基于巷道风流分布规律的风量计算

1、基金项目： “十三五”国家重点研发计划项目（编号：2018YFC08000302）作者简介：李亚俊(1991- )，男，河南驻马店人，工程师，硕士，采矿工程专业，主要从事金属矿山通风防尘设计工作。E-mail：liyajun_。基于巷道风流分布规律的风量计算李亚俊1、2 李印洪1、2 姚银佩1、2 钟生元1、2 吴洁葵1、2 邓望跃1、2 (1.湖南有色冶金劳动保护研究院，湖南 长沙 410014；2.非煤矿山通风防尘湖南省重点实验室)摘要：通过对模拟巷道风流分布规律进行研究，指出风流受巷道壁的粘滞作用，靠近巷道边壁处风流速度较小，越靠近巷道中心区域风速越大，而这种变化趋势在高、中、低风速条件

2、下基本一致；同时研究以风速V（x）为目标函数值，以距巷道壁距离为变量x，对三种风速条件下试验数据进行曲线拟合分析，并得出相应的回归方程，依据此方程构造相应的积分方程计算出巷道的实际风量值，结果显示风量计算值与实际测定值之间存在约15%的误差，该误差在实际通风测定时应予以考虑。关键词：巷道；风流；分布；风量；计算中图分类号：TD 文献标识码：A 文章编号：Calculation of air volume based on law of wind flow distribution in roadwayLI Yajun, LI Yinhong, YAO Yinpei , ZHONG Shengy

3、uan , WU Jiekui, DENG Wangyue(1.Hunan labour Protection Institute of Nonferrous Metals,Chagnsha,Hunan 410014，China2. Hunan Key Laboratory of Ventilation and Dust Control for Non-Coal Mines,Changsha 410014, China)Abstract：By studying the distribution law of air flow in simulated roadways, we point ou

4、t that the air flow is affected by the stickiness of the roadway wall, and the wind velocity near the roadway side wall is smaller, and the wind speed near the center of the roadway is larger. This trend is basically the same under the conditions of high, medium and low wind speed. At the same time,

5、 we make wind speed V(x) as objective function value and distance from roadway wall as variable x. The curve fitting analysis of the test data under three kinds of wind speed conditions is carried out, and the corresponding curve regression equation is obtained. Based on this equation, the correspon

6、ding integral equation is constructed to calculate the actual air volume of the tunnel accurately. The result shows that there is about 15% error between the accurate air volume calculation value and the actual measured value. This error should be considered in actual ventilation measurement.Key wor

7、ds：roadway; wind flow; distribution; air volume; calculation1 引 言矿井通风系统测定巷道中风流速度时，一般采用线路法和分格定点法，线路法是风表沿预定路线均匀移动，单位时间内走完线路既定路程，分格定点法是将整个井巷断面划分为若干大致相等的方格，分别测各方格内风速值，加权求平均值得到测量风速值。实际测定时由于巷道摩擦阻力的存在，风速在巷道断面上实际分布是连续不均匀的，而上述测量方法中无论分格定点法还是线路法均无法实现巷道全部断面连续测定1,2，其测量精度有进一步提升空间。为提高测量精度，首先便需要对巷道断面连续风流分布进行探究，并依据其

8、分布规律指导巷道风量进行更精确的计算。为此，本文拟用试验测量、模型分析的方式对特定条件下巷道断面风流分布情况进行探究，进一步的以此为基础对巷道风量进行更合理、精确的计算。2 试验系统及试验方案2.1试验系统圆形在各方向上具有统一对称性，理想状态下圆形井巷风流稳定状态，其各段风流分布应以圆心轴线为各向对称分布3，圆形断面在试验测量上具有简易、便捷误差较小等诸多有点，因此试验选用圆形断面作为测试断面4。试验测试系统设计采用类似圆形低速风洞的简易结构，设计试验系统结构如下图1所示，图中装置由圆形巷道风流模拟系统和风流测试系统组成，圆形巷道风流模拟系统巷道包括入风口及整流格栅，测风口（低速、高速），风

9、机，风机变频控制器等，风流测试装置主要由热敏式风表和测定位置标尺组成，具体结构见系统结构图1所示。图1 试验测试系统装置示意图Fig 1 Schematic diagram of test device2.2试验方案试验利用简易圆形风洞结构测试装置，通过改变风机变频调速控制风速（风量），位置标尺定位测定点位置与圆形风洞壁的距离，热敏式风表测定并记录在不同位置的风速读数，并依此分析断面风速分布与巷道壁关系的关系，由于所述研究与聚巷道壁距离有关，为得到更多数据，因此选用断面更大的I低速测风段测试。3 试验测试分析3.1试验测试根据上述试验方案，调节变频控制器至装置风速为低速，待风流稳定后，利用热敏

10、式风表测定距巷道中轴线处不同距离处的风速值，并记录各位置风速值，记录完成后再分别调整变频器调整风速至中速及较高速度状态，重复上步骤测定，所测试验装置（I低速测风段）直径为50cm，试验所得测定结果见下表1所示。根据试验所得数据绘制对应风速变化折线图，如图2所示。表1 试验测定风速值Table 1 Test value of wind speed距巷道中轴距离cm测定风速/m/s低速档中速档高速档25000240.971.321.95231.532.133.15222.543.504.86212.653.695.21202.723.855.46152.803.925.63102.814.035.

11、7052.884.055.5902.904.105.62-52.924.045.64-102.864.025.69-152.833.935.65-202.733.865.49-212.643.665.19-222.523.484.83-231.552.143.16-240.981.341.96-25000图2 试验测定数值折线图Fig2 Line chart of test value3.2 试验数据分析根据上述测定数据分析，圆形巷道断面各风速条件下（低、中、高三挡），风流分布趋势基本一致，基本呈现距巷道中心越近，风速越大的分布5，但其风流分布并非简单的线性正比关系，从上图2中可看出在靠近巷道

12、壁处风速急剧下降，原因贴近巷道壁的风流受到巷道壁的粘滞作用风速急剧下降6，距离巷道壁超过一定距离后，风流受这种粘滞作用渐不明显，此部分巷道壁对风速的粘滞作用范围应与巷道实际的粗糙度有关。 3.3 巷道风流风布规律曲线拟合为进一步揭示圆形巷道风流分布规律，我们依据试验测试数据， 以风速为目标值V（x），以距巷道壁距离为变量X，做曲线拟合以更形象的描绘巷道风流分布规律，并能依曲线拟合方程无差别计算出任一距离巷道壁距离的点风速值，根据上述试验测定折线图1所示，各风速条件下风流变化趋势基本相同，同时风速分布是基于圆形中轴线对称的，因此为简化拟合数学模型仅以巷道一侧既距巷道中轴线025cm为拟合区间做曲

13、线拟合。根据函数相关匹配选型，选择以自然对数函数为目标函数形式，经曲线拟合低、中、高风速条件下巷道风流分布规律方程如下式（1）、（2）、（3）所示。低速条件下曲线拟合方程： （1）中速条件下曲线拟合方程： （2）高速条件下曲线拟合方程： （3）对应的曲线形式为下图3。图3 各风速巷道风流分布曲线拟合Fig3 Fitting of air flow distribution curve所示曲线拟合回归方程相关度与均方根误差值作为回归方程可信度的重要指标，其值见下表2。表2 回归方程回归相关度及均方根误差值Table 2 Relevance and root mean square error o

14、f the regression equations风速档位低速中速高速相关度0.970.970.98均方根误差0.030.060.08从回归相关度及均方根误差看， 所得回归曲线方程具有极高的可信度。3.4 巷道风量计算根据上述低、中、高速风速分布曲线拟合的方程，将所测同一巷道断面不同位置风速的离散点，根据数学模型拟合出风速与巷道壁距离间关系连续变化的曲线，由于所研究模拟巷道为圆形巷道，其具有统一对称性，既上述研究所揭示的风流分布规律在圆形巷道各个方向上均一致。因此，在距离巷道壁同样距离处风速应是相同的，既整个巷道的风速分布变化应是形成距巷道壁距离相关的等速圈的形式如下图4所示。根据上述研究数

15、学关系方程做轴线某点风速V与在其在轴向增量x所示圆环面积的乘积即为该环内的风量，由此对整个圆形区域风量做积分，既有圆形巷道实际精确风量。根据图4有积分方程如下：则有如下巷道断面内风速与风量间数学关系： （4）式中：Q为巷道风量值；V（x）为风速与距巷道壁距离x的关系函数；由3.3节中曲线拟合所得高、中、低速条件下风速V（x）与巷道壁距离x之间的关系方程代入（4）式有如下关系。低速条件计算风量：（5）中速条件计算风量：（6）高速条件计算风量：（7）图4 巷道风流分布变化示意图Fig4 Sketch map of airflow distribution change in roadway分别对低

16、、中、高速条件下所示积分方程进行计算，并将计算结果单位转换为国际单位得到如下结果见表3。表3 巷道风量计算结果Table 3 Calculation results of roadway air volume风速档位计算风量（m3/s）低速0.4843中速0.6799高速0.95713.5 巷道风量计算值与常规测定值对比若常规巷道测定风量采用分格定点法时，忽略靠近巷道壁的低风速区域，则依排除低速区其他风速平均值作为巷道的平均风速，则此时低、中、高速档位对应的测定风量及其与巷道实际风量计算值间的数值对比见表4所示。表4 巷道风量测定值与计算值对比Table 3 Calculation resul

17、ts of roadway air volume风速档位测定风量（m3/s）计算风量（m3/s）相差百分比（%）低速0.55380.484314.35中速0.78300.679915.17高速1.09900.957114.83从上表4中所示结果，实际巷道通风测定若不考虑巷道边界区域风速低速区，则实际测定风量将高于巷道实际风量值，根据上表所示其约高于实际风量值的15%，同时由于巷道边界低速区的存在是由于风流受到巷道壁的粘滞作用，这种粘滞作用与巷道的粗糙度有关系，实际风速测时应考虑此粘滞作用对风速、风量的影响。有关巷道粗糙度造成巷道风流粘滞与巷道边界低速区域大小的关系需要做进一步研究。4 结 语本

18、文通过对模拟巷道风流分布规律进行研究，并以巷道风流分布规律为基础采用曲线拟合分析与积分计算相结合的方式，对巷道实际风量进行计算，研究结果总结如下：（1）由于巷道壁的粘滞作用，风流在靠近巷道边壁处风流速度较小，越靠近巷道中心区域，风流受此粘滞作用越不明显，风速也越大；（2）高、中、低风速条件下，巷道风流变化趋势基本一致，可认为巷道风速变化趋势与风速无关。（3）以风速为目标值V（x），以距巷道壁距离为变量X，对三种风速条件下试验数据进行曲线拟合分析，并得出相应的曲线回归方程，根据相关度及均方根误差分析，确定回归方程具有极高精确度，可作为巷道风速值连续变化计算依据。（4）利用回归方程V（x）与距巷道

19、壁X间的连续关系，构造相应的积分方程计算出巷道的实际风量值，结果显示风量计算值与实际测定值之间存在约15%的误差，实际通风测定时应考虑该误差。（5）巷道风速分布是由于巷道壁的粘滞作用，而这种粘滞作用与巷道的粗糙度有关系，有关巷道粗糙度造成巷道风流粘滞与巷道边界低速区域大小的关系需要做进一步研究。参考文献(References)：1杨宇. 不同形状巷道断面风流瓦斯耦合特性研究D.太原理工大学,2017.YANG Yu. Study on the coupling characteristics of airflow and gas in tunnel section with different

20、 shapesD. Taiyuan University of Technology,2017.2罗永豪. 巷道断面风速分布与煤矿通风系统实时诊断理论研究D.太原理工大学,2015.LUO Yonghao. Theoretical study on wind velocity distribution in the section of roadway and real timeD. Taiyuan University of Technology,2015. 3赵丹,黄福军,陈帅,等.点风速与平均风速在圆形巷道中的关系J.辽宁工程技术大学学报(自然科学版),2014,33(12):1654-

21、1659.ZHAO Dan, HUANG Fujun, et al. Relationship between point air velocity and average air velocity in circular roadwayJ. Journal of Liaoning Technical University(Natural Science) ,2014,33(12):1654-1659.4周西华,孟乐,李诚玉,等.圆形管道风速测定与校正方法实验J.辽宁工程技术大学学报(自然科学),2012,31(06):801-804.ZHOU Xihua, Meng Le, LI Cheng

22、yu, et al. Experimental study on determination and correction method of wind speed in circular pipeJ. Journal of Liaoning Technical University(Natural Science) ,2012,31(06):801-804.5丁翠. 矿井巷道风流状态“关键环”实验与数值研究D.中国矿业大学（北京）,2013.DING Cui. Experimental and numerical study of “key ring” of airflow status in the mine tunnelD. China University of Mining and Technology (Beijing),2013.6支学艺,刘建华,赖春明.风流经转弯后稳定段长度数值模拟及应用研究