Experimental and numerical analysis of the air flow in T-shape channel flow

• Autorzy: Szmyd J. , Branny M. , Karch M. , Wodziak W. , Jaszczur M. , Nowak R.

Warianty tytułu

PL

Eksperymentalna i numeryczna analiza przepływu powietrza przez skrzyżowanie kanałów w kształcie litery T

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

This paper presents the results of experimental and numerical investigations of air flow through the crossing of a mining longwall and ventilation gallery. The object investigated consists of airways (headings) arranged in a T-shape. Maintained for technological purposes, the cave is exposed particularly to dangerous accumulations of methane. The laboratory model is a certain simplification of a real longwall and ventilation gallery crossing. Simplifications refer to both the object’s geometry and the air flow conditions. The aim of the research is to evaluate the accuracy with which numerical simulations model the real flow. Stereo Particle Image Velocimetry (SPIV) was used to measure all velocity vector components. Three turbulence models were tested: standard k-ε, k-ε realizable and the Reynolds Stress Model (RSM). The experimental results have been compared against the results of numerical simulations. Good agreement is achieved between all three turbulence model predictions and measurements in the inflow and outflow of the channel. Large differences between the measured and calculated velocity field occur in the cavity zone. Two models, the standard k-ε and k-ε realizable over-predict the measure value of the streamwise components of velocity. This causes the ventilation intensity to be overestimated in this domain. The RSM model underestimates the measure value of streamwise components of velocity and therefore artificially decreases the intensity of ventilation in this zone. The RSM model provides better predictions than the standard k-ε and k-ε realizable in the cavity zone.

PL

Przedmiotem badań jest walidacja wybranych modeli CFD (Computational Fluid Dynamics) przy przepływie powietrza przez laboratoryjny model skrzyżowania kanałów w kształcie litery T. Stanowisko laboratoryjne przedstawia uproszczony model skrzyżowania ściany z chodnikiem wentylacyjnym. Przyjęto, że przepływ powietrza jest ustalony i izotermiczny. Dla tych warunków z równości liczb Reynoldsa w modelu i obiekcie rzeczywistym wynika warunek podobieństwa uśrednionych pól prędkości (przy załozeniu nieściśliwości powietrza). Pomiar składowych wektora prędkości wykonano metodą SPIV (Stereo Particle Image Velocimetry). W pracy testowano trzy modele turbulencji: standardowy model k-ε, jego modyfikację k-ε „realizable” oraz model naprężeń Reynoldsa (Reynolds Stress Model). Obliczenia numeryczne dla warunków identycznych jak w eksperymencie wykonano przy zastosowaniu programu FLUENT. Zadawalającą zgodność pomiędzy pomiarami i obliczeniami wszystkimi trzema modelami turbulencji uzyskano w kanałach zarówno po stronie dopływu jak i wypływu strumieniem powietrza ze skrzyżowania. Natomiast w strefie wnęki żaden z testowanych modeli nie wykazał pełnej zgodności z wynikami eksperymentalnymi. Do oszacowania dokładności z jaką symulacje numeryczne odwzorowują przepływ rzeczywisty w strefie wnęki wykorzystano wskaźnik charakteryzujący czas zaniku cząstek znacznikowych wprowadzonych do przepływu. Obliczenia wykonano dla dwóch modeli turbulencji: standardowego k-ε oraz modelu RSM. Czas potrzebny do rozrzedzenia początkowej koncentracji gazu znacznikowego do określonego poziomu - w przedziale koncentracji względnej od 0,3 do 0,1 - uzyskany z obliczeń standardowym modelem k-ε jest krótszy o 32%-27% od czasu wynikającego z pomiarów podczas gdy model RSM przeszacowuje wartości mierzone wartości koncentracji gazu o 18%-27%. Dwa z testowanych modeli, mianowicie standardowy k-ε i k-ε „realizable” przeszacowują mierzone wartości składowych wzdłużnych wektora prędkości. Konsekwencją tego jest sztuczne zawyżenie intensywności wentylacji we wnęce. Z kolei model RSM niedoszacowuje mierzone wartości składowych wzdłużnych wektora prędkości co powoduje zaniżenie rzeczywistej intensywności wentylacji tej strefy. Z przeprowadzonych badań wynika, że w obszarze wnęki rezultaty uzyskane modelem RSM są bliższe do wartości mierzonych niż prognozowane standardowym modelem k-ε i modelem k-ε „realizable”.

Słowa kluczowe

EN

T-shape channel flow; PIV; validation of CFD codes; mining ventilation

PL

przepływ przez skrzyżowanie kanałów o kształcie T; PIV; walidacja kodów CFD; wentylacja kopalń

• Wydawca: Instytut Mechaniki Górotworu PAN
• Czasopismo: Archives of Mining Sciences
• Rocznik: 2013
• Tom: Vol. 58, no. 2
• Strony: 333--348
• Opis fizyczny: Bibliogr. 18 poz., rys., wykr.

Twórcy

autor

Szmyd J.

• AGH University of Science and Technology, Department of Fundamental Research in Energy Engineering, Faculty of Energy and Fuels, Al. A. Mickiewicza 30, 30-059 Krakow, Poland

autor

Branny M.

• AGH University of Science and Technology, Faculty of Mining & Geoengineering, Department of Geomechanics, Civil Engineering and Geotechnics, Al. A. Mickiewicza 30, 30-059 Krakow, Poland

autor

Karch M.

• AGH University of Science and Technology, Faculty of Mining & Geoengineering, Department of Geomechanics, Civil Engineering and Geotechnics, Al. A. Mickiewicza 30, 30-059 Krakow, Poland

autor

Wodziak W.

• AGH University of Science and Technology, Faculty of Mining & Geoengineering, Department of Geomechanics, Civil Engineering and Geotechnics, Al. A. Mickiewicza 30, 30-059 Krakow, Poland

autor

Jaszczur M.

• AGH University of Science and Technology, Department of Fundamental Research in Energy Engineering, Faculty of Energy and Fuels, Al. A. Mickiewicza 30, 30-059 Krakow, Poland

autor

Nowak R.

• AGH University of Science and Technology, Department of Fundamental Research in Energy Engineering, Faculty of Energy and Fuels, Al. A. Mickiewicza 30, 30-059 Krakow, Poland

Bibliografia

• Aminossadati S.M., Hooman K., 2008. Numerical simulation of ventilation air flow in underground mine workings. 12th U.S./North American Mine Ventilation Symposium, pp. 253-259.
• Branny M., Filipek W., 2008. Numerical simulation of ventilation of blind drifts with a force-exhaust overlap system incondition of methane and dust hazards. Arch. Min. Sci., Vol. 53, No 2, pp. 221-234.
• Haven B.A., Kurosaka M., 1997. Kidney and anti-kidney vortices in crossflow jets. Journal of Fluid Mechanics, Vol. 352, pp. 27-64.
• Humphery J.A.C., Whitelaw J.H., Yee G., 1981. Turbulent flow in a square duct with strong curvature. J. Fluid Mechanics, Vol. 103, pp. 443-463.
• Jaszczur M., Portela L., 2008. Numerical data for reliability of LES for non-isothermal multiphase turbulent channelflow. Quality and reliability of LES, pp. 343-354.
• Jaszczur M, Nowak R., Szmyd J., Banny M., Karch M., Wodziak W., 2011. An application of SPIV technique to experimentalvalidation of the turbulence model for the air flow in the intersection of the mining face with the ventilationgallery. Journal of Physics: Conference Series, 318 (5), art. no. 052043.
• Jaszczur M., Nowak R., Szmyd J., Banny M., Karch M., Wodziak W., 2012a. Eksperymentalne i numeryczne badaniaprzepływu powietrza przez skrzyżowanie wyrobisk w kształcie litery T. Zwalczanie zagrożeń aerologicznych w kopalniach Katowice, Główny Instytut Górnictwa, pp. 76-87.
• Jaszczur M., Nowak R., Szmyd J., Banny M., Karch M., Wodziak W., 2012b. Experimental validation of the transportphenomena in T-shape channel flow. Journal of Physics: Conference Series, 395 (1), art. no. 012037.
• Kelso R.M., Lim T.T., Perry A.E., 1996. An experimental study of round jets in cross-flow. Journal of Fluid Mechanics, Vol. 306, pp. 111-144.
• Krawczyk J., 2007. Jedno i wielowymiarowe modele niestacjonarnych przepływów powietrza i gazów w wyrobiskachkopalnianych. Przykłady zastosowań. Arch. Min. Sci., Seria: Monografia, nr 2.
• Kuan B., Yang W., Schwarz M.P., 2007. Dilute gas-solid two-phase flows in a curved 90° duct bend: CFD simulationwith experimental validation. Chemical Engineering Science, Vol. 62, pp. 2068-2088.
• Mossad R., Yang W., Schwarrz M.P., 2009. Numerical prediction of air flow in a sharp 90° elbow. Seventh International Conference on CFD in the Minerals and Process Industries, CSIRO, Melbourne, Australia, pp. 1-5.
• Nakayama H., Hirota M., Shinoda K., Koide S., 2005. Flow Characteristics in a Counter-Flow Type T-junction. Thermal Science and Engineering, Vol. 13, pp. 17-23
• Rodi W., 1979. Turbulence models and their application in hydraulics p. 27 (Delft: IAHR).
• Silvester S.A., 2002. The integration of CFD and VR methods to assist auxiliary ventilation practice. PhD thesis, The University of Nottingham.
• Taylor A.M.K.P., Whitelaw J.H., Yianneskis M., 1982. Curved ducts with strong secondary motion: velocity measurementsof developing laminar and turbulent flow. Journal of Fluids Engineering, Transactions of the ASME, Vol. 104, Iss. 3, p. 350-359.
• Wala A.W., Stoltz J.R., Jacob J.D., 2001. Numerical and experimental study of a mine face ventilation system for CFDcode validation. Proceedings of the 7th International Mine Ventilation Congress, Krakow, pp. 411-418.
• Wala A.M., Vytla S., Taylor C.D., Huang G., 2007. Mine face ventilation: a comparison of CFD results against benchmarkexperiments for CFD code validation. Mining Engineering, Vol. 59, pp. 10-17.