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基于Fluent掘进工作面温度数值模拟研究郭东旭1 王文才1 林俊森1 （1内蒙古科技大学 矿业研究院，内蒙 包头 014010）摘要：掘进工作是整个开采工作基础，采掘工作是在有限的空间中进行，本文通过Fluent模拟采掘设备为热源时采掘工作面温度分布规律模拟结果表明在相同通风条件下不同热源对掘进工作面的影响差距很大1 引言矿井掘进工作是在有限的空间中，主要采用局部通风机压入式通风，由于通风距离较长，无法自发形成循环风流，热害问题成为掘进工作主要问题之一当空气通过风筒送至掘进工作面之后，在掘进工作面停留时间较短，不能有效降低掘进工作面温度本文通过Fluent软件对采掘设备散发不同热量形成的温度场进行分析研究，为降低掘进工作面温度提供坚实有力的理论支持2 掘进工作面模型简化及基本假设2.1 物理模型的简化及建立本次数值模拟采用局部通风机压入式通风，为更好的分析，根据实际掘进工作面进行合理的简化并建立其物理模型，即选一段长30m*4m掘进巷道作为模拟对象风筒位于掘进巷道的上侧，筒径为0.6m，出风口距工作面为10m，采掘设备为2m*0.8m，距离工作面2m，其简化模型如图1所示。

图1 掘进巷道的物理模型2.2 基本假设因为采掘巷道极为复杂，为了能使模拟实验能更好有效表现出掘进巷工作面在不同热源下温度分布规律所以本作如下几点假设：（1）所建立的掘进巷道模型为水平光滑、430m长方形巷道，且壁温在模拟时间内始终保持恒定温度=293k，巷壁为干燥的，入风风流保持常温=293K，热源为采掘设备且温度=500K、=600K、=800K、=1000K；（2）所建立掘进巷道模型在整个模拟过程中，为热源向外散热速率是恒定3）由《煤矿安全规程》101条规定：采煤工作面、掘进中的煤巷和半煤岩巷允许风速为0.254m/s，即在所建立掘进巷道模型中，模拟巷道中的风速风速为2m/s由风量守恒定律(其中=)得到对应入口速度为35.828m/s；（4）在所研究掘进巷道模型中视为理想气体，遵循理想气体状态方程、流动为均相、无化学反应的流动，质量力只考虑重力；3 掘进工作面温度模拟实验3.1 数学模型的建立由于掘进巷道风流大部分属于湍流流动，而湍流工程计算中一般采用标准的ｋ-ε湍流模型，根据上述(2.2)的基本假设用以下方程进行数学模型描述：连续性方程：动量守恒方程：能量守恒方程：湍动动能k方程：湍动能消散率ε方程：上述式子中：为气体密度；为坐标系中 方向上的速度；为坐标系中 方向上的速度；为坐标系中方向的空间位置；为坐标系中 方向的空间位置；p为静压；为应力张量；和分别为方向上的重力和外部体积力；为源项；T为温度；h为熵；k为湍流动能；为湍流动能耗散率；和为经验常数；与分别对应为k和的Prandtl数；为平均速度梯度引起的湍动能产生项。

3.2 掘进工作面温度变化规律的数值模拟应用FLUENT软件根据上述条件热源为采掘设备且温度=500K、=600K、=800K、=1000K进行迭代计算，迭代残差曲线如图2所示图2残差曲线图在进风速度一定时，在不同热源温度下其迭代残差曲线都为图2，有上图可以看出迭代到382步达到收敛，则表示其收敛性以热源温度和散热速度无关在迭代计算收敛后，掘进工作面温度变化规律的数值模拟结果如图3所示图3 掘进工作面温度分布云图如图3中所示在进风速度一定时v=35.828m/s，在不同热源温度下其掘进工作面温度分布有着极为明显差异随着热源温度升高，掘进工作面温度变化也随之增大如图3（a）和（b）图热源温度在500K和600K时，掘进工作面的平均温度分别为298K和300K；如图3（c）图在热源达到800K时，掘进工作面的平均温度上升到305K；如图3（d）图在热源高达1000K时，掘进工作面的平均温度高达312K我国《煤矿安全规程》规定：井下工人作业地点的空气温度，不得超过28℃ ，超过时，应当采取降温或其他防护措施则热源温度超过800K时，就应采取降温或其他防护措施在掘进工作中采掘设备工作时温度一般都大于800K，只采用通风方式降温，往往是解决不了问题的，需要采取其他有效的降温措施。

4 结论（1）在进风速度一定时，在不同热源温度下其迭代计算收敛性以热源温度和散热速度无关2）在进风速度一定时，在不同热源温度下其掘进工作面温度分布有着极为明显差异，随着热源温度升高，掘进工作面温度变化也随之增大3）在掘进工作中采掘设备工作时温度一般都大于800K，只采用通风方式降温，往往是解决不了问题的，需要采取其他有效的降温措施5 参考文献[1] 孙勇，王伟．基于 Fluent 的掘进工作面通风热环境数值模拟[J]．煤炭科学技术，2012.7：31-34.[2] 段 军，林俊森等．基于Fluent的火灾时期掘进巷道烟流变化的数值模拟[J]．煤炭技术，2014.9：310-312.[3] 程卫民．矿井通风与安全[M] ．北京：煤炭工业出版社，2009.8（第1版）：304-357.[4] 国家煤矿安全监察局． 煤矿安全规程[K]．北京：煤炭工业出版社，2010.[5] 李新星，易丽军，谭香．基于FLUENT的巷道型采场局部通风数值模拟[J]．有色金属，2010.11，：60-62.[6] 赵成龙，陈喜山．基于Fluent的独头巷道通风降温的数值模拟研究[J]．现代矿业，2011.2：33-36.[7] 王 伟，李红阳，王长彬．基于 Fluent 模拟的掘进工作面风流温度预测[J]．煤矿安全，2010.6：4-5.作者简介：郭东旭，男，辽宁阜新人，在读研究生，就读于内蒙古科技大学矿业工程学院，指导教师:王文才教授。

2011年毕业于辽宁工程技术大学采矿工程系Tel：13453061713 E-mail：63139619@.com。