不同形状巷道断面风流-瓦斯耦合特性研究

摘要

煤矿井下不同断面巷道中，风流流场与瓦斯浓度场相互关联、相互影响，形成了复杂的耦合关系，这种耦合特性直接影响了巷道中瓦斯的分布特征。对于巷道中瓦斯的分布特征掌握的越明确，瓦斯治理措施的实施就越具有精确性，所以，深入研究不同断面巷道中风流-瓦斯耦合特性具有重大的理论意义和实用价值，能够为煤矿通风管理及瓦斯防治提供更为完善的理论指导。本文主要的研究内容是不同形状巷道断面的风速分布规律，瓦斯浓度分布规律以及风流-瓦斯耦合特性，主要研究结论如下：
　　(1)进行半圆拱形巷道断面风速风洞模拟实验，选取洞体内试验段上流场得到充分发展的测量断面上的8条特征线进行非均匀布点风速测量。通过比较不同中心点风速下的边界层低速区厚度，得出风速在0.99～8.46m/s范围内，巷道断面中心点风速对边界层低速区厚度影响不大。在半圆拱风洞模拟巷道中没有障碍物时，风速分布呈现左右基本对称上下差别较大的情形。在以巷道中心为对称点上下对称的位置上，下部的速度明显高于上部。
　　(2)为了掌握不同形状的一般巷道中通风流场和瓦斯浓度场的分布规律，利用最常用的计算流体力学软件Fluent进行数值模拟研究。本文的特色是将巷道两帮的煤壁在模型中做出并用多孔介质模型处理煤壁的瓦斯涌出，然后设定求解控制参数对三种模型的流动域分别进行模拟解算，并利用Tecplot对模拟结果进行后处理。模拟结果显示，三种形状巷道断面风速分布的等值线图的形状分别近似为拱形、矩形和梯形，可见断面上速度的等值线分布曲线与断面形状有关。不同的是拱形巷道的等值线形状是凸起的，而矩形巷道和梯形巷道等值线形状是凹陷的。当风速增大或者瓦斯浓度减小时，等值线的凹陷现象将会减小甚至消失；当风速减小或者瓦斯浓度增大时，等值线的凹陷现象将会更加明显。三种断面上瓦斯浓度分布都比较规律，水平方向上靠近巷道边壁处瓦斯浓度和浓度梯度都是最大的，往巷道中心靠近越来越小；垂直方向上，靠近底板处瓦斯浓度是最小的，往顶板靠近越来越大。
　　(3)对余吾煤矿井下矩形巷道中风速分布进行了数值模拟，将模拟结果与现场实际测定的风速值进行对比分析发现，在巷道的中心区域，同一位置上实测风速值和数值模拟风速值符合的比较好，但是在靠近巷道边壁和管道边壁的区域内同一位置上实测风速值和数值模拟风速值符合的比较差，其中在巷道底板附近数值模拟的风速值几乎一致大于现场实测的风速值，而在巷道顶板附近数值模拟的风速值几乎一致小于现场实测的风速值。

目录

声明

第一章 绪论

1.1研究背景及意义

1.2国内外研究现状

1.3论文主要研究内容

第二章 普通巷道中的瓦斯运移理论

2.1流体力学的基本概念

2.2煤体孔隙特征

2.3普通巷道中的瓦斯运移

第三章 井下巷道断面风速分布的风洞实验研究

3.1地下工程模拟风洞简介[12]

3.2拱形模拟巷道的边界层风速测量

3.3半圆拱形巷道断面风速风洞模拟实验及结果分析

3.4风洞模拟巷道边界层低速区分析

3.5不同特征线上的风速分布规律

3.6本章小结

第四章 井下巷道断面风速和瓦斯分布的数值模拟实验研究

4.1巷道模型及基本参数的设定

4.2湍流参数的计算方法的选择

4.3流动充分发展断面位置的确定

4.4风速值的模拟结果与风洞实验测定结果比较

4.5数值模拟重要参数的确定

4.6不同形状巷道风速分布的模拟结果

4.7风速对风流流场和巷道中瓦斯分布的影响

4.8瓦斯涌出量对风流流场和巷道中瓦斯分布的影响

4.9本章小结

第五章 FLUENT 模拟巷道风速分布规律的有效性

5.1 计算区域的选取

5.2 模拟结果与现场实验结果比较

第六章 结论与展望

6.1全文总结

6.2不足与展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文