巷道风流湍动特性及平均风速单点测试实验研究

摘要

风量是矿井通风最重要的基础参数。实时准确的掌握矿井全局的风量分布情况，可以及时察觉系统存在的安全隐患，制定相应的对策措施，从而降低隐患向事故转化的几率。矿井风量在线监测技术是实时掌握井下风量分布的重要途径，其工作形式是利用巷道内悬挂的传感器采集当地风速，再根据巷道断面尺寸计算出风量。然而这一方式获得的风量精度普遍偏低，其原因为两方面:其一是风速传感器只能监测固定一点的数据，并不能代表整个巷道的平均风速;其二是风速传感器的监测示值始终处于随机波动的“测不准”状态，无法提供测点精准的风速值。该问题总结起来就是如何准确测量巷道内一点风速，并将其转换为所在断面的平均风速，即巷道平均风速的单点测试问题。本文从巷道风流自身的湍动特性出发，综合采用理论分析、室内实验、现场试验相结合的方法，对巷道平均风速的单点精准测量方法展开了系列研究，这项工作对提高矿井风量在线监测精度具有重要的理论意义和实用价值。
　　为了证实湍流随机脉动诱发“测不准”现象的猜想，设计制作了无外部扰动的均直巷道实验模型，利用激光多普勒测速仪、皮托管-微压计对巷道模型内的风速风压进行了测量。结果发现风速和风压仍然存在剧烈的不规则波动，最大波动幅度达30％，其时间序列服从正态分布并具有规则的统计平均结果。进而提出“测不准”现象是绝对存在而并非单纯由外部扰动决定的，湍流随机脉动是矿井通风参数“测不准”的本质原因。结合湍流统计理论对巷道风速的精细化测量方法进行了研究。建立了单点时均风速和巷道平均风速的统计测量数学模型。提出单点风速时均化原则为瞬时风速采样时间尺度大于湍流各态遍历时间尺度。基于抽样原理对单点风速时均化方法进行了研究。提出单点风速时均化过程属于简单随机抽样中的重复抽样，时均风速采样单位数即样本容量。建立了时均风速采样单位数与湍流强度、误差以及置信度之间的关系表达式。采用流体力学理论和激光多普勒测速实验对单点时均风速与巷道平均风速之间的转换机制进行了研究。结果表明:单点时均风速与所在断面的平均风速理论上为非线性关系，但在井下常见风速范围内，可以简化为正比关系，比例系数可以做为点风速与平均风速之间的转换系数，该系数的空间分布反映了断面无量纲速度场结构。基于此，提出了速度场结构近似恒定原理，即平均风速变化时，其断面的无量纲速度场结构近似不变。根据巷道风速统计测量方法，给出了速度场结构系数的标定步骤。实际中只需进行一次速度场结构的标定即可利用任一点时均风速转换出所在断面的平均风速。对巷道湍流强度的分布规律及湍动产生的机理进行了研究。结果表明:湍流充分发展的均直巷道内，湍流强度沿巷道中垂线的分布呈“反抛物线型”，在巷道中心处最小，随着远离巷道中心，湍流强度逐渐增大，在近壁区达到最大。湍动可以简单认为是由流层之间的剪切失稳形成的，速度梯度越大，流层之间的剪切作用越强，湍流强度越高，“测不准”现象也越显著。因此在进行传感器布置时，不仅要选择在风速分布相对规则的断面，而且还要了解这一断面上速度梯度的分布情况。
　　湍流随机脉动会导致监测示值波动失准。实验结果显示，当湍流强度分别为4％、6.8％、9.8％时，瞬时风速与平均风速的误差不超过5％的概率分别为79.6％、58.4％和38.2％。实际井下湍动较此更为显著，因此巷道风速的精准测量必须以统计测量方法为基础。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 选题背景及研究意义

1．2 矿井风量测试技术研究进展

1．2．1 矿井风量传统测试技术研究进展

1．2．2 矿井风量实时监测技术研究进展

1．2．3 巷道平均风速单点测试方法研究进展

1．3 湍流理论及测量技术研究概述

1．3．1 湍流理论研究概述

1．3．2 流动测量技术研究进展

1．4 主要研究内容和技术路线

1．4．1 主要研究内容

1．4．2 技术路线

2． 矿井通风参数“测不准”原因假说及证实

2．1 矿井通风参数“测不准”现象的影响因素分析

2．2 无外部扰动的巷道通风参数测量实验

2．2．1 实验装置和测量方法

2．2．2 实验结果分析

2．2．3 现场实验

2．2．4 实验结论

2．3 矿井定常湍流脉动对通风阻力测量的影响

2．3．1 定常管流压能波动的理论分析

2．3．2 压能波动范围的影响因素分析

2．3．3 分析结论

2．4 本章小结

3 湍流基本特性及统计平均方法

3．1 湍流的基本特性

3．2 湍流的统计平均方法

3．2．1 时间平均法

3．2．2 空间平均法

3．2．3 概率平均法

3．2．4 各态遍历假设

3．3 巷道平均风速的精细化测量方法

3．3．1 矿井风流的流动状态

3．3．2 井巷湍流的类别

3．3．3 巷道平均风速统计测量数学模型

3．4 本章小结

4 单点风速时均化及其与平均风速的转换机制

4．1 单点风速时均化方法及实现

4．1．1 单点风速时均化与简单随机抽样

4．1．2 确定样本容量应考虑的因素

4．1．3 样本容量的确定方法

4．2 单点风速与平均风速转换机制的理论分析

4．2．1 单点风速与平均风速关系表达式的理论推导

4．2．2 单点风速与平均风速的简化关系

4．3 单点风速与平均风速转转机制的实验研究

4．3．1 实验模型

4．3．2 测量方法

4．3．3 实验结果分析

4．4 速度场结构近似恒定原理的提出

4．4．1 速度场结构近似恒定原理

4．4．2 速度场系数的首次标定方法

4．5 本章小结

5 巷道风流湍动特性的实验研究

5．1 湍流强度沿巷道垂线的分布规律

5．1．1 均直巷道湍流强度沿垂线的分布规律

5．1．2 突扩巷道湍流强度沿垂线的分布规律

5．1．3 障碍物后湍流强度沿垂线的分布规律

5．2 独头巷道射流通风湍动强度分布规律

5．2．1 实验模型

5．2．2 测量方法

5．2．3 实验结果分析

5．2．4 实验结论

5．3 本章小结

6 工程应用试验

6．1 试验方案

6．2 试验结果讨论

6．3 本章小结

结论

展望

参考文献

作者简历

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