Wyniki wyszukiwania - BazTech

1

Numerical simulation of ventilation of blind drifts with a force- exhaust overlap system in the condition of methan and dust hazards

Branny M., Filipek W.

Archives of Mining Sciences

|

2008

|

Vol. 53, no 2

221-234

EN

This paper outlines a theoretical method of finding 3D velocity fields and methane and dust concentrations in the air in blind drifts with a force-exhaust overlap ventilation system incorporating a forcing duet with a vortex duet and an auxiliary exhaust duct with the dust separator. The solution is supported by equations and simulation programs utilizing the CFD approach. The air and methane mixture is assumed to be an ideal and compressible gas, its motion is taken to be steady and the whole process is assumed to be isothermal. Fresh air is assumed to be a three-component mixture of nitrogen, oxygen and water vapour. The problem considered in this study is described with continuity equations, Navier-Stokes equations, [...] model equations as well as transport equations of chemical species (components of air-methan mixture). Calculation data are presented in the form of velocity field images, streamlines and mass fractions of CH4. Fig. 2 shows velocity distributions in the selected drift cross-sections in the considered flow region (Fig. I). The air vortex, generated by the vortex duet, moves towards the face head and in the direction of the overlap zone. The actual division of the air stream depends on the ratio of air volume supplied to the overlap zone to that supplied to the face region. The air jet leaving the dust separatpr installation produces in its wake a zone of about 15 m, dominated by recirculation flow. Fig. 4 shows the distribution of mass fractions of methane, assuming that methane should enter via the face region and via the belt-shaped section in the floor, in the central part of the overlap zone. Apart from expected methane concentration levels near the roof (in the face region), there are other methane concentration zones caused by flow obstacles, such as continuous mining machines and forsing duet system here located near the side walls. This is associated with the development of low-intensity airing zones, where methane concentrations are higher. The flow of air-solid particles mixture is governed by the two-phase Euler- Lagrange's model with the gaseous continuous phase and a dispersed phase comprising solid (dust) particles. Apart from solving the equations of mass, momentum and energy conservation for the continuous phase, the model utilizes the trajectories of dispersed phase particles. It is assumed that dust is emitted from the face head surface. Images of several hundred particles' trajectories, originating in the face head section, are shown in Figs 5, 6. Small ratio of air in the overlap zone helps contain the dust cloud in the face region. As the amounts of air in the overlap zone increase, the highly dusted zone enlarges, too. Tables 1 and 2 summarize the dust measurement and calculation data in the selected dńft locations and the length of time that solid particles remain in the face zone. In qualitative terms, simulation data obtained using the Euler-Lagrange's two-phase flow model are consistent with the data quoted in literature and with practical observations A fuli quantitative analysis, however, would require us to find the degree of correspondence between the simulation and experimental data. Calculations are supported by the program FLUENT 6.1.

PL

W artykule zaprezentowano teoretyczny sposób wyznaczania 3D pól prędkości przepływu, stężeń metanu i pyłu w powietrzu w wyrobisku z kombinowanym systemem wentylacji, składającym się z zasadniczego lutniociągu tłoczącego zakończonego lutnią wirową oraz pomocniczego lutniociągu Ssącego z odpylaczem. Rozwiązywanie oparto o równania i programy symulacyjne stosowane w Numerycznej Mechanice Płynów. Założono, że mieszanina powietrzno-metanowa jest gazem doskonałym i ściśliwym, ruch mieszaniny jest ustalony zaś proces przebiega w warunkach izotermicznych. Przyjęto, że powietrze świeże jest trójskładnikową mieszaniną azotu, tlenu i pary wodnej. Rozważany problem opisany jest układem równań ciągłości, Naviera-Stokesa oraz równań modelu k-e i transportu składników chemicznych (składników mieszaniny powietrzno-metanowej). Rezultaty obliczeń przedstawiono w postaci obrazów pól prędkości, linii prądu oraz rozkładów udziałów masowych [...]. Dla przyjętego obszaru przepływu (rys. I) na rys. 2 przedstawiono rozkłady prędkości w wybranych przekrojach poprzecznych wyrobiska. Wir powietrzny, wytwarzany przez lutnię wirową przemieszcza się zarówno w kierunku czoła przodka jak i w kierunku strefy zazębiania. Ilościowy podział strumienia powietrza zależy od stosunku strumienia objętości powietrza w strefie zazębiania lutniociągów do strumienia objętości powietrza doprowadzonego do przodka. Ze strugą powietrza wypływającą z instalacji odpylającej związana jest strefa o długości około 15 m charakteryzująca się przepływem recyrkulacyjnym. Na rys. 5 przedstawiono rozkłady udziałów masowych metanu przy założeniu. że metan dopływa przez powierzchnię czoła przodka oraz przez pas usytuowany na spągu w środkowej części strefy zazębiania. Oprócz spodziewanych obszarów z przystropowymi nagromadzeniami metanu (w pobliżu przodka) charakterystyczne są również te, które powodowane są obecnością w przepływie przeszkód takich jak kombajn i lutniociąg tłoczący, w przykładzie ułożony na spągu chodnika w niedalekiej odległości od ociosu. Jest to związane z powstaniem stref o małej intensywności przewietrzania a zarazem o podwyższonym stężeniu metanu. Przepływ powietrze-cząstki stałe opisano przy pomocy modelu dwufazowego Eulera-Lagrange'a z gazową fazą ciągłą i złożoną z cząstek stałych (pyłu) fazą rozproszoną. Oprócz rozwiązania układu równań zachowania masy, pędu i energii dla fazy ciągłej w modelu tym wyznacza się trajektorie cząstek fazy rozproszonej. Równanie ruchu, reprezentujące bilans sił działających na cząstkę stałą, zapisane we współrzędnych Lagrange' a ma postać (1) zaś tory cząstek wyznaczane są z równania (2). Przyjęto, że pył emitowany jest z powierzchni czoła przodka. Cząstki stałe mają kształt kulisty o średnicy [...], ich gęstość wynosi 1400 kg/m3 zaś prędkość początkowa 5 m/s. Obraz kilkuset trajektorii cząstek stałych, rozpoczynających się na płaszczyźnie czoła przodka przedstawiono na rys. 5 i 6. Przy małym udziale powietrza w strefie zazębiania obłok pyłu skutecznie utrzymywany jest w strefie przodkowej.

2

Modelowanie numeryczne procesu przewietrzania przez dyfuzję wyrobisk ślepych

Branny M.

Górnictwo i Geoinżynieria

|

2004

|

R. 28, z. 4/2

25-35

PL

W pracy zaprezentowano dwuwymiarowy (2-D) model matematyczny turbulentnego transportu pędu oraz substancji i jego zastosowanie do rozwiązywania zagadnień przewietrzania wyrobisk ślepych bez stosowania lokalnych, wspomagających wentylację urządzeń. Opis matematyczny tworzą równania ciągłości, Naviera-Stokesa, transportu substancji chemicznej oraz równania modelu k-epsilon w wersji dla małych liczb Reynoldsa. Przebieg symulacji numerycznej obejmuje dwa etapy obliczeniowe. W pierwszym wyznacza się dyskretne ustalone pola prędkości średniej i lepkości turbulentnej, a następnie niestacjonarne pola stężeń zanieczyszczeń gazowych. Symulację numeryczną wykonano dla dwóch długości wyrobiska ślepego: 10 m i 15 m, oraz dla czterech wartości średnich prędkości przepływu powietrza w wyrobisku korytarzowym: 1 m/s, 2 m/s, 3 m/s i 4 m/s. Wyniki obliczeń, obrazujące ustalone pole prędkości i nieustalone pole stężeń domieszek gazowych w obszarze wnęki, przedstawiono w postaci graficznej.

EN

Mathematical model of mass and momentum turbulent transport and its application to the solutions of some mine ventilation problems are presented in the paper. There is considered the gas flow in blind cavity, which is generated by the main airflow along the gallery. Mathematical model consists of continuity and Navier-Stokes equations, which together with the k-epsylon turbulence model for low-Reynolds numbers creates the closed equations system. Because among the seeking flow--fields variables are the gaseous contaminant, than the additional equation is added: namely transport equations for chemical species. The study consists of two parts. In the first one steady fields of velocity and turbulent viscosity are calculated. The second stage includes the digital simulations of time-dependent gas concentration fields inside the cavity. Numerical calculations are performed for two length of cavity -10 m and 15m- and four values of airflow velocities: 1 m/s, 2 m/s, 3 m/s and 4 m/s. Simulation results are presented in graphical form.

3

Digital simulation of gaseous pollutants transfer during ventilation by diffusion of mining blind headings

Piotrowski A., Branny M.

Archives of Mining Sciences

|

1999

|

Vol. 44, nr 4

469-485

EN

The paper presents a mathematical model of mass transfer during ventilation of blind headings such as cavities or necks without the use of an auxiliary system. The two-dimensional problem of the gas medium flow field, which occurs in the domain enclosing cavity space together with segments of the gallery supplying air and carrying air off, was considered. Due to turbulent character of the fluid motion the low-Reynolds-number k-e model proposed by Abe at al. (1994) was employed to obtain the time-independent velocity field of the air. In the second part of the simulation the transient field of pollutants concentration was calculated based on the numerical results of the flow field calculations. To simulate transfer by convection and diffusion the Control Volume Method was used and UPWIND technique was applied to guarantee the numerical stability of the calculations. The simulation was carried out for three versions of geometrical location of the cavity in relation to gallery, in which the main stream of air flows.

PL

W pracy rozważa się wentylację ślepych wyrobisk kopalnianych, przewietrzanych bez użycia lokalnych urządzeń wentylacyjnych. W literaturze górniczej w takich przypadkach używa się nazwy wentylacji przez dyfuzję. Wyrobiska te tworzą wnęki, wcinki itp., które są przewietrzane strumieniem powietrza płynącym wzdłuż jednego z ich boków. We wnękach mogą się gromadzić gazy trujące i wybuchowe wydzielające się z górotworu, powstające w procesie samozagrzewania węgla lub będące wynikiem procesów technologicznych (np. spalanie paliwa w silnikach Diesla). Substancje gazowe są przenoszone do głównego strumienia powietrza na drodze transportu konwekcyjno-dyfuzyjnego. Miarą efektywności (skuteczności) wentylacji może być czas niezbędny do uzyskania rozcieńczenia gazu do poziomu określonego odpowiednimi przepisami. W opisie matematycznym, spośród modeli turbulencji prezentowanych w publikacjach wybrano model sformułowany przez Abe et al. (1994). W przypadku ustalonego przepływu układ równań różniczkowych cząstkowych złożony jest z równania ciągłości (1), równania przenoszenia pędu (Naviera-Stokesa) (2), równania transportu energii kinetycznej turbulencji (3) oraz równania transportu szybkości dyssypacji energii kinetycznej turbulencji (4). Układ ten umożliwia wyznaczenie pola prędkości i lepkości turbulentnej. Nie ustalone pole stężenia zanieczyszczeń uzyskano z rozwiązania równania transportu konwekcyjno-dyfuzyjnego (12), przy czym wartość efektywnego współczynnika dyfuzji wyliczano ze wzoru (15). W celu rozwiązania nieliniowego układu równań różniczkowych (1-4) przy warunkach granicznych wymienionych w rozdziale 2 posłużono się metodą objętości kontrolnej [Patankar, 1989]. Metoda ta polega na sformułowaniu bilansu elementarnego danej wielkości eksensywnej (ilość substancji, pęd, k, e) transportowanej przez dyfuzję i konwekcję dla określonego małego fragmentu obszaru, stanowiącego pojedynczy element siatki różnicowej. Dla zapewnienia stabilności numerycznej rozwiązania równań zawierających człony konwekcyjne (2-4), stosowano technikę UPWIND, do której zalicza się użyty w obliczeniach schemat proponowany przez Patankara (1989) o nazwie POWER-LAW. W obliczeniach zastosowano niejednorodną siatkę dwuwymiarową o węzłach wzajemnie przesuniętych (staggered grid) zagęszczoną silnie w pobliżu ścian. Na rys. 2 przedstawiono przykład wymienionej sieci. W węzłach prezentowanej sieci oblicza się dyskretne wartości pól skalarnych, a więc p, k, e oraz Ć. Wartości współrzędnych wektora prędkości Vy oraz V2 obliczane są w punktach pośrednich leżących na osłonach bilansowych poszczególnych objętości kontrolnych. Przebieg symulacji numerycznej obejmuje dwa etapy obliczeniowe. W etapie pierwszym wyznacza się dyskretne stacjonarne pole prędkości średniej ośrodka gazowego w rozważanym obszarze. W dalszej kolejności (drugi etap obliczeń) wykorzystuje się wymienione pole prędkości do wyznaczenia niestacjonarnego pola koncentracji zanieczyszczeń atmosfery kopalnianej. Przy rozwiązywaniu problemu brzegowego (1-4) posłużono się techniką iteracyjną, która polega na wykorzystaniu schematu różnicowego odpowiadającego procedurze niestacjonarnej (równania (17, 18, 19)). Odwrotność kroku czasowego potraktowano jako odpowiedni współczynnik podrelaksacji. Na każdym poziomie iteracyjnym obniżano wartość dywergencji pola prędkości przy użyciu procedury SIMPLE (Patankar, 1989). Przy wielokrotnym rozwiązywaniu układów równań liniowych o postaci (17) posługiwano się metodą kierunków naprzemiennych Peacemana-Rachforda, wykorzystując algorytm Tho-masa TDMA (Tridiagonal Matrix Algorithm). W rozważanych przykładach przyjęto, że wnęka ma kształt prostopadłościanu i przylega do chodnika, którym płynie strumień powietrza o średniej prędkości masowej v0. Przedmiotem analizy numerycznej są trzy wersje usytuowania wnęki względem chodnika, przedstawione na rys. 1. Obliczenia symulacyjne wykonano dla chodnika o szerokości s = 4,5 m oraz średniej prędkości powietrza w jego głównym strumieniu v0 = 1 m/s dla trzech wersji usytuowania wnęki w stosunku do chodnika (rys. 1). Wyniki obliczeń opracowano graficznie (rys. 3, 4, 5) prezentując dla rozważanych przypadków odpowiednio: dyskretne pole wektorowe prędkości średniej (rys. 3 a, 4 a i 5 a) oraz izolinie pól skalarnych k i v" (rys. 3b, c, 4b, c oraz 5b, c). Obliczenia rozkładu stężeń gazów prowadzono przy stałym kroku czasowym At = 0,05 s. Proces obliczeniowy obejmował dwugodzinny okres wentylacji (144000 kroków czasowych). Na rysunku 6 przedstawiono graficzny obraz pola stężeń odpowiadający kolejnym wartościom czasu wentylacji, odpowiednio dla 30 min, 60 min i 120 min (przebiegi izolinii oznaczone punktami "a, b, c"). Wyniki dotyczą wnęki w wersji przedstawionej na rys. 1 a o wymiarach H = 10 m, d = 4,5 m. Na podstawie charakteru izolinii zredukowanej koncentracji można łatwo stwierdzić, że najtrudniej przewietrzanymi fragmentami rozważanego obszaru są strefy narożne oraz przyścienne, gdzie najdłużej utrzymuje się wysoki poziom stężenia zanieczyszczeń. Celem kolejnej fazy obliczeń było zbadanie wpływu simpleksu geometrycznego H/d na efektywność przewietrzania wnęki. Jako przedmiot wymienionej analizy wybrano układ przedstawiony na rys. 1 a. Przy stałej szerokości wnęki (d = 4,5 m) zmieniano jej długość przyjmując w obliczeniach kolejno, H = 7,5 m, 10 m, 15m. Na rys 7 przedstawiono krzywą Cm(t) uzyskaną na drodze numerycznego rozwiązania całki powierzchniowej (16) na każdym kroku czasowym. Jak wskazują wyniki analizy numerycznej (krzywe ciągłe na rys. 7) stosunek H/d posiada bardzo istotny wpływ na efektywność przewietrzania. W przypadku wnęki o długości 15 m po upływie dwugodzinnego okresu wentylacji utrzymuje się dwukrotnie wyższy poziom stężenia zanieczyszczeń, niż ma to miejsce w wersji o długości 7,5 m. Duży wpływ na intensywność usuwania zanieczyszczeń z przestrzeni wnęki ma również jej usytuowanie w stosunku do chodnika, którym przepływa powietrze. Przy tych samych wymiarach geometrycznych, zmiany średniego stężenia zanieczyszczeń w czasie dla wariantów prezentowanych na rys. la, 1 b i 1 c przedstawiają krzywe 2, 4 a i 4b na rys. 7. Po dwóch godzinach przewietrzania średnia zredukowana koncentracja zanieczyszczeń dla wersji wnęki z rys. 1 a wyniesie 44% wartości początkowej, dla wersji z rys. 1 b i 1 c odpowiednio 30% i 22% wartości początkowej. Program komputerowy, opracowany przez autorów niniejszej pracy może być wykorzystany do symulacji warunków wentylacyjnych w różnych wariantach geometrycznych układu chodnik-wyrobisko ślepe.