机掘工作面旋流通风数值模拟及实验研究

论文摘要

机掘工作面是煤矿井下主要产尘地点之一,也是煤尘瓦斯爆炸事故的多发地点,如何有效地控制机掘工作面粉尘扩散,防止工作面瓦斯局部集聚,已成为矿井掘进通风急需解决的问题。要解决好这一问题,必须对传统的掘进通风方式进行改进。为此,近年来有人提出了掘进工作面利用旋流通风方法来解决工作面粉尘和瓦斯问题,并就这一掘进通风新方法,在国内外开展了广泛的研究,取得了可喜的成果。但由于机掘工作面旋流通风风流运动复杂,目前国内外对这种通风方式尚缺乏系统的理论研究,尤其在国内,目前还处于尝试阶段。为了更好地推广应用这一新技术,本文针对机掘工作面旋流通风作用机理,借助流体力学、空气动力学,紊动射流理论及其它相关理论,采用模拟试验手段和计算机仿真技术,从旋流通风工作面风流流场结构,控尘机理及瓦斯运移规律等多方面对机掘工作面旋流通风进行了系统综合的研究:(1)理论分析附壁风筒旋转风幕的形成过程,阐述旋流通风控尘机理及吹散瓦斯作用机理;(2)建立机掘工作面旋流通风气流结构数学模型,利用计算流体力学软件Fluent对这种通风方式的流场进行数值模拟,得出最佳送风参数和吹吸比;(3)以呼吸性粉尘和瓦斯为代表,对旋流通风作用下工作面的粉尘和瓦斯运移规律进行了数值模拟,并与相同送风参数条件下的长压短抽通风方式进行了比较,得出旋流通风不仅能控制机掘工作面粉尘扩散,提高通风装置集尘效果,而且能吹散工作面顶板瓦斯,防止工作面瓦斯局部集聚,具有很好的应用前景;(4)通过模拟试验,进一步研究相关因素对旋流通风效果的影响,验证理论分析。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 论文研究的目的及意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 掘进通风研究现状及分析
• 1.2.2 机掘工作面防尘技术研究现状及进展
• 1.2.3 机掘工作面旋流通风研究现状及进展
• 1.3 本文研究的主要内容及方法
• 1.3.1 研究的主要内容
• 1.3.2 研究方法
• 1.4 本章小结
• 第二章 机掘工作面旋流通风理论分析
• 2.1 紊动射流
• 2.1.1 紊动射流的基本性质
• 2.1.2 紊动射流的基本方程
• 2.1.3 紊流的半经验理论
• 2.2 平面紊动射流理论
• 2.2.1 平面紊动射流轴线速度衰减规律
• 2.2.2 平面紊动射流的流量沿程变化规律
• 2.2.3 平面紊动射流卷吸系数
• 2.3 附壁射流
• 2.3.1 射流的附壁现象
• 2.3.2 附壁点模型
• 2.4 机掘工作面旋流通风形成原理
• 2.5 旋流通风流场可捕集到的最大粉尘
• 2.6 本章小结
• 第三章 数值模拟的基本方法和理论
• 3.1 模型简化及网格生成
• 3.1.1 模型建立
• 3.1.2 网格生成
• 3.2 边值条件
• 3.2.1 边界条件
• 3.2.2 初始条件
• 3.3 湍流的控制方程
• 3.3.1 粘性流体数值模拟的基本方程
• 3.3.2 基本方程的通用形式
• 3.4 通用控制方程的离散方法
• 3.4.1 Taylor级数法
• 3.4.2 多项式拟合法
• 3.4.3 控制体积法
• 3.5 湍流的数值模拟方法
• 3.5.1 直接模拟
• 3.5.2 大涡模拟
• 3.5.3 Reynolds时均方程法
• 3.6 机掘工作面旋流通风的数值计算方法
• 3.6.1 Realizable k-ε湍流模型
• 3.6.2 近壁面的处理
• 3.6.3 SIMPLE算法
• 3.7 本章小结
• 第四章 机掘工作面旋流通风数值模拟及分析
• 4.1 物理模型的建立
• 4.1.1 物理模型
• 4.1.2 计算空间的离散
• 4.2 数学模型
• 4.2.1 假设条件
• 4.2.2 控制方程
• 4.2.3 边值条件
• 4.3 数值计算结果及分析
• 4.3.1 出风口送风速度的影响
• 4.3.2 送风口大小的影响
• 4.3.3 送风量的影响
• 4.3.4 吹吸流量比的影响
• 4.4 有害物扩散的数值模拟
• 4.4.1 机掘工作面粉尘扩散的数值模拟
• 4.4.2 瓦斯扩散的数值模拟
• 4.5 本章小结
• 第五章 机掘工作面旋流通风实验研究
• 5.1 实验目的
• 5.2 实验模型设计
• 5.2.1 实验模型的量纲分析
• 5.2.2 实验模型的制作
• 5.2.3 实验测量仪器
• 5.3 实验结果及分析
• 5.3.1 吹吸比的影响
• 5.3.2 两种不同送风方式的效果比较
• 5.3.3 条缝风口出口风速对旋流通风作用效果的影响
• 5.3.4 附壁风筒布设位置对旋流通风效果的影响
• 5.4 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者在攻读硕士学位期间的学术成果