黄瀚仪，刘 剑，王 禹，王 东，张 昊
(1.辽宁工程技术大学 安全科学与工程学院，辽宁 葫芦岛 125105；
2.辽宁工程技术大学 矿山热动力灾害与防治教育部重点实验室，辽宁 葫芦岛 125105)
掘进巷道是独头巷道，不能利用贯穿风流通风，只能依靠局部通风设备将风流通过风筒送至工作面。由于巷道壁面及迎头有限空间限制，通过风筒射向迎头的风流会产生回流，流场状态十分复杂[1]。掘进巷道的风流分布规律取决于风筒出口风速、风筒尺寸及风筒位置等因素。由于流体的自模性，风速达到一定数值以上时流体的流动状态和流速分布不再发生变化，即在其他条件不变的情况下，风流分布规律主要由风筒距迎头距离决定。因此，针对风筒距迎头距离不同时的掘进巷道流场展开研究，掌握工作面风流分布规律，对防止粉尘和瓦斯的积聚，减少事故的发生具有重大意义。
掘进巷道的局部通风方式主要有压入式、抽出式及混合式。混合式通风是压入式和抽出式联合作用，并兼有它们的优点，通风效果显著，应用广泛[2]。目前关于掘进巷道流场的文献主要集中于压入式通风流场的研究[3-5]，而对于混合式通风流场的研究，多数学者只利用了数值模拟的方法。Geng等[6]、王开德等[7]通过CFD软件得出了不同参数下混合式通风的流场规律及除尘效果。Parra等[8]利用数值模拟的方法得到了压入式、抽出式和混合式3种通风方式的流场分布规律，并结合热线风速仪对模拟结果进行了验证。
由于数值模拟的方法往往会简化边界条件和材料属性，不能完全反映实际情况，所得到的结果也具有随机性，精度和可信度较低。因此，为准确地测量通风流场就必须通过实验加以研究，矿用的风速传感器多采用热球、涡街、超声波等感应原理，这些传感器都存在测试精度低，反应不灵敏等问题。若要实现风速的精确测量，则应考虑井下风流是湍流这个根本事实[9]。激光多普勒测速仪(LDA)以及粒子图像测速仪(PIV)的出现，对湍流流动的速度测量起到很大的推动作用。LDA是点测量方法，不能一次反映出流场的结构变化，而PIV实现了全流场的测量，能够直观地得到全场的瞬时流动信息[10]。国内学者刘剑等[11]、李雪冰等[12]、田瑞祥等[13]利用PIV得到了风窗巷道、突扩巷道、无风墙通风巷道等流场风流的湍流特性和结构分布特征，证实了PIV用于通风流场精确测量的合理性。
本文根据相似理论建立相似比为15∶1的掘进巷道实验模型，利用PIV对混合式-前压后抽式通风流场进行测量，得到压、抽风筒距迎头不同距离时的流场变化情况，可为今后的掘进通风流场的研究提供可靠的实验依据。
1.1 流动相似原理
在进行模型实验的过程中，首先要满足模型和实物的几何相似，再使模型与实物的相似准则相等，即可满足2个同类流体的流动相似[14]。
对于矿井风流的流动，起主要作用的只有黏性力、压力与惯性，故可忽略其他作用力，只考虑雷诺准则或欧拉准则。但进行模型实验的过程中，很难在实验室的条件下实现模型与实物的雷诺数Re相等，而前人在研究中发现流体的流动中存在着“自模区”，这一现象的发现为模型实验带来了极大的方便。
当流体Re小于第1临界值时，流体处于层流区，此时的流速分布和流动状态均不受Re影响，且彼此相似，这种现象的出现称为流体的“自模性”，通常称该区域为“第一自模区”。当Re大于第1临界值时，流体由层流向湍流转变，处于不稳定的过渡区，此时流速分布和流动状态会随着Re的增大而发生变化。当Re继续增大超过第2临界值时，此时的流体均处于湍流区，流动状态和流速分布再次出现了不再变化且彼此相似的现象，此时流体所处区域常称为“第二自模区”。当实物处于某一自模区时，保证模型也处于这一自模区，即使不需要满足Re相等，通过模型实验所得到的结果也可以应用到实物中。一般实际流动多为湍流流动，其Re可能远大于第2临界值。因此，进行模型实验时，只要保证模型的Re大于第2临界值，使其处于“第二自模区”，即可不必使模型与实物Re保持相等。
实验表明，当流体流动进入“第二自模区”后，此时的欧拉数Eu不再发生变化。因此在实验中，当Eu随Re的增加不再变化时，此时的Re值为流动进入“第二自模区”的标志。
1.2 临界风速的确定
以某矿井掘进工作面实际尺寸为研究背景，该工作面宽为4.5 m，高为3 m，压、抽风筒直径均为1 m。本文实验PIV系统最佳拍摄范围约0.45 m×0.5 m(长×宽)，从而确定实验模型比例为15∶1，模型尺寸为1.5 m×0.3 m×0.2 m(长×宽×高)，风筒直径0.066 m。由于实际测量不易操作、成本较高，且受干扰较大。本文利用Fluent软件来确定实验模型进入“第二自模区”的临界雷诺数，分别建立100 m×4.5 m×3 m(长×宽×高)，风筒直径1 m的实际巷道与相似比为15∶1的模型巷道。掘进巷道示意如图1所示，通风方式采用前压后抽式，实际巷道和实际风筒分别设置壁面粗糙高度为0.05和0.01 m，模型巷道和模型风筒壁面设置为光滑。在压力、温度保持一定的条件下，根据模拟结果计算得出巷道和风筒内的Re和Eu，绘制曲线，确定出巷道和风筒进入“第二自模区”的临界雷诺数。
图1 掘进巷道示意Fig.1 Schematic diagram of excavation roadway
根据模拟结果，分别对巷道和风筒内流体进行分析，利用式(1)、式(2)计算Re和Eu，得出Eu随着Re增加的变化规律，如图2～3所示。
图2 巷道内流体Eu与Re的关系Fig.2 Relationship between Eu and Re of fluid in roadway
(1)
式中：V为流体的平均速度，m/s；
S为巷道的断面积，m2；
U为巷道的周界，m；
ν为流体的运动黏性系数，取矿井风流一般用值14.4×10-6m2/s。
(2)
式中：ΔP为巷道内2点的压差，Pa；
ρ为流体的密度，取1.29 kg/m3；
V为流体的平均速度，m/s。
由图2和图3可以看出，在实际巷道中，实际巷道内流体进入“第二自模区”的临界雷诺数为2×104，实际风筒的临界雷诺数为1.5×105，即巷道内风速大于0.08 m/s，风筒内风速大于2.16 m/s时，Eu与Re无关，即流体进入“第二自模区”。一般情况下，实际掘进巷道内风速大于0.08 m/s，同时风筒内风速也大于2.16 m/s，因此，可以确定实际巷道内流体处于“第二自模区”。
图3 风筒内流体Eu与Re的关系Fig.3 Relationship between Eu and Re of fluid in air duct
在模型巷道内，模型巷道的临界雷诺数为1.1×104，模型风筒的临界雷诺数为2×104，即满足模型巷道内风速大于0.66 m/s的同时，保证风筒内风速大于4.36 m/s，即可保证模型巷道和风筒内流体均处于“第二自模区”，满足与实际巷道流动相似的条件。
2.1 PIV原理及系统组成
PIV测速是1种瞬态流动速度场测速技术[15]，其工作原理是将一定量的示踪粒子布撒在所测流场中，利用粒子运动速度来表示出粒子所在位置的流场速度。根据2次曝光时间间隔下的示踪粒子移动距离，对所有点进行计算和统计平均，从而得到整个流场的流动状态。
PIV系统的硬件系统主要有成像系统、显示分析系统和同步控制系统，软件系统为Dynamic Studio软件，如图4所示。
图4 PIV系统组成Fig.4 Composition of PIV system
2.2 实验参数及装置
根据模拟结果，设定本文实验模型的压风筒风速6 m/s，抽风筒风速18 m/s，巷道内风速为0.68 m/s，使其流动进入“第二自模区”，满足流动相似。对前压后抽式通风流场进行二维测量，分别改变压、抽风筒距巷道迎头距离(如图5，S为巷道模型断面面积)，探究风筒位置对流场分布规律的影响。
图5 风筒位置示意Fig.5 Schematic diagram of air duct position
实验模型选用高透光性、低折射率的光滑亚克力板作为制作材料，如图6所示。实验装置主要由PIV系统、实验模型及通风动力装置组成，如图7所示。
图6 实验模型示意Fig.6 Schematic diagram of experimental model
图7 实验装置示意Fig.7 Schematic diagram of experimental apparatus
2.3 实验过程
瞬时流场图片的采集和分析均在Dynamic Studio软件操作平台上处理。首先进行二维标定，之后在软件操作平台上输入跨帧时间、采集频率及拍摄数量，点击Preview进行预览调试。本次实验Laser1和Laser2的激光强度均设置为10，可清晰看到拍摄区域的示踪粒子。跨帧时间经式(3)计算和反复测试确定为1 000 μs。实验频率设置为5 Hz，即每0.2 s拍摄2帧图像。调整合适后点击Stop，准备开始实验数据的采集。
(3)
式中：Δt为跨帧时间，μs；
Δx为判读区距离的25%，pixel；
M为每个像素的实际距离，μm/pixel；
V为判读区中心平均风速，m/s。
采集拍摄后，利用软件中Image Stitch功能将测试所得到2组图像进行拼接，分析得到100张瞬态流场矢量图后，经Vector Statistics功能对瞬态图像进行统计平均，得到1张时均流场矢量图。实验所得的瞬态图像和时均图像利用Tecplot软件进行分析处理，即可得到瞬态和时均的流场速度分布。
3.1 抽风筒位置对流场的影响
由图8(a)可看出，风流以射流的形式从压风筒出口流出，此时压风筒距迎头的距离在压风流的有效射程之内，可吹散迎头端面的瓦斯和粉尘。风流触碰到迎头端面之后贴附壁面流动，由于压风筒与巷道壁面存在间距，迎头的隅角处出现了1个小涡流，大部分风流沿着迎头端面流动形成冲击射流附壁区。在回风侧，回流区的小部分风流被卷吸到射流区，在距迎头约50 mm处形成一处涡流区。大部分回流向巷道后方流动，经抽风筒流出工作面。由于抽风筒抽出的风量大于压风筒压入的风量，致使巷道末端的风流向抽风筒入口流动，与回流区的风流共同作用下，在抽风筒入口附近形成了1道风幕，避免了瓦斯和粉尘流向巷道。
图8 抽风筒入口距迎头不同距离流线Fig.8 Flow lines under different distances between inlet of pumping air duct and head
3.2 压风筒位置对流场的影响
图9 压风筒出口距迎头不同距离流线Fig.9 Flow lines under different distances between outlet of pressing air duct and head
1)进行实验时，保证实验模型内流体的雷诺数大于第2临界值，使其流动进入“第二自模区”，满足与实际流动相似的条件，结合非接触式测量技术PIV，所得实验结果可以相似地反映出实际巷道流场特征。
