[發明專利]一種高溫礦井運煤巷風流與煤流傳熱耦合計算方法

有效

• 申請號: 201610319781.X
• 申請日: 2016-05-13
• 公開（公告）號: CN107368667B
• 公開（公告）日: 2020-12-25
• 發明（設計）人: 吳建松;宋懷濤
• 申請（專利權）人: 中國礦業大學（北京）
• 主分類號: G06F30/28
• 分類號: G06F30/28;G06F113/08;G06F119/08;G06F119/14
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1.一種高溫礦井運煤巷風流與煤流傳熱耦合計算方法，其特征在于，所述耦合計算方法相關設施包括運煤巷(01)、進風風流(02)、傳送帶(03)、煤流(04)、巷道圍巖(05)、采煤工作面(06)、采空區(07)、回風風流(08)、回風順槽(09)；所述計算方法以運煤巷(01)煤流(04)出口斷面至采煤工作面(06)風流入口斷面之間的熱力系統為研究對象,簡化傳送帶(03)上煤流(04)堆積斷面形狀，并采用集總參數法忽略煤流(04)內部導熱熱阻，依據能量守恒定律對進風風流(02)、巷道圍巖(05)以及煤流(04)三者之間的耦合熱濕交換關系進行分析，分別建立進風風流(02)以及煤流(04)的熱平衡方程，利用有限差分法分別對進風風流(02)和煤流(04)的熱平衡方程進行數值離散求解，最終獲得運煤巷(01)內沿程不同位置處風流和煤流的溫度；所述耦合計算方法具體實施步驟包括如下：

以運煤巷(01)煤流(04)出口斷面位置A為坐標原點，采煤工作面(06)風流入口斷面位置B為坐標終點，沿巷道中心線為x軸，并以進風風流(02)方向作為x軸正方向，在A-B斷面之間任取一微元段dx，該微元段風流溫度變化為dT，分別列出進風風流(02)和煤流(04)的能量平衡方程，得到

(1)煤流(04)熱平衡方程

M_mdi_m＝M_mC_mdT_m＝h(T_f-T_m)udx

(2)進風風流(02)熱平衡方程

M_fdi_f＝h(T_m-T_f)udx+k_τU(T_gu-T_f)dx-M_fgsinθdx

式中：M_m、M_f分別為煤流(04)和進風風流(02)的質量流量，kg/s；i_m、i_f分別煤流(04)和進風風流(02)的比焓，KJ/kg；T_m、T_f分別煤流(04)和進風風流(02)的溫度，℃；C_m為煤流(04)的比熱，KJ/(kg·℃)；h為煤流(04)與進風風流(02)之間的對流換熱系數，KW/m²·℃；u為煤流(04)堆積的上表面周長，m；k_τ為巷道圍巖(05)不穩定換熱系數，KW/m²·℃；T_gu為巷道圍巖(05)原始巖溫，℃；U為巷道圍巖(05)斷面周長，m；g為重力加速度，m²/s；θ為巷道圍巖(05)開采傾角

(3)根據相關熱力學知識，將進風風流(02)相對濕度、含濕量、焓以及與風流溫度有關的參數分別代入進風風流(02)熱平衡方程式中：

式中：C_p為干空氣的定壓比熱容，取C_p＝1.005KJ/(kg·℃)；r為水蒸汽的汽化潛熱，取r＝2501KJ/kg；為進風風流(02)始端相對濕度；為進風風流(02)相對濕度變化率；b、ε′以及p_m為與風流溫度有關的常數

為便于分析，令：

Z₂＝hu

Z₃＝k_τU

則方程式可表示為：

(4)熱平衡方程邊界條件

式中：T_fin為進風風流(02)入口風流溫度，℃；T_min為煤流(04)入口溫度，℃

上述完成了對進風風流(02)和煤流(04)物理模型和數學模型的描述；

采用有限差分法對數學模型方程進行離散求解，假定A-B斷面之間的距離為L，將其之間的巷道圍巖(05)以及煤流(04)均等分為n-1段，則每段長度為Δx＝L/(n-1)，令進風風流(02)節點編號i均為奇數，煤流(04)節點編號j均為偶數，依據有限差分法，分別得到進風風流(02)以及煤流(04)熱平衡方程的離散方程

(5)進風風流(02)離散后熱平衡方程

式中：T_i-2,T_i-1,T_i,T_i+1代表進風風流(02)對應節點溫度值

(6)煤流(04)離散后熱平衡方程

式中：T_j-1,T_j,T_j+1,T_j+2代表煤流(04)對應節點溫度值

即上述分別完成了進風風流(02)和煤流(04)計算模型的建立和模型方程的數值離散，通過求解可得到進風風流(02)以及煤流(04)各個節點處的溫度，從而實現對高溫礦井運煤巷(01)內風流溫度以及煤流溫度的計算預測。