[發(fā)明專利]基于PIV的礦井突擴(kuò)巷道局部阻力測(cè)定方法

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

本發(fā)明提供一種基于PIV的礦井突擴(kuò)巷道局部阻力測(cè)定方法。首先對(duì)礦井突擴(kuò)巷道流場(chǎng)建立三維物理模型并進(jìn)行仿真模擬計(jì)算，運(yùn)用伯努利方程和礦井通風(fēng)阻力定律分析計(jì)算結(jié)果得到流場(chǎng)進(jìn)入阻力平方區(qū)的臨界風(fēng)速。然后使用粒子圖像測(cè)速（PIV）系統(tǒng)，測(cè)試突擴(kuò)巷道實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ土鲌?chǎng)，獲得真實(shí)突擴(kuò)斷面后渦流區(qū)的最長(zhǎng)距離。最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定完全紊流狀態(tài)時(shí)突擴(kuò)斷面與最長(zhǎng)渦流區(qū)邊界之間的局部阻力。通過(guò)對(duì)流場(chǎng)狀態(tài)的測(cè)試、流體流態(tài)的限定、相似條件的限制實(shí)現(xiàn)了對(duì)突擴(kuò)巷道局部阻力的準(zhǔn)確測(cè)定，彌補(bǔ)了模擬、實(shí)驗(yàn)和實(shí)測(cè)等方法的不足，為礦井通風(fēng)局部阻力測(cè)定提供技術(shù)參考，為實(shí)時(shí)礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算提供準(zhǔn)確風(fēng)阻參數(shù)具有重要意義。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于礦井通風(fēng)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于PIV的礦井突擴(kuò)巷道局部阻力測(cè)定方法。

背景技術(shù)

礦井通風(fēng)局部阻力是礦井通風(fēng)阻力的組成部分，主要發(fā)生在巷道交叉、巷道轉(zhuǎn)彎、巷道斷面突變等地點(diǎn)，巷道斷面突然變大也是井下巷道常見(jiàn)的突變類型。以往在計(jì)算礦井通風(fēng)阻力時(shí)，均將最大阻力通路的摩擦阻力乘以10％-20％后作為局部阻力，這是一個(gè)區(qū)間范圍，其只能滿足工程需要。因此通過(guò)實(shí)驗(yàn)相對(duì)精準(zhǔn)地測(cè)定礦井突擴(kuò)巷道局部阻力對(duì)新掘巷道的通風(fēng)局部阻力預(yù)測(cè)工作，以及為智能通風(fēng)的實(shí)時(shí)礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算提供準(zhǔn)確的風(fēng)阻參數(shù)具有重要意義。

目前關(guān)于礦井通風(fēng)局部阻力測(cè)定的研究大多采用數(shù)值模擬、實(shí)驗(yàn)或?qū)崪y(cè)法。為了能夠精準(zhǔn)測(cè)定礦井通風(fēng)局部阻力就必須對(duì)風(fēng)流的流場(chǎng)狀態(tài)、流體的流態(tài)、巷道的粗糙程度以及相似條件進(jìn)行嚴(yán)格測(cè)定與限制。首先，井下絕大多數(shù)地點(diǎn)的風(fēng)流為紊流狀態(tài)，在巷道斷面突然變大時(shí)，風(fēng)流會(huì)在突擴(kuò)斷面后形成一段流動(dòng)極其復(fù)雜的渦流區(qū)，渦流區(qū)的風(fēng)流方向極不規(guī)則，在各個(gè)方向均有分布。因此，準(zhǔn)確測(cè)定風(fēng)流在斷面突然變大后渦流區(qū)產(chǎn)生的局部阻力首要前提是要準(zhǔn)確測(cè)定渦流區(qū)邊界長(zhǎng)度。其次，礦井通風(fēng)阻力測(cè)定均默認(rèn)礦井風(fēng)流為完全紊流狀態(tài)，此時(shí)風(fēng)量指數(shù)為2，實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭袣怏w流態(tài)也必須處于阻力平方區(qū)。并且礦井巷道壁面有著不可忽略的粗糙高度，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得礦井實(shí)際局部阻力就必須嚴(yán)格滿足流體力學(xué)相似實(shí)驗(yàn)中的雷諾相似。因此，為研究在實(shí)驗(yàn)室準(zhǔn)確測(cè)定礦井突擴(kuò)巷道的局部阻力，本發(fā)明提出一種基于PIV的礦井突擴(kuò)巷道局部阻力測(cè)定方法。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)和方法的不足，提供一種基于PIV的礦井突擴(kuò)巷道局部阻力測(cè)定方法，本方法對(duì)流場(chǎng)狀態(tài)、流體流態(tài)、巷道粗糙度以及相似條件進(jìn)行了嚴(yán)格測(cè)定與限制，以解決現(xiàn)有技術(shù)和方法在礦山井下突擴(kuò)巷道局部阻力測(cè)定方面的不適用問(wèn)題，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)局部阻力測(cè)定工作提供技術(shù)參考，為實(shí)時(shí)礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算提供準(zhǔn)確風(fēng)阻參數(shù)具有重要意義。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出一種基于PIV的礦井突擴(kuò)巷道局部阻力測(cè)定方法，包括以下步驟：

步驟1：使用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)方法對(duì)突擴(kuò)巷道流場(chǎng)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)仿真計(jì)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(guò)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(cè)定時(shí)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(cè)速(PIV)系統(tǒng)對(duì)突擴(kuò)巷道流場(chǎng)進(jìn)行測(cè)試，研究突擴(kuò)巷道流場(chǎng)中突擴(kuò)斷面后渦流區(qū)長(zhǎng)度隨風(fēng)速的變化規(guī)律并確定渦流區(qū)的最長(zhǎng)距離，所述的渦流區(qū)最長(zhǎng)距離用于確定局部阻力測(cè)定時(shí)突擴(kuò)斷面后風(fēng)速和壓力的測(cè)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(zhǎng)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(chǎng)參數(shù)測(cè)試裝置對(duì)突擴(kuò)巷道局部阻力進(jìn)行測(cè)定，實(shí)現(xiàn)對(duì)完全紊流時(shí)突擴(kuò)巷道局部阻力的準(zhǔn)確測(cè)定。

所述步驟1使用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)方法對(duì)突擴(kuò)巷道流場(chǎng)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)仿真計(jì)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(guò)伯努利方程計(jì)算和礦井通風(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(cè)定時(shí)所用的最低風(fēng)速，具體表述為：