An example of pressure and velocity wave propagation in a model of a ventilation drift

• Autorzy: Krawczyk J.

Warianty tytułu

PL

Przykład propagacji fal ciśnienia i prędkości w modelu wyrobiska korytarzowego

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The paper the subject of which is concerned with an aspect of gas-flow dynamics in connection with mine ventilation systems, presents a comparison of measured and calculated transient flow effects induced by a sudden closure of the inlet of a straight pipeline. With the use of laboratory simulation a numerical model of flow phenomena was constructed. This model was applied with the use of the author's computer program, based on the reduction of compressible fluid flow to one dimension. The results of measurements and the simulation are presented in graphical form. The recorded and calculated propagation of pressure and velocity waves were compared. Similarities and differences are emphasised and the paper attempts to explain the effects.

PL

Przepływy w kopalnianych sieciach wentylacyjnyeh są zwykle modelowane w oparciu o przybliżenie jednowymiarowego przepływu. Zależnie od zakresu rozpatrywanych zjawisk i złożoności sieci stosowane są opisy o różnym stopniu uproszczenia. Jednym z najbardziej złożonych, a tym samym uniwersalnych metod jest model jednowymiarowego nieustalonego przepływu powietrza kopalnianego, traktowanego jako gaz doskonały. Stanowił on podstawę do stworzenia programu komputerowego do symulacji. Wiarygodność modelu można ocenić na drodze eksperymentalnej. Wywoływanie i pomiar zaburzeń przepływu w rzeczywistych obiektach byłoby trudne do realizacji i mogłoby stworzyć rozmaite zagrożenia, dlatego w tym przypadku weryfikację modelu przeprowadzono w warunkach laboratoryjnych, korzystając ze stanowiska do badania pracy wentylatorów. Niniejszy artykuł jest prezentacją wyników doświadczalnej oceny wiarygodności modelu. Stanowisko schematycznie przedstawiono na rysunku l. Dokładne określenie natężenia przepływu w stanie ustalonym zapewnia kryza, która wraz z ulownicami i rurociągiem tworzy odcinek pomiarowy o długości 10,44 m. Zainstalowano szereg czujników, które mierzą różnice ciśnień przy ściance rur względem atmosfery (ich położenie oznaczono literami A. B. C. D. E i W na rys. l). Dodatkowo na stanowisku zamontowano przepustnicę typu Iris, która służy do regulacji i przybliżonego pomiaru wydatku. Oba urządzenia nie są przeznaczone do pomiaru szybkozmiennych przepływów, dlatego wyliczone według statycznych charakterystyk wartości wydatku należy traktować jako orientacyjne. Wyniki pomiarów porównywano z obliczeniami dla modelu jednowymiarowego nieustalonego przepływu płynu ściśliwego (Litwiniszyn 1957; Fox 1977; Dziurzyński 200 l). Pomiar rozpoczęto przy pracującym wentylatorze, a dopływ powietrza do rurociągu był dławiony przesłoną. W rurociągu występowały znaczne fluktuacje ciśnienia. Wartość podciśnienia przed wentylatorem była zauważalnie mniejsza, prawdopodobnie wskutek oddziaływania wirnika. Podczas późniejszych pomiarów zamontowano przed wentylatorem dodatkową ulownicę, co spowodowało zwiększenie podciśnienia mierzonego w punkcie W dla zakresu małych wydatków i przywróciło spodziewany rozkład ciśnień. Niestety, nie było możliwości powtórzenia pomiarów, dlatego przy doborze modelu matematycznego stanowiska przyjęto odpowiednio skorygowaną charakterystykę (rys. 2), tak by ciśnienia obliczane dla zadławionego przepływu były lepiej dopasowane do zmierzonych przez większość czujników (rys. 3). Szybkie rozsunięcie przesłony spowodowało zadanie skoku ciśnienia o stromym zboczu. Porównując przebiegi czasowe ciśnień w czujnikach umieszczonych wzdłuż rurociągu (rys. 3) można dostrzec propagację fali ciśnienia, która dochodzi do wentylatora, odbija się i wraca do wlotu. Występują też odbicia od mniejszej przeszkody w przepływie, jaką jest kryza pomiarowa. Jednocześnie narasta wydatek przepływu, obliczany na podstawie pomiaru ciśnień na kryzie. Pewne wnioski odnośnie do przepływu w okolicy wentylatora można wysnuć obserwując przedstawiony na rysunku 2 rozkład punktów odpowiadających zarejestrowanym podczas stanu przejściowego wartościom wydatku i ciśnienia przed wentylatorem. Dla małych wartości wydatku amplituda oscylacji była znaczna, czemu odpowiada rozrzut punktów. W miarę wzrostu wydatku przepływ uspokajał się, czemu odpowiada zagęszczanie się chmury punktów pomiarowych. Chmura ta leży zauważalnie poniżej charakterystyki wentylatora, otrzymanej dla stanu ustalonego. Dla wartości obliczonych (linia przerywana na rysunku 2) tendencja jest podobna, choć znacznie mniej nasilona. Jeśli punkty interpretowalibyśmy jako charakterystykę wentylatora w stanie dynamicznym, to wyraźnie odbiega ona od charakterystyki statycznej. Wśród różnic zauważalnych podczas porównywania wyników symulacji i pomiarów można wskazać na: dodatkowe pulsacje ciśnienia widoczne na zmierzonych przebiegach, również obecne w stanach ustalonych - są one związane z turbulencją przepływu, silniejsze tłumienie zmierzonych oscylacji. Jest to uzasadnione tym, że w rzeczywistym przepływie przyczyną tłumienia są straty wskutek lepkości, związane głównie ze złożonym profilem prędkości (Stecki J.S.), nie uwzględnianym przez jednowymiarowe przybliżenie, mniejszy okres obliczonych oscylacji - trudno to wyjaśnić; w obliczeniach należałoby zwiększyć długość rurociągu o około 0,8 m, szybsze narastanie prędkości - model nie uwzględnia bezwładności powietrza poza stanowiskiem, może to być też skutkiem zmian charakterystyki wentylatora w stanach dynamicznych, największe rozbieżności występują dla warunków przepływu w pobliżu wentylatora. Widać je nie tylko na przebiegach zmienności ciśnienia w czasie, ale także na płaszczyźnie (rys. 2). Wiele cech przebiegów jest jednak podobnych - na przykład tendencje do zmian nachyleń i kształt kolejnych fal. Efektywne badanie zjawisk zachodzących w systemach wentylacyjnych może być osiągnięte dzięki skojarzeniu pomiarów i symulacji. Porównywanie wyników przyczynia się do lepszej interpretacji danych pomiarowych, a także oceny ograniczeń i poprawy wiarygodności stosowanych modeli matematycznych.

Słowa kluczowe

EN

ventilation systems; gas flow dynamics; computer modelling of ventilation; one-dimentional flow models

PL

systemy wentylacyjne; dynamika przepływu gazu; symulacja komputerowa wentylacji; model jednowymiarowego przepływu

• Wydawca: Instytut Mechaniki Górotworu PAN
• Czasopismo: Archives of Mining Sciences
• Rocznik: 2002
• Tom: Vol. 47, nr 4
• Strony: 489--497
• Opis fizyczny: Bibliogr. 26 poz., wykr.

Twórcy

autor

Krawczyk J.

• Polska Akademia Nauk, Instytut Mechaniki Górotworu, ul. Reymonta 27, 30-059 Kraków, Poland

Bibliografia

• [1] Michaylow M., V lasseva E., 1995: On void acrodynamics in a porous media of a job area. Procccdings of the 7th US Mine Ventilation Symposium, Lexington, USA.
• [2] Myszor H., 1974: Methane emission from longwalls of intensive exploitation. Mining Review no. 5.
• [3] Nawrat S., 1989: Influence of ventilation on methane drainage in a caving longwall. Ph.D. Thcsis, Academy of Mining and Metallurgy, Kraków.
• [4] Nawrat S., Zyla W., 1991: Methane filling of sealed fire fields in coal mines. Mining News no. 4.
• [5] Nawrat S., 1999: Experimental and model research on the process of methane filling of sealed headings in coal mines. EMAG Scientific, Research and Implementation Papers. 1(11).
• [6] Nguyen Huycn Dicn, 1994: A method of forecasting distribution of methane concentration in goafs of caving longwalls. PhD Thesis, Silcsian University of Technology, Gliwice.
• [7] Pawinski J., Roszkowski J., 1974: Movement of methane in serially connected elements of methane drainage networks of different characteristics. Archives of Mining Scienes no. 4.
• [8] Pawinski J.,Roszkowski J.,Szlązak N.,at al., 1989: Analysis of explosion hazards in headings and goafs and applied preventive measures. Unpublished paper. Kraków - Rybnik.
• [9] Pawinski J., Roszkowski J., Strzeminski J., 1979: Mine ventilation. Silcsian Technical Publishing House, Katowice.
• [10] Roszczynialski W.,Waclawik J., 1983: Mining aerology. National Scientific Publishing House. Warszawa.
• [11] Roszczynialski W., Trutwin W., Waclawik J., 1992: Mine Ventilation Measurements.. “Śląsk” Publishing House, Katowice.
• [12] Roszkowski J., Szlązak N., Szlązak J., 1997: Methane drainage as a means of fighting explosion hazard and methane utilization in coal mines. Mining News. no. 10.
• [13] Roszkowski J., Szlązak N., 1999: Selected problems of methane drainage in coal mines. Academic Publishing House. Kraków.
• [14] Staroń T. : Mining of coal seams with roof caving in the vicinity of fire fields. “Śląsk” Publishing House. Katowice.
• [15] Struminski A., 1987: Fighting underground fires in coal mines. Polish Academy of Sciences Publishing House, Wroclaw.
• [16] Sulkowski J., 1996: Hazard connected with the presence of methane in longwall goafs leading away from a field. Research paper GIG Ser. Konf. no. 14.
• [17] Sulkowski J.,Nguyen H.Dieu, 1994: Location of zones with explosive concentration of methane in caving wall goafs with diagonal ventilation. Scientific conference “Methane Hazard in Coal Mining”.
• [18] Szlązak J., 1980: Influence of scaling wall gangways on air flow through goafs. Ph.D. Thesis, Academy of Mining and Metallurgy, Kraków.
• [19] Szlązak J., 2000: Air flow through a longwall caving area in the light of theoretical and experimental research. Academy of Mining and Metallurgy, Academic Publishing House.
• [20] Szlązak J., Szlązak N., 1987: Determination of aerodynamic resistance on caving longwall goafs. Archives of Mining Scienes Vol. 32, is. 4.
• [21] Szlązak J.,SzlązakN.,l 987: Air escape through caving longwall goafs ventilated with System C - to boundaries. Archives of Mining Scienes Vol. 32, is. 4.
• [22] Szlązak N., 1990: Evaluation of fire hazard in caving goafs on the basis of ventilation intensity. Archives of Mining Scienes Vol. 35, is. 3.
• [23] Szlązak J., Szlązak N., 1990: Effectiveness of sealing longwall gangways and flow through caving longwall goafs. Archives of Mining Scienes Vol. 35, is. 4.
• [24] Trutwin W., 1972: Digital simulation of nonstationary States of the process of ventilation and regulating a mine ventilation network. Mining Research Papers Vol. 10, is. 2.
• [25] Trutwin W., 1973: Influence of ventilation conditions on methane concentration in mine headings. Mining Research Papers Vol. 11, is. 2.
• [26] Wasilewski S., 1997: Systems of monitoring and controlling ventilation hazards. Mining Mcchanization and Automation no. 6/7.