基于fluent的围岩散热数值模拟研究

河南理工大学1基于fluent的围岩散热数值模拟研究许梦飞（河南理工大学，土木工程学院力学系，河南焦作）摘要：为了解决深部开采带来的热害问题，本文对深部矿井的热害来源进行了简单的总结，并对岩石散热进行了分析。此外还在fluent软件的基础上进行了简单的数值模拟。关键词：深部矿井热害；围岩散热；数值模拟ABSTRACT:Inordertosolvetheheatharmfulproblembydeep-seatedexploitation,thispapersummarizesthereasonforheart-harzard,andanalystheheattransferintherock-sorrounding.Besides,fluentsoftwareisusedsimplytosimulatethetemperaturefield.1.引言随着我国煤炭产量与开采深度的增加，井筒开凿也越来越深。第一个五年计划期间井筒开凿深度平均为187.6m，“二五”期间为278.4m，“三五”期间为296.5m，“四五”期间为393.1米，“五五”期间为436m，1983年平均为459m。目前，我国已经有很多井筒开凿深度已经超过800m，有些超过1000m，如北票冠山立井，北溪郑家风井等[1]。如台吉矿井700米副石门，利用钻孔观测平均温度为33.4°C,井田低温正常，无热水即其他异常因素影响，矿井地下温度高的主要原因是开采深度大。2.高温热害河南理工大学2我国“煤炭安全规程”规定：“采掘工作面的空气温度不得超过26°C,机电峒室的温度不得超过30°C。在局部超温的各别地点，经采取加大风量，局部降温等措施后，仍超过本文所规定的空气温度时，报省（区）煤炭局批准，可以适当提高空气温度的规定，但采掘工作面的空气温度最高不得超过30°C。然而，我国有些采掘工作面的温度不但超过26°C，有的已经超过30°C，如三河尖矿掘进工作面气温曾在32°C以上，工人在高温高湿条件下工作，不但影响工人身体健康，而且对劳动生产率已经事故率的增加均有很大影响。根据苏联学者测定，当温度超过标准温度1°C时，人工的劳动生产率便降低6-8%，据国外资料表明，气温在30-34°C以上的工作面较30°C以下的工作面事故率增加1.5倍；34-37°C的工作面较30°C以下的工作面事故率增加2.3倍。我国三河尖矿1983年高温季节，工作面气温高达32.4°C，曾发生中暑晕倒病倒5人次，三季度的建设任务只完成计划的61.74%。由此可见，如果高温问题不能很好的解决，势必给矿井正常施工造成严重威胁。3.矿井的主要热源[2]矿井温度增高，主要是由于矿井内各种热源的放热作用所引起的，其主要热源有：（1）围岩冷却放热，其放热量取决于放热系数、原始温度、散热面积和岩石暴露时间等因素;（2）氧化放热，即井下煤，煤尘和木材支架易氧化物放出的热量；（3）采掘机械工作放热，如岩凿机，装岩机等工作时放热；（4）运输机，转载机工作放热；（5）峒室内机电设备工作放热，如水泵房中的水泵、变电所中的变压器、绞车房中的提升机等工作放热；（6）通风系统放热，如井下扇风机、风管放热；（7）矿井水冷却放热，有些矿井裂隙水温度较高，构成热水影响温升因素；河南理工大学3（8）工人工作时放热，重体力劳动时，一个工人一小时放热约等于250K。4．井巷围岩的传热岩体温度是热害矿山最大的热源之一。地热通过围岩向风流传热的现象与围岩本身的热传导、巷道壁面向风流的对流换热以及壁面上的水分蒸发有关。为了使条件简化，便于讨论其本质，本文假设通风巷道起点的供给的温度不变，巷道壁面上没有水分蒸发，岩体均质，各项同性等。由控制微分方程和定解条件，可得井巷围岩低温场的定解问题[3]：221atrrt0;0rrRt（1）00,|trt0rrR（2）0|rrwar0t（3）0,|rRrt0t（4）以上各式中：---井巷围岩低温场的温度分布函数;r---有限地温场的径向变量；t---径向通风时间变量；a---岩石导温系数，2ms；---岩石导热系数,0WmC；0r---圆形巷道半径，或当量半径，m；R---有限地温场的径向深度（调热圈深度），m；0---初始岩温，0C；w---井巷壁面温度，0C；---井巷风流温度，0C；---巷道壁面的换热系数，20WmC。河南理工大学4式（1）至（4）的数学模型是非稳定的有限低温场的模型，若在式（4）中令R,则有0,|rrt，0t（5）那么式（1）至（3）和式（5）一起联立成为井巷围岩非稳定的半无限地温场的定解问题。由此可见，无限场可以作为有限场的一种特例，且在地温场内，他们的等温分布规律是完全一样的，只是在外边界上有异。因此，对地温场的分布规律研究，在温度分布未影响到外边界时，也可以用半无限大平面地温场的数学模型来描述。即：221atrrt，00,rrtt（6）00,|trt，0rr（7）0|rrwar，0t（8）0,|rrt，0t（9）只要求出定解问题（6）至（9）的解析解，则井巷围岩地温场内的温度分布规律便可表示出来。由于式（6）的控制微分方程求解困难，虽然国内外有许多学者对此作出了诸多努力，但对地温场的分布规律尚不能用初等函数的简洁形式表示之，以致其解析解在实用中受到了限制。由参考文献所得的解析解如下：000ln,ln2warrrrtrerfcrst20ln2exp4warrrstst，式中：20211uzerfczerfzedu，称为余概率积分。5.基于fluent的围岩散热数值模拟[4]巷道掘进工作面始终处于新暴露的岩体中，围岩温度接近原始岩温，热害负荷大，以掘进工作面内复杂二维流动体系作为模拟对象，通过适当简化，采用计算河南理工大学5流体力学软件Fluent对巷道温度场进行模拟。（一）数学模型的理论基础掘进工作面风流流动的物理条件较为复杂，影响因素较多，为方便研究做如下假设：1.通风气流视为不可压缩气体，忽略由流体粘性力做功所引起的耗散热，不计水蒸汽蒸发和瓦斯解吸，将固体和气体的物理特性参数视为常数；2.流动的紊流粘性具有各向同性，紊流粘性系数1v视为标量处理；3.流动为稳态紊流；满足Boussinesq假设；4.气流的各组分之间没有化学反应。气流在掘进巷道的流动遵守质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律。控制方程是这些守恒定律的数学描述，控制方程结合具体的边界条件和初始条件，构成了掘进工作面内风流流动的数学模型。质量守恒或称为连续性方程，可表示为imipustx(10)式中：为气体密度，t为时间，iu为坐标系上i方向上的速度，ix为坐标系中i方向上的空间位置，源项ms是加入到连续相的质量或其他自定义源相。动量守恒方程可表示为：ijiijiijijpuuugFtxxx(11)式中：jx为坐标系中j方向上的空间位置，ju为坐标系中j方向上的速度，p为静压，ij为应力张量，ig和iF为别为i方向上的重力和外部体积力。能量守恒方程可表示为：TphTdivuTdivgradTStc(12)式中：T为温度，u为速度矢量，h为流体的传热系数，pc为比热容，TS为其他体积热源。2.主控方程的选择考虑为不可压缩气流流动问题，基本方程为Reynolds方程，省略各变量的时河南理工大学6间平均项标志“”，紊流模型采用k双方程模型。k方程和方程分别见式（13）和（14）。iikijkjkkuvkvGtxxx（13）2112ikijjuvvCGCtxxxkk（14）1jiikjjiuuuGvxxx（15）式中：k、、v分别为紊流动能，紊流动能耗散率，层流动力黏性系数；1C、2C为经验常数；k、分别是k和对应的Prandtl数；kG为平均速度梯度引起的紊动能产生项。在k双方程模型中，根据Launder等的推荐值及实验验证，模型常数分别取值为11.44C，21.92C，1.00k，1.30。（二）物理模型的建立2.1模型几何与网格划分为方便分析，将掘进工作巷道简化为二维巷道空间，具体尺寸是304mm。在掘进工作面2m处有一掘进设备，尺寸简化为2.01.5mm，采用掘进机械进行工作时，由于掘进机械温度较高，实测局部温度可达070C,机身平均温度为050C，是掘进工作面的主要热源。掘进工作面采用压入式通风，采用直径为800mm单层帆布风筒进行供风。风筒出口至掘进工作面的距离为15m，风筒的出口温度约为025C。假设巷道的壁面光滑，围岩的原始岩温为040C。图1为建立的物理模型。河南理工大学7图1掘进巷道的物理模型利用gambit构建模型，并进行网格划分，采用非结构化网格。划分网格主要由四边形网格元素组成，在指定的地方采用三角形网格元素。掘进设备的局部区域因壁面边界条件变化，进行局部网格加密。2.2边界条件及计算方法的确定根据掘进巷道的物理模型，设定风筒出口处为模型的入口边界，以巷道自由断面处为模型的出口边界。入口边界条件为：入口温度298TK,入口风速20vms，22cvk，（通用常数c通常取0.5%~1.5%），23100/0.03ck。出口边界条件为outpp，没有相对压力，k、自由滑动。壁面边界条件：所有壁面采用无滑动边界条件。结合所选择的主控方程，选择采用隐式分离二维稳定流求解器，速度采用绝对速度，运用基于体积单元的梯度选项；采用SIMPLEC算法求解流速和压力耦合；采用压力梯度效益加强墙面处理方式，用标准k紊流模型封闭时均方程；借口黏度系数与密度取相邻节点的算术平均值；压力场采用标准离散方式，其他采用二阶迎风格式离散。（三）模拟结果及分析根据矿山实际情况，经过对比分析，优选出掘进巷道供风量分别为300、450和6003minm三种通风方案的热环境评价，以便选择最优的通风方案。三种供风量的情况下，掘进巷道的风流温度如图2所示：河南理工大学8图2不同风量时掘进巷道风流温度分布由图可知：1）在风流从风筒出口射出到掘进工作面的过程中，由于巷道壁面原始岩温较高，掘进设备散热大等特点，风流与其进行激烈的热湿交换，沿着风流的流动方向，风流的温度逐渐升高；掘进巷道在同一断面的风流中，由于气流浮升力的影响，热气流不断上升，使巷道断面的温度自上而下逐渐降低。2）随着风流向顶板、地板和侧壁方向的不断扩张流动，风流温度逐渐增加;风量增大，射流的帖附温度区域就越长，由于受巷道有限空间的限制，贴附的效果就越好，贴附的温度低温区域就越大，温度也会越低。3）由图2（a）可知，当供风量为3300minm时，巷道内的风流温度都超过028C,掘进工作面风温高达033C。由图2（b）和图2（c）可知，增大供风量，巷道内绝大部分区域的风流温度低于026C，只有局部区域温度较高。因为当供风量增大时，气流的动量也增大，气流所带来的冷量也增大，巷道内的温度也越低。随着供风量的增加，掘进巷道风流的温度随着风速的增加而逐渐降低。高温矿井的掘进工作面，增大供风量提高风速，可以起到降低工作面温度，改善工作面气候状况的作用。适当提高供风量，是掘进巷道降温的有效措施，应优先考虑。4）比较图2（b）和图2（c）巷道内的风流温度变化范围不是很大，局部区域的温度仍然高于《煤炭安全规程》