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并联回风大巷间角联巷道内瓦斯积聚条件的数值模拟

作　者: 邓春红
导　师: 邢玉忠
学　校: 太原理工大学
专　业: 安全工程
关键词: 多大巷联络巷 fluent数值模拟对称角联瓦斯积聚条件
分类号: TD712
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

随着井田范围的扩大、瓦斯涌出量的增加,使用多条进、回风大巷的矿井已屡见不鲜。多条回风大巷之间通过联络巷连接形成“网格”状。进、回风大巷之间的联络巷属于角联巷道,角联巷道的风向和风量不稳定,给矿井通风系统的可靠性造成影响,在回风中的角联巷道还会引起瓦斯积聚、煤炭自然等事故。因此对于角联巷道内的风流特点和瓦斯积聚条件的研究对于预防煤矿事故有重要作用。目前对于角联分支的联络巷内的风流运动规律、低风速条件下的瓦斯浓度分布特点等并没有太多详细的研究。基于亚美大宁现用多条并联回风大巷的生产实例,经简化得到三条回风大巷并联(四条联络巷基本对称角联).的联络巷内风流流动物理模型,结合流体运动学和守恒方程等建立了联络巷内风流运动的数学方程,具体有以下几个方面的研究内容：(1)探讨联络巷内的风速与回风大巷的风速之间的关系。联络巷内的风速不能直接获得,利用Fluent软件强大的处理功能,可以直接改变回风大巷的风速,并能快速获得联络巷内风速的特点,通过改变物理模型中三条回风巷的风速,使相邻两条回风大巷的风速绝对值差分别为0.3rn/s、0.4m/s、0.5m/s、1.0m/s、1.5m/s、2.0m/s、3.0m/s、4.0m/s的条件下得到联络巷内的风速,并设计了8组数据对比得出联络巷内的风速大小只与回风大巷的风速绝对值之差有关,与回风巷本身风速高低无关。要使联络巷内的风速高于0.25m/s,两端回风大巷的风速绝对值之差大于0.5m/s。(2)通过改变回风大巷的风速获得了联络巷的风流出口处速度分别为0.25m/s.0.5m/s、0.7m/s、1.15m/s、3.0m/s、1.5m/s、1.8m/s、2.05my、3.7m/s、4.5m/s时,利用fluent软件的图形处理功能得到上述风速条件下的联络巷内每隔5米巷道中心处水平断面上的风速分布曲线图,分析出联络巷内的风速特点是风流自回风大巷流入联络巷先经历回流区,随后水平断面上从联络巷一侧至另一侧风速线性增加,越到风流出口处线性增加越缓慢。距离联络巷内风流入口10米以后巷道中心处的风速变化很小,可以用来代表整个联络巷的平均风速。(3)模型中回风大巷与联络巷连接时基本是垂直的,风流由回风大巷流入联络巷时突然改变方向。模拟了联络巷平均风速为0.25m/s、0.5m/s、0.7m/s、1.15m/s、3.0m/s、1.5m/s、1.8m/s、2.05m/s、3.7m/s、4.5m/s风速条件下回流存在的区域范围变化特点是联络巷内断面平均风速越大,回流存在的区域越小,联络巷风流入口处回风大巷风速越大,则回流的进风侧风速越大。(4)瓦斯积聚条件的模拟。在联络巷内瓦斯涌出的条件下,通过调节回风大巷风速得到四条联络巷的风速分别为(1)0.18m/s、0.3m/s、0.38m/s、0.5m/s;(2)0.09m、0.18m/s.0.24m/s、0.33m/s;(3)0.16m/s、0.28m/s、0.36m/s.0.46m/s时联络巷内甲烷浓度云图和联络巷中心处竖直断面上每隔5米的甲烷浓度曲线图,得出联络巷内甲烷分布特点是：风速小于0.3m/s时,竖直断面上甲烷浓度呈明显的分层分布,距离顶板0.5m的范围内,高浓度的瓦斯会积聚在巷道顶部。风速为0.3～0.5m/s时,距离联络巷内风流出口约15m范围内竖直断面上顶板甲烷浓度呈分层分布,顶部瓦斯浓度较高。当风速大于0.5m/s时竖直断面上的甲烷浓度分层分布的现象不存在。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-10
1 绪论  10-18
  1.1 引言  10-13
  1.2 国内外对积聚的研究现状  13-15
  1.3 本文研究的方法和内容  15-18
2 巷道内风流和瓦斯流运动状态分析  18-30
  2.1 对流体的描述  18-20
    2.1.1 流体的粘性及压缩性  18-19
    2.1.2 流体的热传导及扩散  19-20
  2.2 粘性流体的流动状态  20-23
  2.3 巷道的特点  23-25
  2.4 流体的多维流动的控制方程  25-27
    2.4.1 物质导数  25
    2.4.2 连续性方程  25-26
    2.4.3 N-S方程  26-27
  2.5 通风方法  27
  2.6 通风网络的连接形式  27-29
  2.7 本章小结  29-30
3 巷道内瓦斯状态分析  30-38
  3.1 引言  30
  3.2 矿井瓦斯的来源  30-31
  3.3 瓦斯理化性质及其赋存方式  31-32
  3.4 瓦斯对环境的危害和影响  32-33
  3.5 不同的风流状态对瓦斯运动的影响  33-36
    3.5.1 瓦斯在静止空气中的运动  33-34
    3.5.2 瓦斯在流动空气中的运动  34
    3.5.3 瓦斯在脉动风流中运动  34-35
    3.5.4 瓦斯在巷道中的弥散  35-36
  3.6 本章小结  36-38
4 基于对称角联的并联巷道间联络巷内瓦斯积聚条件的模拟  38-54
  4.1 引言  38
  4.2 联络巷内瓦斯流动的数学模型  38-40
    4.2.1 联络巷内的质量守恒  38-39
    4.2.2 联络巷内动量守恒  39
    4.2.3 联络巷内的能量守恒  39-40
    4.2.4 风流与瓦斯的组分质量守恒  40
  4.3 流场的求解方法  40-42
  4.4 湍流场的数值模拟方法  42-46
    4.4.1 直接数值模拟法  44
    4.4.2 Reynolds时均方程(RANS)的模拟方法  44-45
    4.4.3 大涡模拟  45-46
  4.5 湍流模型的选择  46-49
    4.5.1 标准的k-ε模型  47-48
    4.5.2 RNG k-ε模型  48
    4.5.3 可实现的k-ε模型  48-49
  4.6 方程的离散以及离散格式  49-52
  4.7 本章小结  52-54
5 模型的建立及模拟结果  54-70
  5.1 物理模型的建立  54-55
  5.2 模型的网格划分及初始条件  55-58
    5.2.1 模型的网格划分  56
    5.2.2 模型中初始条件的设置  56-57
    5.2.3 湍动能的计算  57-58
  5.3 模拟结果分析  58-67
    5.3.1 联络巷的风速与大巷风速的关系  58-59
    5.3.2 联络巷内的风速特点  59-62
    5.3.3 联络巷内瓦斯积聚条件的模拟  62-67
  5.4 本章小结  67-70
6 结论与展望  70-74
  6.1 论文研究的创新与结果  70-71
  6.2 论文研究的不足  71-74
参考文献  74-76
致谢  76-78
攻读学位期间发表的学术论文  78

并联回风大巷间角联巷道内瓦斯积聚条件的数值模拟

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