独头巷道射流通风流场CFD模拟研究

第１　３卷第１期　２　０　０　３年１月　中　国　Ｃｈｉｎａ　安　全　Ｓａｆｅｔｙ　科　学　Ｓｃｉｅｎｃｅ　学　报　

Ｊｏｕｒｎａｌ　ＶＯ１．１　３　ＮＯ．１　Ｊａｎ．２　０　０　３　

独头巷道射流通风流场ＣＦＤ模拟研究　王海桥教授　施式亮　刘荣华　刘河清　（湘潭工学院）　

学科分类与代码：６２０．３０５０　基金项目：国家自然科学基金资助项目（基金号：５９９７４０２２）：　湖南省教育厅科研项目（项目号：００Ｃ２１１）。　【摘　要】　独头巷道压入式通风是有限空间的受限贴附射流。独头巷道通风风流流场是通风理论和通风设　计的基础。笔者根据流体动力学和射流理论，建立了独头巷道压入式受限贴附射流通风的紊流ｋ一￡数学模型，分析　了计算边界条件，并应用计算流体动力学（ＣＦＤ）的方法模拟了独头巷道射流通风流场，从理论上得出了独头巷道有　限空间受限贴附射流通风的规律，为研究独头巷道合理并有效通风提供了新的理论依据。　【关键词】　射流通风　计算流体动力学（ＣＦＤ）ｋ一￡模型　流场　数值模拟　

ＣＦＤ　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　Ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　Ｊｅｔ　Ｖｅｎｔｉｌａｔｉｏｎ　Ｆｌｏｗ　Ｆｉｅｌｄ　ｉｎ　Ｈｅａｄｉｎｇ　Ｆａｃｅ　

Ｗａｎｇ　Ｈａｉｑｉａｏ，Ｐｒｏｆ．　Ｓｈｉ　Ｓｈｉｌｉａｎｇ　Ｌｉｕ　Ｒｏｎｇｈｕａ　Ｌｉｕ　Ｈｅｑｉｎｇ　（Ｘｉａｎｇｔａｎ　Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｐｒｅｓｓｅｄ　ｖｅｎｔｉｌａｔｉｏｎ　ｉｎ　ｈｅａｄｉｎｇ　ｆａｃｅ　ｉｓ　ａｃｔｕａｌｌｙ　ｔｈｅ　ｒｅｓｔｒａｉｎｅｄ　ｗａｌｌ—ａｔｔａｃｈｅｄ　ｊｅｔ　ｖｅｎｔｉｌａｔｉｏｎ　ｉｎ　ａ　ｃｏｎｆｉｎｅｄ　ｓｐａｃｅ．　Ｔｈｅ　ａｉｒｆｌｏｗ　ｆｉｅｌｄ　ｏｆ　ｖｅｎｔｉｌａｔｉｏｎ　ｉｎ　ｈｅａｄｉｎｇ　ｆａｃｅ　ｉｓ　ｔｈｅ　ｂａｓｉｓ　ｏｆ　ｖｅｎｔｉｌａｔｉｏｎ　ｔｈｅｏｒｙ　ａｎｄ　ｄｅｓｉｇｎ．Ｒｅｆｅｒｒｉｎｇ　ｔＯ　ｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃ　ａｎｄ　ｊｅｔ　ｔｈｅｏｒｙ，ｔｈｅ　ｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅ　ｋ一￣ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｒｅｓｔｒａｉｎｅｄ　ｗａｌｌ—ａｔｔａｃｈｅｄ　ｊｅｔ　ｖｅｎｔｉｌａｔｉｏｎ　ｉｎ　ｈ（ｈｄｉｎｇ　ｆａｃｅ　ｉｓ　ｓｅｔ　ｕｐ，ａｎｄ　ｃａｌｃｕｌａ—　ｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｂｏｕｎｄａｒｙ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ　ｉｓ　ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｂｙ　ｔｈｅ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ　ｆｌｕｉｄ　ｄｙｎａｍｉｃｓ（ＣＦＤ），ｔｈｅ　ｖｅｎｔｉｌａｔｉｏｎ　ｆｌｏｗ　ｆｉｅｌｄ　ｉｓ　ｓｉｍｕｌａｔｅｄ．Ｔｈｅ　ｆｌｏｗ　ｒｅｇｕｌａｒｉｔｙ　ｏｆ　ｒｅｓｔｒａｉｎｅｄ　ｗａｌＩ＿ａｔｔａｃｈｅｄ　ｊｅｔ　ｖｅｎｔｉｌａｔｉｏｎ　ｉｎ　ｈｅａｄｉｎｇ　ｆａｃｅ　ｉｓ　ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｌｙ　ｏｂｔａｉｎｅｄ，ｗｈｉｃｈ　ｐｒｏｖｉｄｅｓ　ｔｈｅ　ｎｅｗ　ｃｒｉｔｅｒｉａ　ｆｏｒ　ｒａｔｉｏｎａｌ　ａｎｄ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ　ｖｅｎｔｉｌａｔｉｏｎ　ｉｎ　ｈｅａｄｉｎｇ　ｆａｃｅ．　Ｋｅｙ　ＷＯｒｄｓ：　Ｊｅｔ　ｖｅｎｔｉｈｉｏｎ　Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ　ｆｌｕｉｄ　ｄｙｎａｍｉｃｓ（ＣＦＤ）　ｋ一￡Ｍｏｄｅｌ　Ｆｌｏｗ　ｆｉｅｌｄ　Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　

１　前　言　空气从圆形风筒出口射入同一介质的空间所形成的气　流，称为空气射流。空气射流是由于风机的作用而形成的，因　此，又称为受迫射流。根据空间界壁对射流扩展的影响不同，　可分为自由射流、受限射流和半受限射流。空气射流在流动　过程中不受壁面限制的称为自由射流，受到限制的称为受限　射流。当射流流速较大时呈紊流状态，称之为紊流射流【ｌ　Ｊ。　独头巷道的压入式通风风筒一般布置在掘进巷道的一　侧，沿巷道侧壁形成贴附射流。风流从风筒出口射出后，起始　按自由射流规律发展，到达独头巷道迎头后，形成迎头冲击贴　附射流。但由于受独头巷道局限空间的限制和风流的连续　性，不久便出现了与射流方向相反的流动。因此，独头巷道射　流通风风流结构可分为附壁射流区、冲击射流附壁区与回流　区。射流区的气流一部分是从圆形风筒射出，同时卷吸一部　分回流区的气流；冲击附壁区的气流是气流到迎头折返；回流　区的气流一部分被射流卷吸，一部分沿掘进巷道排出。因此　独头巷道压入式通风实际上是有限空间的受限贴附射流【５　Ｊ。　２计算模型　２．１　物理模型　压入式通风的风筒一般布置在独头巷道的侧壁，风筒出　口的位置一般在巷道侧壁的中部，与迎头保证一定的最小距　离。根据文献［２］，一般风筒出口距独头巷道迎头的最大距离　为４√ｓ～５√ｓ，其中，ｓ为巷道断面积。因此，根据现场实际　情况，同时为了便于分析，将计算模型简化为３　ｍｘ　３　ｍ的矩形　断面，风筒出口距独头巷道迎头的距离为Ｌ，风筒出风口　直径为ｄ的物理模型（见图１）。图１（ａ）为平面图，（ｂ）为断面　图，虚线框为模型计算域。　

２．２数学模型　２．２．１假设条件　数学模型的假设条件如下：　（１）通风气流可视为不可压缩流体，可忽略由流体粘性　力做功所引起的耗散热，同时假定壁面绝热、等温通风。　（２）假定流场具有高紊流Ｒｅｙｎｏｌｄｓ数，这时流体的紊流　粘性具有各向同性，紊流粘性系数可作为标量处理。　

维普资讯　ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｃｑｖｉｐ．ｃｏｍ　第一期　王海桥等：独头巷道射流通风流场ＣＦＤ模拟研究　・　６９　・　（３）流动为稳态紊流，满足Ｂｏｕｓｓｉｎｅｓｑ假设。　ｌ　ｔ　ｆ　，　ｔ　一　蒌　、　

＜　一　（ａ１　图ｌ独头巷道压入式通风物理模型　

２．２．２数学模型　在２．２．１中假设的基础上，独头巷道通风可用紊流流动　数学模型的各时均控制方程描述，以张量形式表示如下：　（１）连续性方程：　

＝ｏ　＝１＇２Ｉ３　（１）　（２）动量方程（Ｎ—Ｓ方程）：　壶（　）一杀（户＋　）＋　

壶［ｃ　＋　（　＋Ｏ　ａｃｉ）］　ｃｚ，　（３）紊流流动能量方程：　壶ｃ　Ｔ，一麦［（　＋　）　］＋　＝１，２，３　

（３）　（４）紊流脉动动能方程（ｋ方程）：　

Ｏ＠ｉｉ（ｐｖｉｋ，一壶（　妻）＋Ｇ一．ｏｃ　ｚ＇３（　，　

（５）紊流脉动动能耗散率方程（ｅ方程）：　ｃ　＝一丢（　塞）＋（ｅｌＧ—ｃｚ．ｏｃ，　

ｉ＝１，２，３　（５）　其中：Ｇ——紊流脉动动能产生项，　

Ｇ＝　，（　＋　）瑟　＝１，２，３　

，——紊流粘性系数，　：　式中，Ｃ１，Ｃ２，Ｃ　，　，　，　，——经验常数，其取值见文献［３，４］；　——空气定压比热，Ｍ／（ｋｇ・Ｋ）；　

——紊流动能，ｍ　／ｓ　；　ｅ——紊流动能耗散率，ｍ　／ｓ　；　Ｐ——时均压力，Ｐａ；　Ｐ，——充分紊流时的普朗特数；　ｑ——热流密度，Ｗ／ｍ　；　Ｔ——流体温度，Ｋ；　Ｗｉ——速度分量（Ｘ方向时：ｉ＝１，Ｙ方向时：ｉ＝２，　Ｚ方向时：ｉ＝３），ｍ／ｓ；　

１．　：　－ｌ　（ｂ）　层流动力粘性系数，Ｐａ・ｓ；　紊流动力粘性系数，Ｐａ・ｓ；　ｐ——流体密度，ｋｇ／ｍ　。　模型的实质是利用紊流二阶相关量的输运方程，用“梯度　模拟假定”进行模拟，导出紊流动能和紊流动能耗散率的两个　微分方程，给紊流时均流的方程组提供补充方程，使之成为数　学上的封闭方程组。　２．２．３边界条件　根据模拟的实体条件，以压人式送风风筒出ＶＩ为模型的　入ＶＩ边界；以送风风筒出ＶＩ处的巷道断面为出ＶＩ边界，风筒出　ＶＩ流速为Ｖ０，速度均匀，ｖ０根据送风量和风筒出ＶＩ断面确定。　因此，模型的边界条件可描述如下：　（１）入ＶＩ边界：口１＝口０，　２＝０，　３＝０，紊流动能　

．　：　，

紊流动能耗散率Ｅｉｎ：　，根据文献［４］，　

厶ｔｘｔ　

Ｃ％通常取０．００５～０．０１５。　

（２）出ＶＩ边界：　＝０，Ｐ＝Ｐ　，取相对压力Ｐ＝０，Ｋ，ｅ　自由滑动。　（３）壁面边界：所有壁面上施加无滑动边界条件，即　Ｖｉ＝０；壁面以绝热对待；垂直于壁面的压力梯度为０。　

３网格划分与数值计算　针对上述模型，在笛卡儿坐标系下划分计算网格，将定解　域划分为四节点四边形网格。设风筒出ＶＩ距迎头的距离（即　计算域长度）为Ｌ，宽度为Ｂ，高度为Ｈ，其计算域网格密度　为：长度方向为Ｌ／０．２，宽度方向为Ｂ／Ｏ．１２５，高度方向为　Ｈ／０．１２５。采用映射网格划分生成有限元网格。　采用有限单元法和交错网格对控制方程进行离散，应用　ＦＬＯＴＲＯＮ流体分析软件求解离散控制方程：　（１）巷道壁面按绝热条件进行计算；　（２）对流项采用迎风差分格式，将扩散项与对流项的影　响系数分离出来，使方程绝对稳定；　（３）把相邻节点的影响系数表示为对流分量与扩散分量　之和，将对流部分归并入源项；　（４）对速度和压力项的求解采用三对角矩阵法　（ＴＤＭＡ，Ｔｒｉｐｌｅ　Ｄｉａｇｏｎａｌ　Ｍａｔｒｉｘ　Ａｎａｌｙｓｉｓ），推进步数取１００。以　使各项迭代收敛。　

下　。．　引　

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２００３正　

４计算结果与流场分析　根据独头巷道压入式通风的特点，随着巷道的推进，风筒　出口到迎头的距离是不断变化的，因此，对风筒出口直径　ｄ为０．５　ｍ，出口风速口０为１２ｍ／ｓ，风筒位置位于巷道侧壁中　

部，计算域内风筒出口到迎头的距离Ｌ分别为８　ｍ、１０ｍ和　１７ｍ进行了数值模拟计算，获得了较理想的结果。图２为风　筒出口距迎头为８　ｒｎ时风筒中心水平平面的流场；图３为风筒　出口距迎头为１０　ｍ时风筒中心水平平面的流场；图４为风筒　出口距迎头为１７ｍ时风筒中心水平平面的流场；图５为风筒　出口距迎头为１０　ｍ时风筒中心立面的流场。　

图２　口０＝１２ｍ／ｓ，Ｌ＝８ｍ时风筒中心水平面流场　图３　口０＝１２　ｍ／ｓ，Ｌ＝１０　ｍ时风筒中心水平面流场　图４　口０＝１２　ｍ／ｓ，Ｌ＝１７　ｍ时风筒中心水平面流场　图５　口０＝１２ｍ／ｓ，Ｌ＝１０ｍ时风简中心立面流场　根据文献［２，９］的分析，在射流运动过程中，射流不断卷　吸周围的空气，射流范围扩大，但由于空间受限和回流的影　响，射流范围的扩展受到一定的限制，射流不再卷吸周围的空　

气，而是向外析出空气。图２、图３的数值计算结果明显地表　

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