百葉式風窗流場分布模擬及局部風阻計算分析研究

李曉波，趙 晶，尉 瑞，桑 聰

(1.中煤華晉集團有限公司，山西 河津 043300；2.煤炭科學技術研究院有限公司安全分院，北京 100013；3.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室，北京 100013；4.中煤華晉集團有限公司王家嶺礦，山西 河津 043300;5.煤炭科學研究總院礦山大數據研究院，北京 100013)

調節風窗作為礦井通風構筑物之一，在調整和優化通風系統過程中起到了關鍵的作用[1]。目前井下風窗調節仍是借助于人工調節，在調節的過程中僅能根據經驗人工現場調節風窗過風面積，以此達到風量調節的目的[2-3]。人工調節過程中存在很多安全隱患，且浪費人力、物力、財力。因此,近年來礦山大力發展、引進、研發井下風窗風量自動調節控制裝置。與人工調節相比，自動調節裝置具有調風穩定、安全和準確的特點，一定程度上解決了井下風窗人工調節難度。當井下風量需要進行調節時，無需人為現場調節，僅需通過遠程操控電腦，對風窗風量進行調節。國內研究人員研發了遠程定量控制的百葉式調節風窗，調節風窗以壓縮空氣為動力，通過氣動馬達驅動風窗扇片轉動調節過風面積[4]。風窗的調控由地面的上位機軟件遠程發布命令，控制井下電控系統，通過外國傳感器監測風窗運動狀態，實現了對百葉式調節風窗的準確快速調控[5-6]。

本文以王家嶺煤礦12309工作面為例，用百葉式風窗調節風量進行研究[7]。利用Fluent軟件對窗扇開啟不同角度時風窗進行了模擬分析，目的是研究風窗兩端流場分布以及利用軟件模擬得出風窗相關研究數據，推導出風窗局部風阻計算公式，結合實測數據對公式進行誤差分析對比，判定風窗局部風阻公式在實際生產中的實用性，為百葉式風窗現場調風工作提供指導[8-9]。

1 百葉式風窗結構

百葉式風窗如圖1所示。風窗門體由若干個扇葉構成，支撐框架主要由窗扇框和小門門框兩部分組成，各部分由螺栓連接成為一個整體結構。該框架主要起到固定支撐作用，為動力傳動裝置、運動機構、小門以及各類傳感器提供固定安裝載體。窗扇框架由立擋板、上下擋板通過螺栓拼接固定而成。在框架內部等間距布置了4道隔板，形成了5個風流通道，并在通道內安裝5個窗扇，通過控制窗扇角度的變化，改變風流通道的過風面積。

圖1 自動風窗設計示意圖Fig.1 Schematic diagram of automatic wind window design

百葉式風窗在每個門體配備了2套動力系統，分別為氣動馬達和手動動力系統。正常工作條件下，以壓縮空氣為動力，使用氣動馬達快速進行風窗過風斷面調節；在井下停電、壓縮空氣中斷等異常條件，使用搖把手動系統應急調節風窗過風面積[10]。

風窗運動機構安裝于支撐結構上，主要包括窗扇、連桿和氣動馬達3部分組成。百葉風窗調風過程中，借助于動力傳動裝置，風窗扇片角度發生變化，使得過風面積發生變化。

1) 運動機構運動過程。百葉式風窗共有5個活動的窗扇，每個窗扇的軸與短連桿固定連接；5個短連桿與長連桿同步鉸接，長連桿在氣動馬達作用下，帶動短連桿，驅動窗扇轉動改變過風面積。當葉片處于豎直位置時，此時風窗扇片閉合，過風面積0 m2；中圖窗扇旋轉到60°位置，此時過風面積為最大調節面積的50%；右圖窗扇處于水平位置，風窗處于完全打開狀態，此時過風面積最大。

2) 小門。小門的作用是方便行人，小門采用方鋼管焊接構成門體框架，外敷1 mm的蒙皮組成。行人小門寬800 mm，高1 500 mm，行人稍稍低頭即可順利通過。

2 百葉式風窗流場數值模擬

2.1 數學模型

根據百葉式風窗開啟角度以及百葉式風窗幾何尺寸，推導出百葉式風窗開啟面積計算公式，見式(1)，百葉式風窗開啟面積與開啟角度參數對應情況(圖2)。

(1)

式中：θ為風窗開啟角度，(°)；b為單頁百葉窗的寬度，m；L為單頁百葉窗的長度，m；S為百葉式風窗的總開啟面積，m2。

根據式(1)可知，百葉式風窗不同開啟角度對應風窗開啟面積。

2.2 模型建立

為研究百葉式風窗周圍流場的分布情況以及風窗局部風阻，根據風窗實際尺寸以及風窗所在巷道的幾何尺寸，利用對Fluent軟件數值模擬建立百葉式風窗百米巷道模型，巷道模型如圖3所示。為了分析百葉式風窗巷道內風窗前后壓力分布，設置了一個流場水平監測面與一個流場垂直監測面。表1為百葉式風窗百米巷道幾何模型關鍵參數。

圖2 風窗開啟一定角度示意圖Fig.2 Schematic diagram of opening certain angleof wind window

圖3 百葉式風窗百米巷道整體幾何模型圖Fig.3 Overall geometric model of 100 m roadwaywith louver

表1 百葉式風窗百米巷道幾何模型關鍵參數Table 1 Key parameters of geometric model of100 m tunnel with louver

2.3 百葉式風窗巷道風流場計算結果分析

通過Fluent軟件模擬得到巷道內百葉式風窗前后壓力分布，如圖4所示。百葉式風窗位置處氣壓驟然急劇變化[11]，風窗前后存在明顯的壓差，說明百葉式風窗對通過風流產生明顯的局部阻力。

通過Fluent軟件模擬得到百葉式風窗前后風速分布情況如圖5所示。由圖5可知，風窗附近區域風速明顯大于行人風門附近區域風速。通過Fluent軟件模擬得到百葉式風窗巷道內風窗前后流線分布及局部放大圖如圖6所示。行人風門后方形成渦流區，百葉式風窗結構嚴重改變了風流流線，特別是風窗上方區域形成渦流區，該區域不適合布置風速傳感器。

圖4 百葉式風窗巷道內風窗前后壓力場分布Fig.4 Pressure field distribution before andafter louver in tunnel with louver

圖5 百葉式風窗巷道內風窗前后風速場分布Fig.5 Distribution of wind velocity field before andafter louver in tunnel with louver

2.4 百葉式風窗局部風阻計算公式推導

確定風流通過百葉式風窗不同開啟程度的局部阻力，結合過風量即可確定百葉式風窗不同開度程度下的局部風阻。巷道內風流處于紊流區，巷道風流主要受到摩擦阻力、風窗局部阻力影響。計算模型中將巷道壁面摩擦阻力系數設置為極小值，近似為光滑壁面，風流流經巷道造成的摩擦阻力損失可忽略不計。對巷道兩端斷面內各處靜壓進行積分可以得到整個巷道斷面的靜壓力，對巷道兩端斷面內各處動壓進行積分可得整個斷面的動壓力，根據伯努利能量守恒方程可得式(2)。巷道兩端斷面的靜壓差與動壓差之和為百葉式風窗局部阻力，百葉式風窗局部風阻計算公式見式(3)。

(2)

(3)

式中：hj為百葉式風窗局部阻力，J；n為風流入口端巷道斷面劃分單元個數，個；m為風流出口端巷道斷面劃分單元個數，個；Vi、Vj為風速，m/s；Pi、Pj為氣壓，Pa；ρi、ρj為風流密度，kg/m3；Sl為風流入口斷面面積，m2；Sk為風流出口斷面面積，m2；Rj為百葉式風窗局部風阻，N·S2/m8。

由數值模擬得到巷道兩端靜壓值和動壓值，利用式(2)和式(3)計算可得到百葉式風窗局部風阻值。風窗開啟角度分別為30°、45°、60°、70°、90°時，對應的風窗開啟面積分別為0.33 m2、0.73 m2、1.26 m2、1.64 m2、2.50 m2，風窗開啟面積保持一定時，設定風窗的過風量分別為7.5 m3/s、15.0 m3/s、22.5 m3/s、30.0 m3/s，根據百葉式風窗局部風阻計算公式求出百葉式風窗不同過風量時風窗的局部風阻。

由圖7可知，百葉式風窗過風量對其風阻幾乎沒有影響，當風流處于紊亂狀態時，可以忽略百葉式風窗過風量對其局部風阻的影響，決定百葉式風窗局部風阻是百葉式風窗的設計結構、開啟角度以及巷道特性。

由圖8可知，百葉式風窗局部風阻隨風窗過風面積增大而減小的規律極為明顯，利用Origin數據分析軟件進行非線性迭代擬合，式(4)為以風窗過風面積為自變量的百葉式風窗局部風阻計算公式，擬合度達到0.994。

r=a+bcs

(4)

式中：r為百葉式風窗的局部風阻，N·S2/m8；s為百葉式風窗的總開啟面積，m2；a、b、c為擬合系數，其中a=0.070 29，b=-11.440 37，c=0.012 59。

將數據帶入式(4)可得到以風窗開啟角度為自變量的百葉式風窗局部風阻計算公式，見式(5)。

(5)

由式(5)可知，百葉式風窗局部風阻隨風窗過風面積呈現指數負相關關系。

圖7 百葉式風窗局部風阻模擬計算結果匯總表Fig.7 Summary of local wind resistance simulationcalculation results of louver

圖8 局部風阻平均值Fig.8 Average value of local wind resistance

3 百葉式風窗局部風阻計算公式的誤差分析

為實現12309工作面風量遠程調控，百葉式自動安裝風窗在12309工作面回風繞道，用于調控12309工作面的風量。百葉式風窗安裝位置如圖9所示。

調整百葉式風窗的開啟角度分別為30°、45°、60°、70°、90°，對應不同的百葉式風窗開啟角度，分別測試風窗的過風量及風窗兩側壓差。

利用單管傾斜微壓計實測了不同風窗開啟角度下巷道兩端靜壓差，壓差測試所用儀器如圖10所示。為精確測量風窗兩側靜壓差，測量時將傾斜壓差計放置于風窗上風側巷道約10 m處，傾斜壓差計“+”壓接頭上接2 m軟管，單管傾斜微壓計“+”壓接頭軟管連接皮托管并將皮托管置于巷道斷面中心區域，單管傾斜微壓計“-”壓接頭接60 m軟管，將軟管沿巷道底板鋪設至風窗下風側巷道約20 m處，傾斜壓差計“-”壓接頭軟管連接皮托管并將皮托管置于巷道斷面中心區域，利用皮托管和單管傾斜微壓計可提高測量精度，準確測量百葉式風窗前后壓差。

圖9 百葉式風窗安裝位置Fig.9 Installation position of louver

圖10 風窗壓差測試所用儀器Fig.10 Instrument used for air windowdifferential pressure test

在調節風窗上風側合適位置利用人工走線法測定風窗所在巷道的風量[10]，為盡量避免偶然誤差影響，在每個測試位置進行人工測風3次，確保每次測風誤差要小于5%，3次測風數據平均值計算風量即為巷道風量。

百葉式風窗的開啟角度分別為30°、45°、60°、70°、90°時，風窗開啟面積分別為0.34 m2、0.73 m2、1.25 m2、1.65 m2、2.50 m2，測試風窗風量及風窗兩端壓差分別為見表2。

根據摩擦阻力定律，通過表2中測試的百葉式風窗過風量及風窗兩側的壓差可計算得到風窗局部風阻實測值，根據式(5)結合百葉式風窗不同開啟角度推導公式計算值，對百葉式風窗在不同開啟角度下的實測風阻值和公式計算風阻值進行對比統計，見表3。

表2 百葉式風窗不同開啟角度對應風量及壓差Table 2 Air volume and pressure difference correspondingto different opening angles of louver

表3 實測風阻與推導公式計算誤差統計Table 3 Error statistics of measured wind resistanceand derived formula

由表3可知，風窗的開啟角度分別為30°、45°、60°、70°、90°時，實測風窗局部風阻分別為2.803 7 N·S2/m8、0.511 0 N·S2/m8、0.165 8 N·S2/m8、0.086 1 N·S2/m8、0.028 7 N·S2/m8，經式(5)計算風窗局部風阻分別為2.714 4 N·S2/m8、0.523 9 N·S2/m8、0.163 8 N·S2/m8、0.087 0 N·S2/m8、0.027 2 N·S2/m8，實測與公式計算誤差分別為3.19%、2.52%、1.18%、0.97%、5.41%。由表3可知，實測結果與公式計算結果之間的相對誤差最大為5.72%，其中在30°、45°、60°和70°時的相對誤差均<5%，說明利用公式計算得到的百葉式風窗局部風阻值較為準確，可用于指導百葉式風窗現場調風工作。

4 結 論

1) 當風流處于紊流狀態時，可以忽略風窗過風量對百葉式風窗局部風阻的影響，對百葉式風窗局部風阻起作用的是風窗的設計結構、開啟角度以及巷道特性。

2) 百葉式風窗局部風阻與風窗過風面積增大而減小的規律明顯，百葉式風窗局部風阻與風窗過風面積呈現指數負相關關系。

3) 通過模擬和現場實測，百葉式風窗在不同開啟角度時，實測風阻與公式計算風阻最大誤差為5.72%， 在30°、 45°、 60°和70°時的相對誤差均<5%，利用公式計算得到的百葉式風窗局部風阻值較為準確，可用于指導百葉式風窗現場調風工作。