[發(fā)明專利]一種擬三維煤礦采空區(qū)氮?dú)饬鲃訅毫p失計(jì)算方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202011146211.8
• 申請日: 2020-10-23
• 公開（公告）號: CN112214943B
• 公開（公告）日: 2022-04-22
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 陳世強(qiáng);張連會;趙利群;王君;王海橋;魯義;姜文
• 申請（專利權(quán)）人: 湖南科技大學(xué)
• 主分類號: G06F30/28
• 分類號: G06F30/28;G06F113/08;G06F119/14
• 代理公司: 湘潭市匯智專利事務(wù)所(普通合伙) 43108
• 代理人: 宋向紅

1.一種擬三維煤礦采空區(qū)氮?dú)饬鲃訅毫p失計(jì)算方法，其特征在于包括如下步驟：

(1)建立采空區(qū)氣體流動模型，劃分單周期流動單元；

(2)將單周期流動單元作為研究對象，依據(jù)斷面面積隨流動距離變化的表達(dá)式不同將單周期流動單元劃分為四個流動階段；

(3)推導(dǎo)采空區(qū)氮?dú)饬鲃訅毫p失理論計(jì)算式；

根據(jù)流體動力學(xué)Navier-Stocks方程，推導(dǎo)出一維流動壓力損失計(jì)算式如式(1)所示：

式中，J_T1為氣體流經(jīng)單位長度采空區(qū)的一維流動壓力損失，Pa/m；μ為氣體的動力粘度，Pa·s；ρ為氣體密度，kg/m³；d為小球直徑，m；u₀為氣體的初始平均速度，m/s；

(4)在理論計(jì)算式的基礎(chǔ)上，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)優(yōu)化，縮小一維簡化與三維流動之間的差異，得到擬三維流動壓力損失計(jì)算式如式所示(2)：

式中，J_T3為氣體流經(jīng)單位長度采空區(qū)的擬三維流動壓力損失，Pa/m；K為修正比例系數(shù)，取0.52，無量綱數(shù)；α為速度分布系數(shù)，無量綱數(shù)；

步驟(1)包括如下步驟：

(a)建立采空區(qū)氣體流動模型；

建立的氣體流動模型由8個直徑為d的大球、一個直徑為的抽芯球體和6個直徑為的抽芯半球組成；其中，8個直徑為d的大球分別位于邊長為2d的立方體八個頂點(diǎn)處，每個直徑為d的大球與相鄰的直徑為d的大球相切；直徑為的抽芯球體位于8個直徑為d的大球的中心處，與8個直徑為d的大球分別相切；6個直徑為的抽芯半球分別位于立方體的六個面的中心位置，直徑為的抽芯半球與周圍球面相切；

(b)劃分單周期流動單元；

由流動模型的對稱性，可將采空區(qū)氣體流動模型劃分為單周期流動單元，具體為：以邊長為2d的立方體每條棱的中點(diǎn)為切割點(diǎn)，將流動模型切割為八個單周期流動單元；

步驟(2)包括如下步驟：

以單周期流動單元為研究對象，流動方向?yàn)閦軸正方向，流動起點(diǎn)為z軸原點(diǎn)；在第一流動階段上，從z＝0點(diǎn)開始，過流斷面面積表達(dá)式如式(3)所示：

其中，A₀為過流斷面面積，m²；d為小球直徑，m；L為切割圓柱體中心到底面圓周的連線，m；θ為虛線L和切割圓柱體中心軸線的夾角，弧度；

四個流動階段過流斷面面積分別為：

當(dāng)滿足時：

當(dāng)滿足時：

當(dāng)滿足時：

當(dāng)滿足時：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的擬三維煤礦采空區(qū)氮?dú)饬鲃訅毫p失計(jì)算方法，其特征在于：步驟(3)包括如下步驟：

(a)計(jì)算各流動階段單位長度壓力損失如下：

第一流動階段：

第二流動階段：

第三流動階段：

第四流動階段：

式中，μ為氣體的動力粘度，Pa·s；ρ為氣體密度，kg/m³；d為小球直徑，m；u₀為氣體的初始平均速度，m/s；

(b)確定采空區(qū)氮?dú)饬鲃訅毫p失理論計(jì)算式如下：

將四個流動階段的公式按模型長度比例進(jìn)行整合得到最小流動單元上一個流動周期的壓力損失計(jì)算公式：

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的擬三維煤礦采空區(qū)氮?dú)饬鲃訅毫p失計(jì)算方法，其特征在于：步驟(4)包括如下步驟：

(a)基于試驗(yàn)臺，設(shè)定四種不同的風(fēng)路徑從而獲得四種不同的流動斷面面積，將這四種情況設(shè)定為四個不同的工況；

(b)測定每種工況不同風(fēng)速下的實(shí)測壓力損失以及依據(jù)式(1)計(jì)算所得的理論壓力損失；

(c)比較實(shí)測壓力損失與理論壓力損失，以速度分布系數(shù)α解決一維簡化與三維流動之間的差異；

(d)將理論壓力損失與實(shí)測壓力損失相除，得到修正比例系數(shù)K。