本文關(guān)鍵詞：井巷風(fēng)溫周期性變化下圍巖溫度場數(shù)值模擬及實驗研究

  更多相關(guān)文章： 巷道圍巖 圍巖散熱 圍巖溫度場 非圓形巷道 周期性風(fēng)溫

【摘要】：通過調(diào)研礦井通風(fēng)與降溫方面的相關(guān)文獻,分析國內(nèi)外有關(guān)礦井熱害機理以及熱害防治方向的研究,側(cè)重于巷道圍巖溫度場以及圍巖散熱的研究。根據(jù)資料調(diào)研,分析和確定影響巷道圍巖散熱的主要因素,詳細闡述各個影響因素在圍巖與風(fēng)流之間熱交換過程中所起的作用,根據(jù)影響因素從理論上推導(dǎo)和建立巷道圍巖溫度場導(dǎo)熱微分和積分方程,并對周期性風(fēng)溫邊界下巷道圍巖散熱,風(fēng)流與圍巖熱交換過程中常規(guī)單值條件進行分析進而構(gòu)建巷道圍巖散熱導(dǎo)熱控制方程;然后引入無因次準(zhǔn)數(shù)將巷道圍巖溫度場導(dǎo)熱控制方程進行無因次化;為便于數(shù)值方法分析,采用變量分離法對導(dǎo)熱控制方程及其周期性單值條件進行分解。在上述基礎(chǔ)之上,進而利用有限體積法分別構(gòu)建周期性邊界下和非周期性邊界條件下的二維直角坐標(biāo)和一維柱坐標(biāo)的巷道圍巖散熱數(shù)值理論求解方法。根據(jù)上述理論分析和數(shù)值計算,利用C++語言和Qt圖形框架平臺開發(fā)相應(yīng)的非圓形和圓形巷道圍巖散熱計算模擬軟件,為分析最優(yōu)等值圓形巷道當(dāng)量半徑取值方法,利用數(shù)值方法對非圓形巷道圍巖散熱進行計算求解,采用上述有限體積法相關(guān)理論,選取梯形、拱形和矩形巷道三種非圓形巷道分別對比分析等周長,等面積和等水力直徑三種常用的等值方法,通過誤差比較和理論分析,進而確定等周長為最優(yōu)的等值圓形巷道計算方法,確定最優(yōu)等值巷道半徑后,對于傳統(tǒng)的年平均溫度下巷道圍巖散熱可通過查圖的方式計算求解。而分析周期性邊界條件下巷道圍巖溫度場內(nèi)部溫度變化規(guī)律時,這里為便于工程實際應(yīng)用參照周期性邊界下半無限大圍巖體溫度場變化規(guī)律計算公式,得到了相應(yīng)的圓形巷道圍巖體溫度場計算公式,同時利用數(shù)學(xué)分析的思想計算求解了沿風(fēng)流流動方向上風(fēng)流溫度波動振幅和相位角的變化規(guī)律。為了證實其計算公式的正確性,在實驗室內(nèi)搭建巷道圍巖相似模擬實驗平臺,分析不同周期性入風(fēng)條件下相似圍巖體內(nèi)不同地點處溫度的變化規(guī)律,并將其實驗結(jié)果與理論分析結(jié)果進行對比分析。通過上述研究本文得到如下結(jié)論:(1)分析圍巖與風(fēng)流間熱交換的影響因素及圍巖散熱數(shù)值計算方法總結(jié)了影響巷道圍巖散熱的主要影響因素,分別包括與巷道圍巖和與巷道風(fēng)流相關(guān)的影響因素,重點是介紹了圍巖體和風(fēng)流的主要熱物性參數(shù),以及這些熱物性參數(shù)的計算方法、所使用的測量儀器、常見物質(zhì)物性參數(shù)的取值范圍等,同時也對巷道斷面形狀、圍巖粗糙度、原始巖溫對圍巖與風(fēng)流間熱交換效應(yīng)影響的分析。在此基礎(chǔ),對巷道圍巖散熱基本規(guī)律進行理論分析,分別建立直角坐標(biāo)和柱坐標(biāo)下的導(dǎo)熱微分及積分方程,并分析巷道圍巖導(dǎo)熱常規(guī)單值條件,包括幾何條件、物理條件、時間條件以及邊界條件,然后引入無因次準(zhǔn)數(shù),對圍巖導(dǎo)熱控制方程及周期性邊界進行無因次化分析,最后利用變量分離法對導(dǎo)熱控制方程進行分解,將年周期性波動溫度從年風(fēng)流溫度中剝離出來進行分析,得到了有因次和無因次的年平均風(fēng)溫下和波動風(fēng)溫下導(dǎo)熱控制方程,上述理論分析為下面數(shù)值解算方法的展開做了很好的鋪墊作用。在以上基礎(chǔ)上,總結(jié)分析了有限差分法、有限元法以及有限體積法三種常用的巷道圍巖散熱數(shù)值計算方法的優(yōu)缺點,指出與另外兩種計算方法相比較而言,有限體積法在解算導(dǎo)熱問題時具有明確的物理意義和相對較高的計算精度。因此,通過對比選取有限體積法作為本文的計算方法開展研究工作。運用有限體積法的原理分析周期性邊界條件下二維直角坐標(biāo)系下非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱積分方程和一維柱坐標(biāo)系下導(dǎo)熱微分方程,分別對內(nèi)部節(jié)點和邊界節(jié)點的熱平衡方程的推導(dǎo)過程進行了詳細而細致的分析和介紹,最后以梯形巷道圍巖為例,編寫了圍巖溫度場及散熱量數(shù)值計算程序,對該示例數(shù)值計算結(jié)果進行分析,包括分析了不同時間巷道圍巖溫度場的變化、冷卻圈范圍與通風(fēng)時間的關(guān)系、不同深度點圍巖溫度隨時間的變化規(guī)律以及圍巖散熱量的計算,該實例計算對分析梯形巷道圍巖溫度場變化規(guī)律具有一定的指導(dǎo)意義。(2)巷道圍巖散熱計算模擬軟件以c++為編程語言平臺,結(jié)合qt圖形應(yīng)用框架,開發(fā)非周期性和周期性邊界下巷道圍巖散熱計算軟件,對周期性和非周期性兩種情況以及四種不同形狀巷道圍巖散熱開發(fā)做了簡單的介紹,其解算窗口里包括:基本參數(shù)的輸入,物理模型的建立,物理網(wǎng)格的劃分,時間劃分四大組成部分。程序編制大致分為四大部分分別為:登錄模塊、計算巷道形狀選擇模塊、圍巖溫度場解算模塊以及結(jié)果顯示模塊,并分別對每個計算模塊的程序設(shè)計和作用做了相應(yīng)的介紹。最后結(jié)合用戶界面詳細介紹了軟件的使用流程,以及對軟件界面和內(nèi)部對應(yīng)的相關(guān)代碼做了剖析和相關(guān)優(yōu)化,方便日后進行該方面研究的人員使用。(3)選取最優(yōu)的等值圓形當(dāng)量半徑計算巷道圍巖散熱通過調(diào)研可知非圓形巷道圍巖散熱轉(zhuǎn)換為圓形巷道圍巖散熱求解過程中一些常見的等值當(dāng)量半徑取值方法,分析非圓形巷道圍巖散熱轉(zhuǎn)換為圓形巷道圍巖進行求解的物理意義�？偨Y(jié)了巷道圍巖壁面散熱量的計算方法以及巷道圍巖傳熱熱阻的計算方法,根據(jù)非圓形巷道當(dāng)量半徑選取的方法,對比分析三種等值圓形巷道法計算非圓形巷道圍巖散熱量的共性和差異,指出了在進行等值圓形巷道圍巖散熱計算的過程中應(yīng)當(dāng)選取等周長的等值圓形巷道半徑作為當(dāng)量半徑。然后選取梯形、矩形以及半圓拱形三種形狀的非圓形巷道分別對三種等值圓形巷道法進行誤差分析,結(jié)果顯示等周長的等值圓形巷道法的相對誤差明顯小于另外兩種等值方法,說明了等周長的等值圓形巷道法相對于另外兩種方法更為準(zhǔn)確。在進行巷道圍巖散熱計算方面,該研究規(guī)范了其等值圓形巷道圍巖當(dāng)量半徑的選取方法,為工程實際應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)。(4)非穩(wěn)態(tài)周期性風(fēng)溫對礦井圍巖溫度場的影響完成等值圓形巷道當(dāng)量半徑取值方法后,進一步討論周期性邊界下圓形巷道圍巖溫度場的散熱特點以及理論分析地表大氣溫度的周期性變化對井下不同用風(fēng)地點處風(fēng)流溫度的影響。本文剝離年平均溫度對圍巖散熱的影響,重點討論風(fēng)流溫度的周期性波動對圍巖與風(fēng)流間熱交換的影響。在根據(jù)上述分析建立數(shù)值解算理論模型,編寫數(shù)值解算程序?qū)刂品匠踢M行求解,分別討論周期性風(fēng)溫影響下圍巖壁面溫度、圍巖體內(nèi)部溫度以及巷道圍巖散熱等其變化規(guī)律,為得到統(tǒng)一計算公式,采用無因次的分析方法,最后與周期性邊界條件下的半無限大體的計算公式進行對比,從而推導(dǎo)出周期性風(fēng)溫條件下巷道圍巖內(nèi)部溫度變化規(guī)律的計算公式。依據(jù)周期性風(fēng)溫對礦井圍巖溫度場的影響,結(jié)合能量守恒定律,分析周期性入風(fēng)風(fēng)流對巷道沿程方向風(fēng)溫的影響,即當(dāng)?shù)V井入風(fēng)溫度年周期性變化時,對礦井沿軸向方向不同地點風(fēng)流溫度波動振幅和周期相位角的變化規(guī)律,該研究為工程技術(shù)人員進行風(fēng)溫預(yù)測計算提供一定的指導(dǎo)意義。(5)制作巷道圍巖溫度相似模擬實驗上述章節(jié)完成理論分析后,依據(jù)巷道圍巖溫度場相似準(zhǔn)則及物理相似實驗方法,自主設(shè)計周期性風(fēng)流溫度變化下巷道圍巖相似模擬實驗系統(tǒng),選取合適的實驗材料,制作相似實驗?zāi)M平臺,通過結(jié)果驗證非穩(wěn)態(tài)周期性溫度變化規(guī)律,并將試驗結(jié)果與理論計算結(jié)果進行對比分析。
【關(guān)鍵詞】：巷道圍巖 圍巖散熱 圍巖溫度場 非圓形巷道 周期性風(fēng)溫
【學(xué)位授予單位】：中國礦業(yè)大學(xué)(北京)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TD72
【目錄】：

• 摘要4-7
• Abstract7-16
• 1 引言16-30
• 1.1 研究背景及意義16-19
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀19-25
• 1.2.1 礦井深部開采熱害治理研究現(xiàn)狀19-20
• 1.2.2 圍巖溫度場以及圍巖傳熱研究現(xiàn)狀20-23
• 1.2.3 巷道風(fēng)流與圍巖間對流傳熱研究現(xiàn)狀23-24
• 1.2.4 目前存在的問題24-25
• 1.3 研究目標(biāo)和研究內(nèi)容25-27
• 1.3.1 研究目標(biāo)25-26
• 1.3.2 研究內(nèi)容26-27
• 1.4 研究方法和技術(shù)路線27-29
• 1.4.1 研究方法27-29
• 1.4.2 技術(shù)路線29
• 1.5 本章小結(jié)29-30
• 2 巷道圍巖散熱影響因素及導(dǎo)熱方程分析30-48
• 2.1 影響巷道圍巖散熱主要因素30-33
• 2.1.1 與巷道圍巖有關(guān)的影響因素30-31
• 2.1.2 與巷道風(fēng)流有關(guān)的影響因素31-33
• 2.1.3 巷道斷面形狀以及圍巖壁面粗糙度33
• 2.1.4 原始巖溫對圍巖散熱的影響33
• 2.2 巷道圍巖導(dǎo)熱微分方程33-39
• 2.2.1 巷道圍巖散熱理論分析33-34
• 2.2.2 直角坐標(biāo)系下巷道圍巖導(dǎo)熱微分方程34-37
• 2.2.3 柱坐標(biāo)系下巷道圍巖導(dǎo)熱微分方程37-39
• 2.3 巷道圍巖導(dǎo)熱積分方程39-40
• 2.3.1 三維坐標(biāo)系下導(dǎo)熱積分方程39
• 2.3.2 二維坐標(biāo)系下導(dǎo)熱積分方程39-40
• 2.4 巷道圍巖導(dǎo)熱單值條件40-42
• 2.4.1 幾何條件40-41
• 2.4.2 物理條件41
• 2.4.3 時間條件41
• 2.4.4 邊界條件41-42
• 2.5 巷道圍巖導(dǎo)熱控制方程無因次化42-43
• 2.6 巷道圍巖導(dǎo)熱控制方程分解43-45
• 2.6.1 年平均風(fēng)溫和波動風(fēng)溫下導(dǎo)熱控制方程43-44
• 2.6.2 有因次形式的導(dǎo)熱控制方程44-45
• 2.6.3 無因次形式的導(dǎo)熱控制方程45
• 2.7 本章小結(jié)45-48
• 3 巷道圍巖導(dǎo)熱數(shù)值計算方法分析48-62
• 3.1 巷道圍巖散熱數(shù)值計算基本原理48-49
• 3.1.1 有限差分法48
• 3.1.2 有限元法48-49
• 3.1.3 有限體積法49
• 3.2 二維直角坐標(biāo)系下有限體積法分析49-54
• 3.2.1 非圓形巷道圍巖導(dǎo)熱平衡方程50
• 3.2.2 溫度插值函數(shù)50-51
• 3.2.3 非圓形巷道圍巖單元對熱平衡方程的貢獻51-52
• 3.2.4 非圓形巷道圍巖邊界熱平衡方程52-54
• 3.3 一維柱坐標(biāo)系下有限體積法分析54-57
• 3.3.1 圓形巷道圍巖體內(nèi)部節(jié)點劃分54-55
• 3.3.2 圓形巷道圍巖體內(nèi)部節(jié)點熱平衡方程55-56
• 3.3.3 圓形巷道圍巖體邊界節(jié)點熱平衡方程56-57
• 3.4 程序設(shè)計及算例分析57-61
• 3.5 本章小結(jié)61-62
• 4 巷道圍巖散熱模擬軟件開發(fā)62-76
• 4.1 開發(fā)軟件平臺簡介62
• 4.2 巷道圍巖散熱模擬軟件概述62-66
• 4.2.1 巷道圍巖散熱模擬軟件功能63
• 4.2.2 巷道圍巖散熱模擬軟件性能63-64
• 4.2.3 巷道圍巖散熱模擬軟件數(shù)據(jù)背景64-65
• 4.2.4 程序執(zhí)行過程65-66
• 4.3 程序設(shè)計及部分功能代碼66-73
• 4.3.1 程序設(shè)計流程67
• 4.3.2 計算模型選擇模塊67-68
• 4.3.3 圍巖網(wǎng)格劃分模塊68-71
• 4.3.4 內(nèi)部網(wǎng)格節(jié)點編號71-72
• 4.3.5 程序編制注意事項72-73
• 4.3.6 輸出結(jié)果后處理模塊73
• 4.4 軟件使用流程及用戶界面73-75
• 4.5 本章小結(jié)75-76
• 5 非圓形巷道最優(yōu)等值圓形巷道半徑選取76-88
• 5.1 非圓形巷道轉(zhuǎn)換為等值圓形巷道計算的意義76-77
• 5.2 常見非圓形巷道等值半徑77
• 5.3 巷道圍巖壁面散熱量計算77-78
• 5.4 巷道圍巖傳熱熱阻計算78-79
• 5.5 等值圓形巷道圍巖散熱比較研究79-80
• 5.5.1 對比分析等值圓形巷道與非圓形巷道圍巖散熱79-80
• 5.5.2 圍巖散熱量相對誤差分析80
• 5.6 巷道圍巖數(shù)值模擬計算模型80-83
• 5.6.1 巷道圍巖的物理模型80-82
• 5.6.2 等值圓形巷道圍巖當(dāng)量半徑的計算82
• 5.6.3 巷道圍巖壁面溫度的計算82-83
• 5.7 等值圓形巷道計算誤差分析83-87
• 5.8 本章小結(jié)87-88
• 6 周期性邊界圍巖溫度場有限體積法分析88-106
• 6.1 大氣溫度周期性變化規(guī)律研究88-91
• 6.2 數(shù)值計算的初始條件91
• 6.3 圓形巷道內(nèi)部溫度場結(jié)果分析91-101
• 6.3.1 不同深度處圍巖體溫度波變化規(guī)律91-92
• 6.3.2 圍巖壁面溫度周期性變化規(guī)律92
• 6.3.3 圍巖體溫度波振幅隨深度變化規(guī)律92-93
• 6.3.4 圍巖體溫度隨深度和傅里葉數(shù)變化的函數(shù)關(guān)系93-100
• 6.3.5 周期性變化巷道圍巖壁面熱流波100-101
• 6.4 風(fēng)溫沿程波動的振幅和滯后的相位101-102
• 6.5 算例分析102-104
• 6.6 本章小結(jié)104-106
• 7 周期性風(fēng)溫巷道圍巖溫度場模擬實驗研究106-124
• 7.1 巷道圍巖模擬實驗研究背景106-107
• 7.2 建立巷道圍巖導(dǎo)熱控制方程107-108
• 7.3 巷道圍巖相似模型試驗相似準(zhǔn)則108-110
• 7.3.1 相似比確定的原則108-109
• 7.3.2 相似比的計算109-110
• 7.3.3 相似實驗實施說明110
• 7.4 實驗系統(tǒng)平臺概述110-117
• 7.4.1 實驗系統(tǒng)平臺主要功能111
• 7.4.2 實驗系統(tǒng)平臺主要技術(shù)特征111-112
• 7.4.3 井巷實驗?zāi)M主體裝置112-114
• 7.4.4 井巷實驗?zāi)M數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)114-115
• 7.4.5 實驗TC-i測試115-116
• 7.4.6 后臺處理軟件116-117
• 7.5 實驗步驟和實驗內(nèi)容117-119
• 7.5.1 實驗?zāi)Ｐ蜐仓?/span>117
• 7.5.2 實驗步驟117-118
• 7.5.3 實驗內(nèi)容118-119
• 7.6 實驗結(jié)果與討論119-122
• 7.6.1 巷道內(nèi)無因次溫度與傅里葉數(shù)之間的關(guān)系120
• 7.6.2 巷道內(nèi)溫度波波動振幅隨深度之間的變化關(guān)系120-121
• 7.6.3 巷道內(nèi)溫度波波動相位延遲隨深度之間的變化關(guān)系121-122
• 7.7 本章小結(jié)122-124
• 8 結(jié)論與展望124-128
• 8.1 主要結(jié)論124-126
• 8.2 創(chuàng)新點126-127
• 8.3 下一步工作展望127-128
• 參考文獻128-138
• 致謝138-140
• 作者簡介140-141

【參考文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 白洋;賈進章;;利用FLUENT研究礦井干燥巷道圍巖對風(fēng)流傳熱[J];遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版);2015年01期

2 張源;萬志軍;周長冰;程敬義;;巷道/隧道圍巖非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱�；囼灧椒╗J];采礦與安全工程學(xué)報;2014年03期

3 姬建虎;廖強;胡千庭;褚召祥;張習(xí)軍;龔林平;;熱害礦井掘進工作面換熱特性[J];煤炭學(xué)報;2014年04期

4 秦躍平;賈敬艷;劉偉;楊小彬;;導(dǎo)熱問題中4種有限體積方案對比[J];遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版);2013年06期

5 姬建虎;廖強;胡千庭;褚召祥;張習(xí)軍;;掘進工作面沖擊射流換熱特性[J];煤炭學(xué)報;2013年04期

6 謝和平;周宏偉;薛東杰;王宏偉;張茹;高峰;;煤炭深部開采與極限開采深度的研究與思考[J];煤炭學(xué)報;2012年04期

7 胡社榮;彭紀(jì)超;黃燦;陳培科;李蒙;;千米以上深礦井開采研究現(xiàn)狀與進展[J];中國礦業(yè);2011年07期

8 王樹剛;徐哲;張騰飛;梁運濤;;礦井熱環(huán)境人體熱舒適性研究[J];煤炭學(xué)報;2010年01期

9 ;Application of HEMS cooling technology in deep mine heat hazard control[J];Mining Science and Technology;2009年03期

10 張樹光;;深埋巷道圍巖溫度場的數(shù)值模擬分析[J];科學(xué)技術(shù)與工程;2006年14期

，

本文編號：745599