礦井定常湍流脈動對通風阻力測試影響的理論分析*（安全）
相關(guān)鏈接： 中國安全網(wǎng) 中國質(zhì)量網(wǎng) 中國論文網(wǎng) 中國資訊網(wǎng)
礦井定常湍流脈動對通風阻力測試影響的理論分析*（安全）
劉 劍1,2，李雪冰1,2，陳廷凱1,2，宋 瑩1,2，趙春雙1,2
（1．遼寧工程技術(shù)大學，安全科學與工程學院，遼寧阜新123000，2．礦山熱動力災(zāi)害與防治教育部重點實驗室，遼寧阜新123000）
摘要：受湍流脈動影響，礦井通風阻力測試結(jié)果的數(shù)值波動是不可避免的。為探究湍流脈動對通風阻力測試的影響程度，以壓差計測阻法為例進行理論分析。根據(jù)阻力測定原理和能量方程，在定常圓管流動條件下，導(dǎo)出湍流脈動影響下傾斜壓差計測量示值波動范圍的計算表達式；理論分析測試巷道的斷面尺寸和風速大小對數(shù)值波動幅度和測試精度的影響。結(jié)果表明，壓差計示值的波動幅度與當?shù)赝牧鲝姸燃帮L速的平方成正比；巷道風速的量級是壓能波動的主導(dǎo)因素，測試風速越大，液面數(shù)值漲落幅度越大，波動現(xiàn)象越明顯；而數(shù)值波動幅度大不等同于測試精度低，小斷面大風速巷道中易獲得滿意的測試精度而大斷面巷道中無論風速高低均不易獲得較高測試精度。為減小湍流脈動造成的通風阻力測試的隨機誤差，需在短時間內(nèi)進行多次測試取統(tǒng)計平均結(jié)果，這在大斷面巷道的阻力測試中尤為重要。
關(guān)鍵詞：安全；湍流脈動；通風阻力測試；壓能波動；測試精度
中圖分類號：X936 doi: 10. 11731/j．issn．1673-193x. 2016. 05.004
0 引言
礦井通風阻力測定工作是通風技術(shù)管理的重要內(nèi)容之一，測試精度直接影響通風系統(tǒng)的設(shè)計、管理和優(yōu)化改造。近年來，一些文獻報道中已指出諸多影響阻力測試的因素并在改進測試方法和數(shù)據(jù)處理等方面做出了許多嘗試和研究。礦井通風阻力測定多年的現(xiàn)場實踐中發(fā)現(xiàn)，常用的測試手段無論是氣壓計法還是壓差計法，在讀取結(jié)果時總是存在或大或小的數(shù)值
波動，這可能是由于風門開啟、爆破氣流、機車運輸?shù)葘植匡L流產(chǎn)生的瞬時擾動所致，但避開這些影響因素，即使在實驗環(huán)境中這種波動現(xiàn)象依然存在，找出引起數(shù)值波動的潛在因素并做深入分析是十分必要的。本文從礦井風流的湍流特性出發(fā)，揭示了阻力測試數(shù)值波動
存在的機理，理論推導(dǎo)了定常管流中波動幅度的計算表達式并對影響波動幅度的因素展開系列討論。這項工作對改善測試方法提高通風參數(shù)的測試精度具有重要意義。
1 定常管流壓能波動的理論分析
根據(jù)Reynolds圓管流動狀態(tài)實驗的結(jié)論可知，并巷風流多數(shù)呈湍流態(tài)。湍流具有脈動特性，致使流體質(zhì)點在時間和空間上都表現(xiàn)出的變化劇烈的隨機運動，因此要準確描述和測試每一瞬時、每一空間點上的流動物理量是極為困難的，而阻力測試的核心內(nèi)容是對空間點壓能的測量，湍流脈動會導(dǎo)致點壓能的隨機漲落，因而會觀測到測試結(jié)果出現(xiàn)隨機波動的現(xiàn)象。例如，傾斜壓差計法測試井巷風阻時，靜壓管管孔（皮托管靜壓孔）所感知的是當?shù)攸c壓能信息，因此靜壓管傳遞的是總流斷面上某一元流的壓能的變化量，而湍流脈動會導(dǎo)致起末兩點壓能隨機漲落，這一信息傳遞至傾斜壓差計，使液面表現(xiàn)不穩(wěn)定的上下波動。以下從傾斜壓差計阻力測試原理出發(fā)，推導(dǎo)定常湍流中這一波動范圍的計算表達式并結(jié)合實際分析其影響因素。
無外部擾動影響時，巷道風流可簡單視為定常管流流動，利用傾斜壓差計法測算巷道兩斷面間通風阻力時：
根據(jù)流體力學理論，對于巷道總流斷面上任一測點的瞬時風速，其雷諾分解形式為：
動范圍與湍流脈動LDA實驗的觀測結(jié)果相吻合。
2壓能波動范圍的影響因素分析
以上推導(dǎo)過程是將湍流脈動視為隨時間變化的連續(xù)函數(shù)，而在實驗室或現(xiàn)場測試中，測試工具的時間分辨率遠低于湍流脈動的時間尺度，測試數(shù)值波動的宏觀表象是湍流脈動在某一時間段內(nèi)的綜合疊加反應(yīng)，這種宏觀波動的尺度或范圍是工程應(yīng)用中較為關(guān)心的結(jié)果，以下討論中忽略壓能隨湍流脈動變化的微觀過程，重點分析壓能波動幅度及其主導(dǎo)因素。
2.1 巷道斷面和流速的影響
根據(jù)上文的推導(dǎo)結(jié)果，壓能波動范圍的幅度主要受湍流度和流速影響，對于理想均直巷道，湍流度的計算
由圖2和式(8)可以看出，當巷道斷面尺寸不變時，壓能波動幅值是風流流速的二次函數(shù)，隨風速增大，波動幅值顯著增加；當流速相等時，對斷面大小不同的巷道，壓能波動幅值隨斷面尺寸減小微有增加，但這種響應(yīng)極不敏感。因此，巷道風速是影響壓能波動幅度的主導(dǎo)因素，風速越高，壓能波動幅值越大，阻力測試中數(shù)值波動現(xiàn)象愈加明顯，等風速測試條件下，小斷面巷道中測試數(shù)值的波動幅度略高于大斷面巷道。
2.2湍流脈動對阻力測試精度的影響
測試精度是指測試結(jié)果相對于被測試真值的偏離程度，可以用最大誤差占真實值的百分比（即相對誤差）來表征。湍流脈動引起的阻力測試結(jié)果的波動幅值反應(yīng)了測試值與真值的最大偏離程度，可以視為最大測試誤差。因此，湍流脈動影響下，阻力測試精度可表示為：
為分析不同風速和巷道尺寸條件下，湍流脈動對阻力測試精度的影響，現(xiàn)給定摩擦阻力系數(shù)a=3. 92×10-3（混凝土砌碹巷道），巷道長度L=100 m，其余參數(shù)與本文2.1節(jié)選取一致，繪制出不同巷道斷面尺寸下，阻力測試相對誤差與風速間的關(guān)系曲線如圖3所示。
由圖3可以看出，巷道斷面尺寸一定時，阻力測試相對誤差隨風速的增大逐漸降低，且隨著風速增大，下降速率趨于平緩，相對誤差的變化區(qū)間跨度較��；當風速一定時，阻力測試相對誤差隨巷道斷面尺寸增大顯著增加，巷道斷面尺寸決定了相對誤差的大小等級。因此
在幾何尺寸相同的巷道中測試時，風速越大，獲得的阻力測試結(jié)果精度越高；在測試儀器有足夠高的分辨率時，小斷面高風速巷道的測試精度受湍流脈動影響小，而測試大斷面巷道通風阻力時，無論風速高低，均難以獲得滿意的測試精度。
3 結(jié)論
1)礦井湍流脈動會引起壓能波動，使阻力測試時不可避免地產(chǎn)生或大或小的數(shù)值波動，波動幅度受巷道風速和湍流度的影響。在均直巷道中忽略空氣熱力學效應(yīng)時，影響因素可以簡化為巷道風速和斷面尺寸，其中巷道風速是主導(dǎo)因素，風速越大波動現(xiàn)象越明顯。
2)湍流脈動會增加阻力測試誤差，影響測試精度。小斷面低風速巷道的測試精度受湍流脈動影響��；測試大斷面巷道通風阻力時，無論風速高低均難以獲得滿意的測試精度。
3)測試數(shù)值波動幅度大不意味著測試結(jié)果精度低，小斷面高風速巷道測試時，數(shù)值波動現(xiàn)象明顯但比較容易獲得滿意的測試精度。
4)定常湍流具有時間統(tǒng)計平均特性，阻力測試中的數(shù)值波動與湍流脈動規(guī)律都是圍繞一個平均值起伏漲落，測試時可讀取一段時間內(nèi)多個數(shù)據(jù)并求平均來代替瞬時值，這樣可以減小湍流脈動引起的測試誤差。
5)本文在假設(shè)巷道流動為定常均勻管流條件下引用數(shù)值模擬的經(jīng)驗公式計算湍流度從而展開理論分析，而實際巷道中邊壁條件變化各異，再加上內(nèi)部阻礙物的影響和破壞，湍流發(fā)展和演變過程非常復(fù)雜，湍流度的描述需要在大量實驗中總結(jié)。依靠PIV和LDA等流場測試實驗手段全面認識和研究礦井湍流規(guī)律是下一步的工作內(nèi)容。
