Numerical simulation of airflowin blind headings ventilated with jet fans

• Autorzy: Branny M.

Warianty tytułu

PL

Symulacja numeryczna przepływu powietrza w wyrobisku ślepym z wentylatorem wolnostrumieniowym

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The paper presents a method of calculation of velocity field in blind galleries ventilated by jet fans. The CFD code was used in numerical prediction of the airflow. Mathematical model consists of equations of continuity, Navier-Stokes and the standard equations of k-[epsilon] model of turbulence. The governing equation system is modified in near-wall region by introducing the wall function. There was assumed that the flow is turbulent, geometrically three-dimensional and the air could be treated as an incompressible gas. There were studied the flow fields obtained for two galleries with different cross-sections. Calculations and in situ measurements were performed for galleries in cooper mines. The calculated flow field, projected on same horizontal planes is presented. The measurements were taken in four cross-sections of gallery. A rotating vane anemometer and velometer were used in measurements. The experimental results were used to test simulation data. The quantitative correlation between experimental and numerical results is good but there are notified quantitative differences, however the accuracy of numerical representation seems to be sufficient for practical applications. The reasons of above differences stick both in simplifications of theoretical model as well as in measurement technics. The selection of proper boundary conditions on walls (giving consideration to roughness of surfaces) and at inlet is fundamental for accurate predictions.

PL

Eksploatacja w kopalniach LGOM-u polega na rozcinaniu złoża pasami i komorami na filary technologiczne. Komory tworzą wyrobiska ślepe o długościach wynoszących przeważnie 25-30 m, które przewietrzane są wentylatorami wolnostrumieniowymi instalowanymi na ich wlotach. Skuteczność przewietrzania zależy od zasięgu strumienia generowanego przez wentylator, a jej ocena może opierać się na istniejącym rozkładzie parametrów takich jak prędkość przepływu, temperatura powietrza czy stężenie gazów. W artykule przedstawiono teoretyczny sposób wyznaczania pola prędkości w wyrobiskach ślepych przewietrzanych wentylatorami wolnostrumieniowymi oraz w oparciu o pomiary in situ podjęto próbę weryfikacji modelu. Do opisu ruchu powietrza w komorze wykorzystano techniką bazującą na metodach CFD. Rozważany przepływ jest typu eliptycznego, można w nim wyróżnić obszar ze strugą nawiewną, strefą objętą przepływem recyrkulacyjnym i warstwą z przepływem przyściennym. Model matematyczny złożony jest z równań Naviera-Stokcsa (1) i ciągłości (2) oraz dwu równań (4), (5) tworzących model lepkości turbulentnej k-[epsilon] ( kinetyczna energia turbulencji, dyssypacja kinetycznej energii turbulencji). Warunki brzegowe na ścianach zadawane są w postaci funkcji przyściennych uwzględniających chropowatość powierzchni. Przy formułowaniu równań zachowania opisujących przepływ w warstwie przyściennej korzystano z badań J. Nikuradzego. W rozwiązaniu numerycznym stosowano dwuwarstwowy model funkcji ściany, oparty na równaniach (10) i (11). Naprężenia styczne na ściance chropowatej wyznaczano z zależności (12) i (13). W węzłach bezpośrednio przylegających do ścian sztywnych model turbulentny jest modyfikowany poprzez uwzględnienie w równaniu (1) siły powodującej zmniejszanie prędkości w warstwie przyściennej, wynikającej z zależności (12), (13). Również w członach źródłowych równania (4) wprowadza się odpowiednie zmiany uwzględniające naprężenia styczne zdefiniowane wzorami (12), (13). W rozważaniach przyjmuje się, że przepływ ma charakter turbulentny 3D, a powietrze jest gazem nieściśliwym. Dyskretyzację obszaru przeprowadzono w oparciu o siatkę różnicową o przesuniętych węzłach. Przy wyprowadzaniu schematu różnicowego korzystano z metody objętości kontrolnej oraz techniki up wind. Człony konwekcyjne i dyfuzyjne aproksymowano schematem hybrydowym. Do wyznaczania pola prędkości i ciśnień stosowano algorytm (Branny 2000) wzorowany na procedurach SIMPLE/SIMPLER. Obliczenia i pomiary in situ prędkości przepływu powietrza wykonano dla dwóch komór różniących się wymiarami poprzecznymi i polami przekrojów. Kształt i wymiary komór, w których wykonano pomiary przedstawiono na rysunku 1. Wyrobiska przewietrzane były wentylatorami WOO-63. W obliczeniach numerycznych przyjęto, że komory mają kształt prostopadłościanów o wymiarach 5,0 x 2,0 x 27 m i 5,5 x 4,0 x 26 m. Wyznaczone pola prędkości prezentowane są w postaci rzutów na wybrane płaszczyzny pionowe (x1-x3) i przedstawione na rysunkach 2 i 3. W obu wariantach strumień powietrza płynie do przodka wzdłuż ścian wyrobiska przy których umieszczony jest wentylator, natomiast strumień powrotny wzdłuż ścian przeciwległych. Strefa wyrobiska rozciągająca się od wentylatora na odległość 17-18 m charakteryzuje się intensywnym mieszaniem powietrza. Ilość recyrkulującego powietrza w znacznej jej części przekracza wydatek wentylatora. Prędkość przepływu powietrza mierzono anemometrem skrzydełkowym firmy Lambrecht, welometrem precyzyjnym firmy Luga oraz anemometrem czaszowym firmy Castell. Rysunki 4, 5 i 6 przedstawiają rozkłady prędkości (obliczonej i zmierzonej) wzdłuż linii pomiarowych (osi x2) w trzech wybranych przekrojach poprzecznych komory niskiej. Zmierzone i obliczone maksymalne i minimalne prędkości w odległościach równych 0,5 m od stropu i spągu oraz w połowie wysokości wyrobiska zestawiono w tabeli 1. Pod względem jakościowym, wygenerowany na drodze numerycznej obraz pola prędkości odzwierciedla przepływ rzeczywisty, odnotowuje się natomiast różnice ilościowe. Przyczyn tych różnic można upatrywać zarówno w uproszczeniach tkwiących w modelu teoretycznym, jak i w technice pomiaru prędkości przepływu. Zależności (12) i (13) uwzględniają tzw. chropowatość piaskową, opierającą się na jednym wymiarze charakterystycznym - wymiarze nierówności ściany. Wiadomo, że wpływ ma nie tylko wysokość nierówności, ale również ich kształt oraz gęstość rozmieszczenia na powierzchni. Wyrobiska górnicze charakteryzują się dużą, niejednorodną chropowatością ścian. Jest to rodzaj przewodów wentylacyjnych nic mający odpowiednika w innych zastosowaniach technicznych. W piśmiennictwie brakuje sprawdzonych wzorów uwzględniających wpływ tego typu chropowatości na przepływ w warstwie. Przy stosowanej technice pomiaru wielkością mierzoną był moduł wektora prędkości, natomiast kierunek i zwrot określano wizualnie. Przy tej metodzie błąd pomiaru może być znaczny, szczególnie w obszarach o zmiennym kierunku przepływu. Pomimo stwierdzonych różnic ilościowych pomiędzy obliczeniami i pomiarami można uznać, że wyniki symulacji numerycznej opisują przepływ rzeczywisty z wystarczającą dla praktyki dokładnością. Dokładność odwzorowania zależy przede wszystkim od wyboru właściwych warunków brzegowych na ścianach sztywnych (uwzględniających dużą chropowatość powierzchni) oraz w otworze nawiewnym.

Słowa kluczowe

EN

underground ventilation; auxiliary ventilation; CFD models; mathematical model

PL

wentylacja kopalń; wentylacja odrębna; modele CFD; model matematyczny

• Wydawca: Instytut Mechaniki Górotworu PAN
• Czasopismo: Archives of Mining Sciences
• Rocznik: 2003
• Tom: Vol. 48, nr 4
• Strony: 425--443
• Opis fizyczny: Bibliogr. 18 poz., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Branny M.

• Wydział Górnictwa i Geoinżynierii, Akademia Górniczo-Hutnicza, 30-059 Kraków, Al. Mickiewicza 30

Bibliografia

• [1] Beghein C., Al lard F., Limam K., 1994: Numerical study of the influence of inlet velocity and thermal and solutal diffusivities on air flow pattern in a ventilated enclosure. Fourth International Conference “Roomvent”, Kraków, 15-17 June, 123-136.
• [2] Biernacki K., 1975. Wentylator swobodny jako ujemny regulator rozpływu powietrza w sieci. Rozprawa doktorska, Gliwice (niepubl.).
• [3] Borth J., Suter P., 1994. Influence of mesh refinement on the numerical prediction of turbulent air flow in rooms. Fourth International Conference “Roonwent”, Kraków, 15-17 June, 137-148.
• [4] Branny M., 2000. Rozkład prędkości, temperatury i koncentracji gazów w komorach oraz strefach przodkowych wyrobisk z wentylacją odrębną. Rozpr. Monografie 91, AGH, Uczel.Wyd. Nauk-Dydakt., Kraków.
• [5] Branny M., 2002: Analiza pola prędkości w wyrobiskach ślepych z wentylatorami wolnostrumieniowymi. 2 Szkoła Aerologii Górniczej, Zakopane, 7-11 październik, 27-36.
• [6] Gao, J., Kenichi, U., Inoue, M.,2001: Simulation of the heat and moisture transfer between airway walls and mine air at a heading face with forcing auxiliary ventilation system. Proc. 7th Int. Mine Vent.Congress, Kraków.
• [7] Kazimierski Z., 1992: Numeryczne wyznaczanie trójwymiarowych przepływów turbulentnych. Wyd. PAN, Wrocław-Warszawa-Kraków, 18-38.
• [8] Kolniak P., Przekwas A., Wanik, A., 1983: Metoda modelowania przepływów recyrkulacyjnych. Prace Nauk. Inst. Techn. Cieplnej i Mech. Płyn. Politechniki Wrocławskiej, Monografie 8.
• [9] Landau L.D., Lifszyc E.M., 1994: Hydrodynamika. PWN, Warszawa, 219-223.
• [10] Launder B., Spalding D., 1972: Mathematical models of turbulence, Londyn, Acad. Press.
• [11] Lipska B., 1997a: Kompleksowe badania przepływu powietrza wentylacyjnego w hali sportowej w Monachium. Piąte Ogólnopolskie Sympozjum „Zastosowanie mechaniki płynów w inżynierii środowiska”, Gliwice-Wisła, 185-198.
• [12] Lipska B., 1997b: Rezultaty badawcze ANNEKSU 26 IEA w zakresie prognozowania przepływów wentylacyjnych. Piąte Ogólnopolskie Sympozjum „Zastosowanie mechaniki płynów w inżynierii środowiska”, Gliwice-Wisła, 199-213.
• [13] Patankar S., 1980: Numerical heat transfer and fluid flow. Hemispher, McGraw-Hill.
• [14] Rosiek F., Sikora M., Strumiński A., Urbański J.: Zastosowanie wentylatorów wolnostrumieniowych do wspomagania wentylacji wyrobisk górniczych. Prace Naukowe Instytutu Górnictwa Politechniki Wrocławskiej nr 70, Seria Monografie nr 33.
• [15] Schollz R., Hane1 B., 1998: Computergestutzte berechnung der raumluftstromung. Berlin, VEB Verlag Technik.
• [16] Sułkowski J., Frycz A., Drenda J., Biernacki K., Domagała L., 1998: Ocena skuteczności przewietrzania ślepych wyrobisk eksploatacyjnych o długości powyżej 30 metrów przy wykorzystaniu wentylatorów wolnostrumieniowych typu WOO-63. Gliwice (niepubl.).
• [17] Sułkowski J., Drenda J., Biernacki K., Domagała L., 1999: Opracowanie wytycznych stosowania wentylatorów wolnostrumieniowych do przewietrzania drążonych przodków o długości do 60 metrów. Gliwice (niepubl.).
• [18] Sułkowski J., Drenda J., Biernacki K., Gumiński A., Różański Z., Wierzbiński K., Musioł D., 2000: Określenie skuteczności przewietrzania drążonych wyrobisk górniczych, których długość nie przekracza 60 metrów przy zastosowaniu wentylatorów wolnostrumieniowych. Gliwice (niepubl.).