基于ANSYS的回风井围岩传热研究

基于 ANSYS的回风井围岩传热研究

张嘉旺 陈忠海 刘龙飞 马志远

河北建筑工程学院 河北张家口 075000

摘要：本文对回风井气流与岩壁的换热进行了模拟，首先通过查阅文献确定典型回风竖井的尺寸，再依照相关规定确定回风井气流参数范围，对不同风速与温度下，气流与岩壁的换热进行模拟。模拟得出回风速度大于5m/s时，气流的温度对风速的影响较小，速度小于5m/s时，风速随着温度的升高而增大。

关键词：回风井 围岩传热

0引言

矿井自然风压的主要影响因素是矿井进风井与回风井的空气柱重量的大小，而影响空气柱重量的是空气柱的温度、密度以及进、回风井的标高差。矿井产生的自然风压在冬季可以加强通风，在回风井处井底的温度较高，气流与回风井围岩的传热会形成一定范围的调热圈，分析围岩的温度场，可以更准确的模拟出回风井的流场分布，对正确制定通风方案有非常重要的意义。刘新德^[1]发现张北矿主井在冬季发生回风现象，通过控制副井风流、降低主井温度、增加副井风流温度三项措施解决了回风问题。张瑞明^[2]等人利用理论分析、现场试验和数值模拟对水平巷道通风降温的风量及影响因素进行了研究，发现降低入风温度比增加风量效果好。综上所述，矿井的自然风压能够对矿井的热环境产生不可忽略的影响，水平巷道的风温和风速能够影响回风井围岩的调热圈及其产生自然风压的大小。本文通过对回风井围岩与气流的传热进行模拟，得到回风风温、速度影响自然通风的一般规律，为地下矿井通风设计提供理论支撑。

1 数学模型

1.1条件假设

1）矿井巷道围岩为均质材料且在各个方向上同性，围岩的热传导率和热交换系数与温度无关，忽略壁面对流潜热换热；

2）为模拟长时间自然通风条件下回风井的温度场，模式视为稳态传热；

3）忽略井外环境对回风井产生的影响。

1.2计算方法

回风井围岩内原岩的温度分布服从傅立叶传导微分方程即：

(1)

式中: 为围岩的热扩散系数； 为回风井半径； 为通风时间。

回风井围岩与气流对流换热公式：

(2)

式中： 为围岩换热系数； 为围岩边界温度； 为风流平均温度。

当矿井通风时间较长时，调热圈半径R与通风时间 的经验公式^[3]：

(3)

2数值模拟

2.1设置模型参数

由于利用竖井自然通风辅助机械通风时，竖井深度达到250m后继续增加深度，通风效应无显著变化^[4]，本模型高度定位250m；在井下进行真人实验后表明，温度在22-24℃时为热舒适工况的必要条件^[5]，模拟的温度范围取21-26℃。根据式（3），取调热圈的半径为5m，使用ANSYS的DesignModel模块建立流体域半径为4m，调热圈半径为5m，高为250m的圆柱形模型。《煤矿安全规程》第一百三十六条规定无提升设备的风井和风硐最高允许风速为15m/s，本模拟中进风口速度分别取5m/s、10m/s、15m/s，温度范围为。模型如图1所示。

图 1回风井模型

2.2模拟结果与分析

观察图2，当进口气流速度为5m/s时，出口风速随气流温度的升高而加快，21℃与26℃工况下，出口气流速度最高差0.15m/s;随着进口气流速度的增加，温度的差异逐渐不明显，观察图3和图4可以看出，气流在回风井中的变化几乎重合，差别不明显。但气流速度的增加无疑增大了气流与壁面的换热速率，以温度26℃的气流变化最明显，当进口风速为5m/s时，进出口风速差为0.75m/s；进口风速为10m/s时，进出口风速差1.15m/s；进口风速为15m/s时，进出口风速差1.55m/s。

图 2初始速度为5m/s

图 3初始速度为10m/s

图 4初始速度为15m/s

3结语

通过对回风井的模拟可以得出，冬季地下矿井在保证足够通风量且回风井风速大于5m/s时，气流温度的降低，不会显著影响回风井的自然通风；若回风井风速想要控制在5m/s以下，那么气流温度对自然通风的影响就不可忽视，严重时可能导致反风等现象的发生。

作者简介：张嘉旺，（1997-），男，汉，硕士研究生，研究方向室内人工环境。

通讯作者：陈忠海，（1963-），男，汉，教授，研究生导师，研究方向为室内人工环境、建筑节能与新能源利用

项目基金：2021年度河北建筑工程学院研究生创新基金项目（XY202146）

参考文献

[1]刘新德.自然热位差对张北矿井通风系统的影响及治理[J].能源技术与管理,2010(03):32-33.

[2]张瑞明,魏丁一,杜翠凤,徐海月,常宝孟,张宏光.水平巷道通风降温适用风量的研究[J].矿业研究与开发,2020,40(07):96-99.

[3]高建良,杨明.巷道围岩温度分布及调热圈半径的影响因素分析[J].中国安全科学学报,2005,{4}(02):76-79.

[4]张恒,孙建春,刘效成,涂鹏.利用竖井自然通风辅助机械通风的关键参数研究[J].地下空间与工程学报,2019,15(04):1258-1266+1272.

[5]陈芬. 矿山井下环境从业人员热舒适性研究[D].湖南科技大学,2020.