CC BY
62
УДК 622.45
Б.П. Казаков, д-р техн. наук, зав. лаб., (3422)216-73-86, aero [email protected]
(Россия, Пермь, Горный институт УрО РАН),
A.B. Шалимов, канд. техн. наук, ст. науч. сотр., 8912-48-58-977, [email protected] (Россия, Пермь, Горный институт УрО РАН),
Е.Л. Гришин, аспирант (Россия, Пермь, Горный институт УрО РАН)
МОДЕЛИРОВАНИЕ НЕСТАЦИОНАРНЫХ ПРОЦЕССОВ ДВИЖЕНИЯ ВОЗДУХА И ПЕРЕНОСА ТЕПЛА И ПРИМЕСЕЙ ПО ВЫРАБОТКАМ РУДНИЧНЫХ ВЕНТИЛЯЦИОННЫХ СЕТЕЙ В ПРОГРАММНОМ КОМПЛЕКСЕ «АЭРОСЕТЬ»
Представлены метод и особенности численного моделирования нестационарных процессов в программном комплексе «АэроСетъ». Показано, что для расчёта медленных изменении параметров вентиляционного воздуха может использоваться метод контурных расходов в обычной стационарной форме. Проведена корректировка метода на предмет учёта инерционности воздуха применительно к описанию быстрых процессов. Разработана и реализована численно модификация метода контурных расходов, позволяющая производить расчёты воздухораспределения с учётом потерь депрессии на сопряжениях горных выработок. На основании результатов проведённых численных экспериментов проанализировано влияние различных тепловых и механических факторов на движение воздуха в наклонной выработке во время пожара.
Ключевые слова: воздухораспределение, теплообмен, естественная тяга, нестационарные процессы, тепловые депрессии, местные сопротивления, инерционность, реверсирование.
Любые изменения микроклиматических параметров в руднике обусловлены протеканием тех или иных физических процессов, носящих, как правило, нестационарный характер. Под действием различных факторов изменяются такие параметры воздуха, как температура, плотность, влажность, запылённость и загазованность. И даже, если источник изменения одного из параметров является стационарным, перенос его воздухом не является постоянным по причине влияния на параметр процессов теплообмена для тем -пературы, сжатия и расширения термического характера и под действием сил давления, испарения и конденденсации для влажности, осаждения для пыли и сорбции для газов. Таким образом, процессы переноса в большинстве случаев являются нестационарными, и моделируются соответствующим образом. Традиционно расходы воздуха при этом считаются заданными и неизменными, либо меняющимися известным образом, замеренными или полученными расчётным путём. Подобный подход к моделированию нестационарных процессов корректен в случаях, когда сами процессы переноса не влияют на воздухораспределение или влияют на него незначительно.
Перенос тепла по выработкам пространственной вентиляционной сети сопровождается возникновением тепловых депрессий в негоризон-
тальных выработках, которые, фактически, становятся переменными рассредоточенными источниками тяги, меняющими воздухораспределение. При медленных по сравнению со скоростью движения воздуха тепловых изменениях, например при моделировании естественной тяги или влияния на движение воздуха по выработкам тепловыделений от конвейерных приводов, может быть использован квазистационарный подход, при котором в каждый дискретный момент времени производится перерасчёт стационарного воздухораспределения с новыми значениями тепловых депрессий. Если же скорость и величина тепловыделений велики, то представление переменного воздухораспределения в виде последовательности стационарных состояний оказывается не совсем корректным по причине не учёта инерционности воздуха. Согласно результатам численных экспериментов сценарий движения воздушных потоков по выработкам в условиях меняющихся тепловых депрессий оказывается крайне чувствительным к некоторым физическим механизмам, проявление которых в обычном режиме стационарного воздухораспределения отсутствует, либо является несущественным. Исходной точкой в моделировании нестационарных процессов воздухораспределения в программном комплексе «АэроСеть» являлся метод контурных расходов (МКР) [1], имеющий надёжную и быструю сходимость при расчёте расходов воздуха в вентиляционных сетях с источниками тяги с известными и неизменными напорами.
На практике напор вентиляционной установки является функцией расхода, задаётся напорной характеристикой и является такой же неизвестной расчётной величиной, как и расход воздуха. Введение в расчёт известных напорных характеристики промышленных вентиляторов, а также смоделированных ранее характеристик эжекторных установок [2] несколько увеличило нелинейность системы вентиляционных уравнений, ухудшив при этом сходимость метода. Однако, как было установлено, сходимость метода восстанавливается при соответствующей его корректировке на предмет внесения изменений в исходные условия вентиляционной задачи.
Серьёзной доработке был подвергнут МКР при моделировании воздухораспределения с учётом сопротивлений сопряжений горных выработок [3]. При добавлении местных сопротивлений метод в своей первоначальной форме однозначно расходится. Влияние узловых сопротивлений на движение воздуха по выработкам тем значительнее, чем больше их сечение и чем больше количество сопряжений. Для нестационарных процессов наличие потерь давления на сопряжениях особенно заметно при расчёте устойчивости проветривания, связанной с опрокидыванием расходов.
Главным отличием способа решения вентиляционных задач в нестационарной постановке от его квазистационарного аналога является учёт инерционности воздуха. Если процесс изменения расхода воздуха идёт достаточно быстро, то значительная часть напора, вызывающего это изменение, тратится на торможение или разгон воздушной массы. При медлен-
ных изменениях расхода потери напора на инерцию оказываются малыми по сравнению с потерями на трение и могут не учитываться. Инерционная добавка в формулы 2-го закона сетей и соответствующая корректировка МКР позволила осуществить переход от квазистационарных методов моделирования к нестационарным.
Основными причинами возникновения переменного воздухораспределения в вентиляционной сети являются тепловые депрессии, величины которых также не являются постоянными и зависят от различных факторов, степень учёта детальности которых определяет точность моделирования. В программе «АэроСеть» реализованы следующие физические механизмы, ответственные за образование, величину и развитие тепловых депрессий:
теплообмен воздуха с горным массивом [4];
увеличение температуры горного массива с глубиной;
нагрев воздуха в результате его гидростатического сжатия в стволах
[5];
совершение работы силами давления при сжатии-расширении воздуха [5];
зависимость сопротивления выработок движению воздуха от его объёмного расхода [5].
В качестве демонстрационного примера на рис.1. приведены результаты расчёта изменений воздухораспределения на калийном руднике БКПРУ-4 после предполагаемого возникновения пожара в одной из наклонных выработок, по которой воздух изначально двигается вниз. По мере движения нагретого воздуха вниз вес столба воздуха в выработке уменьшается, что приводит к возникновению и увеличению тепловой депрессии, толкающей воздух вверх. В результате расход постепенно уменьшается, и происходит опрокидывание воздушной струи. Через некоторое время холодный воздух начинает возвращаться, тепловая депрессия уменьшается, и возвратное движение воздуха прекращается. Снова происходит реверсирование, и далее изменения идут аналогичным образом, совершая колебательные движения вблизи положения теплового равновесия. Пожар как бы локализует сам себя, что свойственно для высоких «куполообразных» мест возгорания, от которых основное движение воздуха происходит вниз. Разумеется, в других условиях сценарий движения воздуха может быть совершенно иным. Анализ влияния различных механизмов на движение воздуха показал, что в данной ситуации наиболее значимым оказывается непостоянство потерь депрессии по длине выработок - чем больше температура воздуха и меньше его плотность, тем больше объёмный расход и, соответственно, больше потери на трение. Влияние инерционности воздуха на его движение, как и предполагалось, тем заметнее, чем быстрее изменяется величина расхода.
Рис.1. Расчётныеграфики изменениярасхода воздуха в наклонной выработке после возникновения в ней пожара сучётом различныхмеханизмов:
1 - ни один из перечисленныхмеханизмов неучитывается;
2 - учитываются теплообмен воздуха с горным массивом
иувеличение температуры массива с глубиной (геотермическая ступень 30 м); 3 - добавлены механизм гидростатического сжатия воздухав стволах иработа сил давления; 4 - учтено непостоянство объёмногорасхода воздуха по длине выработок; 5 - учтена инерционность воздуха
Алгоритм численного решения нестационарной задачи распространения тепла и примесей в атмосфере горных выработок реализован в программе «АэроСеть» (рис.2) на основе модели идеального вытеснения [6] и позволяет в процессе расчёта вентиляционной задачи отслеживать изменения температуры воздуха и концентрации примесей в нём по длине всех выработок сети.
Файл Редактирование Вид Редакторы Расчет,,. Расчет количества воздуха Сервис Справка
_idi ¡».»-Ви’ОМВья^«
X: 86,4
’J пуск Я ^ О 4- ^ 53 Сессия 2010 51 АэроСеть Моделирование.,, ßj АэроСеть-Micro,., gg] AeroNet3D - 3-х м.,, EN 4}@\% 17:53
Рис.2. Графическийредактор вентиляционной сетирудника в программном комплексе «АэроСетъ»
Список литературы
1. Меренков А. П. Теория гидравлических цепей. М.: Наука. 1985.
С. 280.
2. Казаков Б.П., Шалимов A.B. Математическое моделирование работы эжекторных установок при проветривании подземных выработок// Горный журнал. №2. 2004. С. 39-44.
3. Казаков Б.П., Стукалов В.А. Моделирование аэродинамических сопротивлений сопряжений горных выработок// Горный журнал. №12. 2009. С.56-58.
4. Красноштейн А.Е., Казаков Б.П., Шалимов A.B. Моделирование процессов нестационарного теплообмена между рудничным воздухом и массивом горных пород// ФТПРПИ. №5. 2007. С. 77-85.
5. Казаков Б.П., Шалимов A.B. Термодинамические механизмы возникновения рудничных тепловых депрессий и их влияние на проветри-вание//Вестник горного института УрОРАН. №4. 2006. С. 35-37.
6. Красноштейн А.Е., Казаков Б.П., Шалимов A.B. Моделирование нестационарных процессов распространения газовых примесей по выра-
боткам рудника в условиях рециркуляционного проветривания// ФТПРПИ. №1. 2006. С. 95-101.
B. Kazakov, A. Shalimov, E. Grishin
Modeling moving air nonstationary processes and diffusion heat and admixtures on tunnels ventilation jets with using program complex “AeroNetwork”
The method and features of numerical modeling of non-stationary processes in a program complex "AeroNetwork" are presented. It is shown, that for calculation of slow changes of parameters of ventilating air the method of planimetric charges in the usual stationary form can be used. Updating of a method for the account inertness air with reference to the description offast processes is lead. Updating of a method of the planimetric charges is developed and realized numerically, allowing making calculations distribution of air streams in view of losses of depression on interfaces of mountain developments. On the basis of results of the lead numerical experiments influence of various thermal and mechanical factors on movement of air in inclined development during a fire is analyzed.
Key words: air-distribution, heat exchange, natural draft, nonstationary processes, heat pressure difference, form loss, inertance, reversal.
Получено 22.09.10
УДК 622.44:622.414
Н.М. Качурин, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, проректор по учебной работе, (4872) 33-22-70, [email protected] (Россия, Тула, ТулГУ),
М.Ю. Постникова, ассист., mary.18.02@таі1.ги (Россия, Пермь, ПермГТУ),
Д.В. Власов, аспирант, (4872) 33-22-70, [email protected] (Россия, Тула, ТулГУ)
РЕЛАКСАЦИЯ ДАВЛЕНИЯ ВОЗДУХА В ВЕНТИЛЯЦИОННОЙ СЕТИ РУДНИКА ПРИ РЕВЕРСИРОВАНИИ ВЕНТИЛЯТОРА ГЛАВНОГО ПРОВЕТРИВАНИЯ
Представлены результаты математического моделирования процесса релаксация давления воздуха в вентиляционной сети рудника при реверсировании вентилятора главного проветривания. Показано, что скорость изменения давления воздуха будет убывать пропорционально отношению разности давлений между конечным и текущим значением к периодурелаксации давления.
Ключевые слова: релаксация, давление воздуха, переходный процесс, рудник, шахтная вентиляционная сеть, математическая модель.
Экспериментальные наблюдения в натурных условиях показали, что реверсирование вентилятора главного проветривания (ВГП) приводит к резкому изменению давления воздуха в шахтной вентиляционной сети
