[發(fā)明專利]基于PIV的礦井突擴(kuò)巷道局部阻力測定方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202111169190.6
• 申請日: 2021-10-08
• 公開（公告）號: CN113792507A
• 公開（公告）日: 2021-12-14
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 劉劍;王禹;王東
• 申請（專利權(quán)）人: 遼寧工程技術(shù)大學(xué)
• 主分類號: G06F30/28
• 分類號: G06F30/28;G06F30/23;G06F119/14
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

1.一種基于PIV的礦井突擴(kuò)巷道局部阻力測定方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1：使用計算流體力學(xué)(CFD)方法對突擴(kuò)巷道流場進(jìn)行穩(wěn)態(tài)仿真計算，得到不同粗糙高度突擴(kuò)巷道模型的入口平均風(fēng)速和壓力以及出口平均風(fēng)速和壓力，通過伯努利方程和礦井通風(fēng)阻力定律公式擬合得到風(fēng)量指數(shù)隨風(fēng)速的變化規(guī)律，進(jìn)而確定不同粗糙高度突擴(kuò)巷道模型中風(fēng)流進(jìn)入阻力平方區(qū)的臨界風(fēng)速，所述臨界風(fēng)速用于確定局部阻力測定時所用的最低風(fēng)速；

步驟2：利用風(fēng)機(jī)、風(fēng)量調(diào)節(jié)閥、突擴(kuò)巷道模型、整流格柵、粒子發(fā)生器和粒子圖像測速(PIV)系統(tǒng)對突擴(kuò)巷道流場進(jìn)行測試，研究突擴(kuò)巷道流場中突擴(kuò)斷面后渦流區(qū)長度隨風(fēng)速的變化規(guī)律并確定渦流區(qū)的最長距離，所述的渦流區(qū)最長距離用于確定局部阻力測定時突擴(kuò)斷面后風(fēng)速和壓力的測試位置；

步驟3：根據(jù)步驟1中的臨界風(fēng)速和步驟2中的渦流區(qū)最長距離，利用風(fēng)機(jī)、風(fēng)量調(diào)節(jié)閥、粗糙突擴(kuò)巷道模型和流場參數(shù)測試裝置對突擴(kuò)巷道局部阻力進(jìn)行測定，實現(xiàn)對完全紊流時突擴(kuò)巷道局部阻力的準(zhǔn)確測定。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于PIV的礦井突擴(kuò)巷道局部阻力測定方法，其特征在于，所述的步驟1具體表述為：

步驟1.1：利用建模軟件建立礦井突擴(kuò)巷道流場計算物理模型，包括流場入口、出口和壁面等特征結(jié)構(gòu)，進(jìn)行結(jié)構(gòu)性六面體網(wǎng)格劃分，劃分的網(wǎng)格應(yīng)在滿足無關(guān)性要求的前提下盡可能少，以提高數(shù)值運(yùn)算速度；

步驟1.2：使用計算流體力學(xué)(CFD)方法對突擴(kuò)巷道流場進(jìn)行穩(wěn)態(tài)仿真計算，待計算收斂后，分別輸出突擴(kuò)巷道模型入口平均風(fēng)速和壓力、出口平均風(fēng)速和壓力；

步驟1.3：改變巷道模型粗糙高度，重復(fù)步驟1.2；

步驟1.4：利用伯努利方程計算出不同風(fēng)速流場出口與入口間的阻力損失，利用礦井通風(fēng)阻力定律公式擬合風(fēng)量指數(shù)變化規(guī)律，并確定不同粗糙高度突擴(kuò)巷道模型中風(fēng)流進(jìn)入阻力平方區(qū)的臨界風(fēng)速，所述伯努利方程和礦井通風(fēng)阻力定律公式分別具體表示為：

H＝R·Q^x (2)

式中，ρ為空氣密度，v₁為入口平均風(fēng)速，v₂為出口平均風(fēng)速，p₁為入口靜壓，p₂為出口靜壓，z₁為入口幾何中心高度，z₂為出口幾何中心高度，H為模型出口與入口間的阻力損失；R為風(fēng)阻，Q為風(fēng)量，x為風(fēng)量指數(shù)。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于PIV的礦井突擴(kuò)巷道局部阻力測定方法，其特征在于，所述的步驟2具體表述為：

步驟2.1：將風(fēng)機(jī)、風(fēng)量調(diào)節(jié)閥、突擴(kuò)巷道模型依次連接，整流格柵放置于模型內(nèi)風(fēng)速入口處，粒子發(fā)生器放置于模型外風(fēng)速入口處，利用粒子圖像測速(PIV)系統(tǒng)對突擴(kuò)巷道流場進(jìn)行無接觸式測試，所述風(fēng)機(jī)用于提供穩(wěn)定通風(fēng)動力，所述風(fēng)量調(diào)節(jié)閥可以按需固定風(fēng)量，風(fēng)量為可調(diào)節(jié)型，所述模型由亞克力板膠結(jié)而成，密閉性良好，具有透光性好、折射率低的優(yōu)點(diǎn)，所述整流格柵可以均勻散布示蹤粒子，所述粒子發(fā)生器為巷道流場提供示蹤粒子，所述粒子圖像測速(PIV)系統(tǒng)由脈沖激光片光源、導(dǎo)光臂、激光控制器、冷卻系統(tǒng)、激光電源、同步器、CCD相機(jī)以及計算機(jī)組成；

步驟2.2：打開風(fēng)機(jī)，釋放示蹤粒子，待流場內(nèi)風(fēng)流穩(wěn)定、示蹤粒子分布均勻后利用粒子圖像測速(PIV)系統(tǒng)測試模型流場的速度云圖和流線圖；

步驟2.3：利用風(fēng)量控制閥改變模型入口風(fēng)速，重復(fù)步驟2.2，得到多組不同風(fēng)速的模型流場的速度云圖和流線圖，找到渦流區(qū)長度隨入口風(fēng)速的變化規(guī)律并確定渦流區(qū)最長距離。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于PIV的礦井突擴(kuò)巷道局部阻力測定方法，其特征在于，所述的步驟3具體表述為：

步驟3.1：將風(fēng)機(jī)、風(fēng)量調(diào)節(jié)閥、粗糙突擴(kuò)巷道模型依次連接，分別將兩套流場參數(shù)測試裝置置于突擴(kuò)斷面前后合適位置，所述風(fēng)機(jī)用于提供穩(wěn)定通風(fēng)動力，所述風(fēng)量調(diào)節(jié)閥可以按需固定風(fēng)量，風(fēng)量為可調(diào)節(jié)型，粗糙突擴(kuò)巷道模型由相同亞克力板膠結(jié)而成，其內(nèi)壁面隨機(jī)粘貼著高精度玻璃珠，用于模擬巷道的粗糙高度，模型密閉性良好，所述流場參數(shù)測試裝置包括皮托管、膠管和多功能參數(shù)測試儀，用于測試粗糙突擴(kuò)巷道模型突擴(kuò)斷面前后的風(fēng)速與靜壓，所述風(fēng)速與靜壓為可調(diào)節(jié)型，隨風(fēng)量變化而變化；

步驟3.2：打開風(fēng)機(jī)，待流場內(nèi)風(fēng)流穩(wěn)定后通過多功能參數(shù)測試儀測試突擴(kuò)斷面前后的速度及靜壓；

步驟3.3：利用風(fēng)量控制閥改變巷道模型入口風(fēng)速，重復(fù)步驟3.2，得到多組不同風(fēng)速的突擴(kuò)斷面前后的風(fēng)速及靜壓。

步驟3.4：處理數(shù)據(jù)，計算阻力平方區(qū)內(nèi)各風(fēng)速的局部阻力，所述的處理數(shù)據(jù)包括無效實驗數(shù)據(jù)排除和數(shù)據(jù)均值化處理等。