CN104461680B - 一种综放工作面粉尘运动轨迹的数值模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于生产领域工作面粉尘运动轨迹研究技术领域，涉及一种综放工作面粉尘运动轨迹的数值模拟方法，首先根据流体力学中粘性底层区速度分布规律和尼古拉兹实验经验公式，推导出综放工作面粘性底层区速度分布公式；其次根据综放工作面入口断面风流的平均速度值判断风流流态，根据不同流态采用C语言编写综放工作面入口断面风速自定义函数；最后将综放工作面入口断面风速自定义函数在FLUENT软件中解释，并设置成综放工作面入口断面风速的边界条件；将EDEM软件与FLUENT软件相互耦合，导出粉尘颗粒坐标数据以得到不同粒径粉尘运动轨迹的拟合函数，从而模拟得出综放工作面不同粒径粉尘的运动轨迹；该方法实现简便，原理可靠，设计科学，数据精确。

Description

一种综放工作面粉尘运动轨迹的数值模拟方法

技术领域：

本发明属于生产领域工作面粉尘运动轨迹研究技术领域，具体涉及一种用于研究综放工作面不同粒径粉尘运动轨迹的数值模拟方法。

背景技术：

综合机械化放顶煤回采工作面简称综放工作面，其在生产过程中产生的粉尘严重影响着工人的身体健康和人生安全，所以实践中采取合理科学的措施以降低粉尘浓度非常重要，而明确粉尘的运动轨迹是采取措施降低粉尘浓度的关键因素，但是，目前理论界对粉尘的数值模拟研究大多集中在粉尘运移规律上，而对不同粒径粉尘运动轨迹的研究却寥寥无几。因此本发明研究设计一种新型的用于综放工作面不同粒径粉尘运动轨迹的数值模拟方法，具有重要的实践价值和应用前景。

综放工作面的风速分布影响着风流的分布，风速的大小不同，风流的流动状态也不同，断面风速的分布情况也有所变化，流体的流动状态根据雷诺数的不同而分为层流和紊流两种流态；对于圆形管道而言，当流体的流动状态为层流时，圆管断面的风速分布规律为旋转抛物面；当流体的流动状态为紊流时，由于其流动机制不同于层流，其速度分布和层流有根本的不同，在靠近管轴的大部分区域内，流体质点的横向脉动使流层间进行的动量交换较为强烈，该区域成为紊流核区；在紧贴壁面处由于因壁面限制而脉动消失的层流薄层，流层间的粘滞力使流速急剧下降，速度梯度较大，该薄层称为粘性底层，根据普朗特假设和尼古拉兹实验可知圆形管道断面粘性底层和紊流核区的速度分布函数。

综放工作面为非圆形断面，五十年代初B·H·沃罗宁(苏联矿井通风学家)发表了关于工作面横截面上的风速分布函数，1977年东北工学院通风安全教研室在实验研究基础上修正了B·H·沃罗宁推导的公式，1982年暨朝颂(北京钢铁学院教授)从理论上推导了与B·H·沃罗宁推导的公式不同的工作面风速分布函数，1989年余跃进在以上研究的基础上，分析了以上公式的缺陷，并根据普朗特假设提出了工作面风速分布的L·普朗特公式，上述研究的公式将粘性底层和紊流核区风流风速的计算合为一体，但是不能准确反映工作面粘性底层区风流分布情况；本发明研究设计的非圆形工作面粘性底层区风速公式是对非圆形工作面风速分布的有效补充，以此为基础的数值模拟方法能够切实反应综放工作面的实际情况。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺陷，寻求设计提供一种综放工作面粉尘运动轨迹的数值模拟方法，能够明确模拟计算出不同粒径粉尘的运动轨迹，从而有针对性的采取降尘措施。

为了实现上述目的，本发明涉及的数值模拟方法具体包括以下工艺步骤：

(1)根据流体力学粘性底层区流动规律和尼姑拉兹实验经验公式，结合综放工作面的中心点，推导得出综放工作面入口断面粘性底层区风速计算公式为：

其中，v_x——综放工作面入口断面粘性底层区风速，v_x≥0，单位m/s；——综放工作面入口断面平均风速，单位m/s；r——综放工作面入口断面粘性底层区任意点(A)到综放工作面中心点的距离，单位m；r₀——综放工作面中心点到工作面边界的垂直距离且经过综放工作面入口断面粘性底层区任意点(A)，r₀≥r，单位m。

(2)根据综放工作面入口断面风流的平均速度值计算得出雷诺数，以判断风流流态：

①若雷诺数小于2000则为层流流动，那么根据综放工作面入口断面粘性底层区的风速公式(7)，采用常规计算机C语言编写综放工作面入口断面风速自定义函数；

②若雷诺数大于2000则为紊流流动，那么综合综放工作面入口断面粘性底层区的风速公式(7)和非圆形工作面紊流区风速分布公式(8)，采用常规计算机C语言编写综放工作面入口断面风速自定义函数；

其中，v_x——综放工作面紊流区风速，v_x＞0，单位m/s；——综放工作面入口断面平均风速，单位m/s；r——综放工作面紊流区任意点(A)到综放工作面中心点的距离，单位m；r₀——综放工作面中心点到工作面边界的垂直距离且经过综放工作面紊流区任意点(A)，r₀＞r，单位m；

(3)将综放工作面入口断面风速自定义函数在流体分析软件FLUENT中进行解释，并设置成综放工作面入口断面风速的边界条件；然后将颗粒分析软件EDEM与流体分析软件FLUENT相互耦合，并导出粉尘颗粒坐标数据以得到不同粒径粉尘运动轨迹的拟合函数，从而模拟得出综放工作面不同粒径粉尘的运动轨迹。

本发明与现有技术相比，EDEM软件与FLUENT软件耦合能够模拟颗粒尺度的多相流动，这种耦合增强了FLUENT软件模拟多相流的能力，能够包含如颗粒分布、颗粒属性、几何属性和表面力等颗粒的特征，上述多相流属性对颗粒和流体均有明显的影响；该方法实现简便，原理可靠，设计科学，数据精确，成本低廉。

附图说明：

图1为本发明涉及的数值模拟方法的工艺流程示意图。

图2为本发明涉及的EDEM软件耦合计算界面示意图。

图3为本发明涉及的FLUENT软件耦合计算界面示意图。

图4为本发明针对综放工作面中粒径为1×10³μm粉尘的运动轨迹数值模拟示意图。

图5为本发明针对综放工作面中粒径为1.6×10²μm粉尘的运动轨迹数值模拟示意图。

图6为本发明针对综放工作面中粒径为1.0×10²μm粉尘的运动轨迹数值模拟示意图。

图7为本发明针对综放工作面中粒径为50μm粉尘的运动轨迹数值模拟示意图。

图8为本发明针对综放工作面中粒径为8μm粉尘的运动轨迹数值模拟示意图。

具体实施方式：

下面结合附图并通过实施例对本发明作出进一步详细说明。

实施例：

本实施例涉及的综放工作面粉尘运动轨迹的数值模拟方法包括下列步骤：

(1)推导综放工作面入口断面粘性底层区风速计算公式：

根据流体力学粘性底层区流动规律和尼姑拉兹实验经验公式，结合综放工作面的中心点，推导得出综放工作面入口断面粘性底层区风速计算公式。

在综放工作面入口断面粘性底层区(简称粘性底层区)中将风速的速度分布近似认为是直线分布，即：

式中，——速度梯度；

v_x——粘性底层区任意点速度，单位m/s，v_x≥0；

y——粘性底层区任意点到工作面边界的垂直距离，单位m，y≥0；

将应力近似表示为：

式中，δ——粘性底层区的厚度，单位m；

τ——粘性切应力，单位N/m²；

μ——粘度，单位Pa·s。

由式(2)可得：

式中，v_*——阻力速度，单位m/s；

ν——运动粘度，单位m²/s。

令

式中，ρ——空气的密度，单位Kg/m³。

式(4)根据伯努利方程与达西定律推导得出下式：

式中，λ——达西系数，无因次；

α——摩擦阻力系数，单位kg/m³；

根据尼古拉兹实验得知在层流区λ满足以下公式：

式中，d——当量直径，单位m；

R_e——雷诺数，无因次。

将式(5)、(6)代入式(3)，整理后用r/r₀表示的综放工作面入口断面粘性底层区的风速公式如下：

式中，v_x——综放工作面入口断面粘性底层区风速，v_x≥0，单位m/s；——综放工作面入口断面平均风速，单位m/s；r——粘性底层区任意点(A)到综放工作面中心点的距离，单位m；r₀——综放工作面中心点到工作面边界的垂直距离且经过粘性底层区任意点(A)，r₀≥r，单位m。

(2)编写综放工作面入口断面风速自定义函数：对于实际中综放工作面而言，通过综放工作面入口断面风流的平均速度计算得出雷诺数以判读风流流态：

①若雷诺数小于2000则为层流流动，根据综放工作面入口断面粘性底层区的风速公式(7)，采用计算机C语言编写综放工作面入口断面风速自定义函数；

②若雷诺数大于2000则为紊流流动，综合综放工作面入口断面粘性底层区的风速公式(7)和非圆形工作面紊流区风速分布公式(8)，采用计算机C语言编写综放工作面入口断面风速自定义函数；

式中，v_x——综放工作面紊流区风速，v_x＞0，单位m/s；

——综放工作面入口断面平均风速，单位m/s；

r——综放工作面紊流区任意点(A)到综放工作面中心点的距离，单位m；

r₀——综放工作面中心点到工作面边界的垂直距离且经过综放工作面紊流区任意点(A)，r₀＞r，单位m。

所述综放工作面入口断面风速自定义函数的编写和运行步骤为：

①综放工作面入口断面风速自定义函数的编写步骤

用户自定义函数头文件；

综放工作面入口断面风速自定义函数DEFINE_PROFILE；

设置变量(包括数组变量x[ND_ND]，坐标变量a、b，面数据变量face_t f)；

循环语句begin_f_loop(f,thread)，用来扫描整个工作面区域内所有面；

函数F_CENTROID(x,f,thread)，得到各个面的质心，并且把质心的坐标值赋值给x；

对坐标变量进行赋值a＝x[0]，b＝x[1]；

运用if，else语句，根据坐标的不同情况，综放工作面入口断面风流状态不同，对F_PROFILE(f,thread,position)赋予相应的计算公式；

结束循环语句f_loop(f,thread)

②综放工作面入口断面风速自定义函数的运行步骤

在FLUENT软件中，点击菜单define—user defined–function–interpreted；

在弹出的对话框interpreted UDFs中，点击Browse…，将编写的综放工作面用户自定义函数导入；

点击按钮interprete。

本实施例中以综放工作面的几何模型选择为某煤矿3_上1110综放工作面为例进行说明，根据3_上1110综放工作面现场实际测量，采用FLUENT软件自带的前处理软件GAMBIT建立物理模型，将模型的长、宽、高分别为设定为20.0m、10.0m、3.0m；

首先，对本实施例中3_上1110综放工作面的风流流态进行判别，当综放工作面入口断面平均风速为2m/s时，对雷诺数进行计算得：

式中，S——综放工作面的面积，单位m²；

C——综放工作面的周长，单位m。

由式(9)可知雷诺数大于2000，则综放工作面的流动状态为紊流流动。

其次，根据综放工作面入口断面粘性底层区的风速公式(7)、非圆形工作面紊流区风速分布公式(8)和3_上1110综放工作面的实际情况，采用C语言编写综放工作面入口断面风速自定义函数udf velocity_inlet，具体代码如下：

(3)数值模拟运动轨迹：将上述综放工作面入口断面风速自定义函数udfvelocity_inlet在流体分析软件FLUENT中进行解释，并设置成综放工作面入口断面风速的边界条件；然后将颗粒分析软件EDEM与流体分析软件FLUENT相互耦合，并导出粉尘颗粒坐标数据以得到不同粒径粉尘运动轨迹的拟合函数，从而模拟得出综放工作面不同粒径粉尘的运动轨迹，具体数值模拟过程如下：

①将颗粒分析软件EDEM与流体分析软件FLUENT耦合安装后，在流体分析软件FLUENT中导入综放工作面网格模型文件，然后设置计算模型、离散型参数、边界条件和颗粒源主要参数，以及求解参数；

②在颗粒分析软件EDEM中导入综放工作面网格模型文件，然后设定环境参数，几何体，粒径、材质、数量等粉尘的参数，计算参数；

③在流体分析软件FLUENT中打开Models下的EDEM-uncoupled模块，在其中设置EDEM与FLUENT的耦合方法，并将EDEM文件调入；

④在颗粒分析软件EDEM中设置粒径(包括1×10³um、1.6×10²um、1.0×10²um、50um、8um)，各粒径颗粒数分别为100，在耦合计算时间为0.3579s时各粒径粉尘的运动轨迹如图4-8所示，由附图内容可知粉尘粒径越小，相同的时间向出口扩散的范围越大，与z轴负方向所成夹角越小。

本实施例中涉及的流体分析软件FLUENT为目前通用的CFD软件包，能够用来模拟从不可压缩到高度可压缩范围内的复杂流动，其包括有前处理器、求解器和后处理器，在太平洋软件下载中心和121下载站等国内各大软件网站均可下载；所涉及的颗粒分析软件EDEM是一款用现代化离散元模型科技设计的用来模拟和分析颗粒处理和生产操作的通用CAE软件，其为英国DEM－Solutions公司的旗舰产品，北京海基科技发展公司为EDEM软件中国代理商。

Claims (1)

1.一种综放工作面粉尘运动轨迹的数值模拟方法，其特征在于具体包括以下步骤：

(1)根据流体力学粘性底层区流动规律和尼姑拉兹实验经验公式，结合综放工作面的中心点，推导得出综放工作面入口断面粘性底层区风速计算公式为：

$v_x=\stackrel{\‾}{v}\sqrt{2(1-\frac{r}{r_0})}$

其中，v_x为综放工作面入口断面粘性底层区风速，v_x≥0，单位m/s；为综放工作面入口断面平均风速，单位m/s；r为综放工作面入口断面粘性底层区任意点(A)到综放工作面中心点的距离，单位m；r₀为综放工作面中心点到工作面边界的垂直距离且经过综放工作面入口断面粘性底层区任意点(A)，r₀≥r，单位m；

(2)根据综放工作面入口断面风流的平均速度值计算得出雷诺数，以判断风流流态：

①若雷诺数小于2000则为层流流动，根据综放工作面入口断面粘性底层区的风速公式：采用常规的计算机C语言编写综放工作面入口断面风速自定义函数；

②若雷诺数大于2000则为紊流流动，综合综放工作面入口断面粘性底层区的风速公式：和非圆形工作面紊流区风速分布公式：采用常规的计算机C语言编写综放工作面入口断面风速自定义函数；

其中，v_x为综放工作面紊流区风速，v_x＞0，单位m/s；为综放工作面入口断面平均风速，单位m/s；r为综放工作面紊流区任意点(A)到综放工作面中心点的距离，单位m；r₀为综放工作面中心点到工作面边界的垂直距离且经过综放工作面紊流区任意点(A)，r₀＞r，单位m，α为摩擦阻力系数，单位为kg/m³；

(3)将综放工作面入口断面风速自定义函数在常规流体分析软件FLUENT中进行解释，并设置成综放工作面入口断面风速的边界条件；然后将常规的颗粒分析软件EDEM与流体分析软件FLUENT相互耦合，并导出粉尘颗粒坐标数据以得到不同粒径粉尘运动轨迹的拟合函数，模拟得出综放工作面不同粒径粉尘的运动轨迹。