气龄大。随着送风温度的升高， 中间回流区的面积不断增大，说明射流弯曲的程度在不断降低。因此空气龄场 的分布一方面反映了空气的新鲜程度，另一方面也揭示了空气流动的形态。 一然燃裟赫 p 【鼻i | | e 中南大学顿十学位论文第旧章热环境辑分布h 岽丹析驶热害控制技术研究 ( a ) 1 - - 2 0 ( b ) t = 2 4 1 2( c ) t = 2 8 国4 - 1 1 不同逆风温度条件下的空气龄分布曲线图 分析图4 1 l 发现，空气龄分布沿巷道垂直断面由下至上依次增大，到迎头 附近处新鲜气流与巷道内污浊空气充分混合，达到相对稳定状态，空气龄分布趋 于直线分布。随着送风温度的不断增大，空气年龄也增大但是上下断面之间的 空气龄差越来越小，分布曲线更见光滑。 412 送风速度对场分布的影响 在高温深井中，增加风量可大大降低空气的含热量，是一种有效的降温措施。 根据研究结果表明：增加通风量，则气流温度太幅度下降，并且下降程度在通风 量达到一定量时则有急剧加快之势；如果风量再增加则气流温度的下降又逐渐缓 慢下来，经济的通风量为巷道长度的05 6 o8 4 倍瞄】。另外，过大的风量不仅会 加大降温成本，而且会使工作面有强烈的吹风感，影响人体热舒适感。可见，风 量增加受到多方面的制约。因此，合理增加配风量对通风系统的改善有着重要意 义。根据巷道断面面积和经济通皿l 量，在现场百己风量l9 2 m 3 s 基础上逐渐增加通 风量来研究风速大小对场分布的影响，经过反复模拟试验，分别取送风量为 2 2 0 m 3 s ，24 9 m 3 s ，34 9 m 3 s ，根据上文得出的结论取送风温度t = 2 4 。 ( i ) 速度场分布 鬻掣 ( a ) 0 = 19 2 m 饥 【昏i 中南 学硕学位论立第四章热环境场分布因素分析驶热害拄制拉术 究 ( d ) q = 34 9 m 囤4 1 2 z = oi5 处的速度场分布 从图4 一1 2 可以看出保持送风温度不变，仅改变送风速度，送风量增加到 22 m 时，气流的流型几乎不变，但相同位置处的风速有所增大；继续加大送 风量时，气流流型发生改变，主流区与回流区的中间断层开始上移。根据射流理 论可知，射流中心线上的速度主要取决于射流的动量，较大的送风量条件下射流 的动量也相应增大，因此送风口速度较高。较高的出口风速增加了风口对巷道内 空气的诱导气流的贴附长度也随着增加，因此空气的流动性能也有所提高，不 会造成冷气流直接进入工作区情况：当送风量增大到一定值时气流流行不再改 变，但是相同位置处的风速仍然有所增大。另外，根据图中回流区的速度场分布， 随着送风量的增大，回流区相同位置处的速度不断减小，这是由于在其他条件都 相同的情况下，送风量越大即送风风速越大，