CN101949872A

CN101949872A - 一种巷道或隧道对流传热系数测试方法

Info

Publication number: CN101949872A
Application number: CN 201010279528
Authority: CN
Inventors: 王义江; 周国庆; 毋磊; 周扬; 刘志强; 张东海; 高蓬辉
Original assignee: China University of Mining and Technology CUMT
Current assignee: China University of Mining and Technology CUMT
Priority date: 2010-09-11
Filing date: 2010-09-11
Publication date: 2011-01-19
Anticipated expiration: 2030-09-11
Also published as: CN101949872B

Abstract

一种巷道或隧道对流传热系数测试方法，首先测量待测巷道或隧道的周长和截面积，选择长度为巷道或隧道等效直径50～100倍长的巷道或隧道段，在其两端轴心线处布置两个测点分别测量轴向风流温度；在待测巷道或隧道段两个轴向测点的中间位置沿径向至侧帮壁面、深入侧帮内选择两个径向测点分别测量径向围岩温度，两个径向测点间距为巷道或隧道等效直径的0.1～0.5倍，同时计算深入侧帮内测点为模拟巷道或隧道壁面时的模拟巷道或隧道等效直径。取巷道或隧道段两个轴向测点温度平均值作为平均风流温度，取巷道或隧道段中间位置处壁面温度作为平均壁面温度，根据热量守恒定律即可计算出巷道或隧道围岩与风流间对流传热系数。该方法简单，测点少，测试数据精确可靠。

Description

一种巷道或隧道对流传热系数测试方法

技术领域

本发明涉及矿井巷道、公路或铁路隧道等对流传热系数测量方法，尤其适用测试热害矿井巷道或寒区隧道与风流间对流传热系数。

背景技术

对于深部热害矿井，由于原始围岩温度高，引起巷道以及工作面的风流温度升高，使得工作环境恶化，不但损害人员的身体健康，还会极大降低工作能力和效率；对于寒区隧道，由于空气温度极低，会使隧道岩体产生冻胀，引发隧道围岩变形的灾害，严重影响隧洞结构安全。两种灾害性质虽然不同，但都涉及到围岩体与风流之间的对流传热，而对流传热系数是衡量不同边界条件时换热强弱的重要参数。

综合分析发现，对于巷道或隧道与风流间对流传热系数大都依靠经验数据，特别对截面为非规则形状的巷道或隧道，目前还没有一种合理有效的对流传热系数测试方法，严重限制巷道或隧道与风流间对流传热特性的深入研究。

发明内容

技术问题：本发明的目的是针对热害矿井巷道或寒区隧道围岩体与风流间对流传热问题，提供一种方案简单、测量精度高，可实现多边界条件下对流传热系数的测试方法。

技术方案：本发明的巷道或隧道对流传热系数测试方法，其特征在于，步骤如下：

a、首先测量待测巷道或隧道段的截面积A₁和周长U₁，根据截面积A₁和周长U₁由公式R₁＝4A₁/U₁得出巷道或隧道的等效直径R₁；

b、在待测巷道或隧道段的两端轴心处各布置一个轴向测点，分别测量第一轴向测点的温度t₁和第二轴向测点的温度t₂；

c、在待测巷道或隧道段两个轴向测点中间位置沿径向至侧帮壁面、深入侧帮内选择两个径向测点，分别测量第一径向测点的温度t₃和第二径向测点温度t₄。同时测量第二径向测点为模拟巷道或隧道壁面时的截面积A₂和周长U₂，由公式R₂＝4A₂/U₂得出模拟巷道或隧道等效直径R₂；

d、将得到的四个测点的温度值，以及计算出的巷道或隧道的等效直径R₁和模拟巷道或隧道等效直径R₂代入对流传热系数公式：

h = \frac{λ (t_{4} - t_{3})}{R_{1} (t_{w} - t_{m}) \ln (R_{2} / R_{1})}

即得到巷道或隧道围岩与风流间的对流传热系数h。

所述待测巷道或隧道段的长度为巷道或隧道等效直径R₁的50～100倍，所述沿径向至侧帮壁面、深入侧帮内分别选择两个径向测点的距离为巷道或隧道等效直径R₁的0.1～0.5倍。

有益效果：适合于测试不同进风参数下巷道或隧道与风流之间的对流传热系数，还适合测量如地铁隧洞等岩土体与风流间对流传热系数。选择一定长度的巷道或隧道段，分别测量其两端轴心处风流温度；在待测巷道或隧道段两个轴向测点的中间位置沿径向至侧帮壁面、深入侧帮内选择两个径向测点测量围岩温度，同时计算深入侧帮内的测点作为模拟巷道或隧道壁面时的模拟巷道或隧道等效直径R₂。通过两个轴向测点和两个径向测点共四个测点，即可计算出该段巷道或隧道与风流间的对流传热系数。本方法简便易行，测试精度高，在本技术领域内具有广泛的实用性。

附图说明

图1是本发明的巷道或隧道示意图。

图2是轴向测点布置图。

图3是图2中A-A剖视图。

图中：1-第一轴向测点，2-第二轴向测点，3-第一径向测点，4-第二径向测点，R₁-巷道或隧道等效直径，R₂-模拟巷道或隧道等效直径。

具体实施方式

下面结合附图中的实施例对本发明作进一步的描述：

首先测量待测巷道或隧道的周长U₁和截面积A₁，根据截面积A₁和周长U₁由公式R₁＝4A₁/U₁，得出巷道或隧道等效直径R₁。选择长度为等效直径R₁的50～100倍的巷道或隧道段，在其两端的轴心处分别测量第一轴向测点1的温度t₁和第二轴向测点2的温度t₂。在该段巷道或隧道两轴向测点的中间位置沿径向至侧帮壁面、深入侧帮内分别选择两个径向测点，两个径向测点间距为巷道或隧道等效直径R₁的0.1～0.5倍，分别测量第一径向测点3的温度t₃和第二径向测点4的温度t₄，同时计算深入侧帮内的测点作为模拟巷道或隧道壁面时的模拟巷道或隧道等效直径R₂。根据热量守恒定律，巷道或隧道围岩体通过热传导传递的热量等于风流通过对流传热带走的热量通过如下公式：

h (t_{w} - t_{m}) = \frac{λ (t_{4} - t_{3})}{R_{1} \ln (R_{2} / R_{1})}

式中：h为对流传热系数；λ为巷道或隧道围岩导热系数；t_w为巷道或隧道段平均壁面温度，t_w＝t₃；t_m为平均风流温度，t_m＝(t₁+t₂)/2，t₁为第一轴向测点温度，t₂为第二轴向测点温度；t₃为第一径向测点3温度；t₄为第二径向测点4温度；R₁为巷道或隧道等效直径；R₂为模拟巷道或隧道等效直径。

将得到的两个轴向测点和两个径向测点的温度值，以及计算出的巷道或隧道的等效直径R₁和模拟巷道或隧道等效直径R₂代入下式：

h = \frac{λ (t_{4} - t_{3})}{R_{1} (t_{w} - t_{m}) \ln (R_{2} / R_{1})}

即可计算出该段巷道或隧道围岩与风流间的对流传热系数h。

例如：截面形状如图1所示的隧道，实测的底板和侧壁长度均为4m，计算得出隧道截面周长为18.3m，截面积为22.3m²，带入公式R₁＝4A₁/U₁，即得出隧道等效直径R₁＝4.87m；在隧道岩体内取距壁面1m处作为第二径向测点位置，则模拟隧道底板和侧壁长度均为5m，由此计算得出模拟隧道截面周长为22.9m，截面积为34.8m²。带入公式R₂＝4A₂/U₂，得出模拟隧道等效直径R₂＝6.08m。取长度为400m的隧道，测得第一轴向测点温度t₁＝22℃，第二轴向测点温度t₂＝25℃，第一径向测点温度t₃＝23℃，第二径向测点温度t₄＝29℃。由t_w＝t₃得隧道平均壁面温度t_w＝23℃；由t_m＝(t₁+t₂)/2得平均风流温度t_m＝23.5℃；隧道岩体导热系数为4W/(m·K)。将上述参数带入对流传热系数计算公式，即得出该段隧道对流传热系数h＝44.42W/K·m²。

Claims

1.一种巷道或隧道对流传热系数测试方法，其特征在于，步骤如下：

b、在待测巷道或隧道段的两端轴心处各布置一个轴向测点，分别测量第一轴向测点(1)的温度t₁和第二轴向测点(2)的温度t₂；

c、在待测巷道或隧道段两个轴向测点中间位置沿径向至侧帮壁面、深入侧帮内选择两个径向测点，分别测量第一径向测点(3)的温度t₃和第二径向测点(4)温度t₄。同时测量第二径向测点(4)为模拟巷道或隧道壁面时的截面积A₂和周长U₂，由公式R₂＝4A₂/U₂得出模拟巷道或隧道等效直径R₂；

h = \frac{λ (t_{4} - t_{3})}{R_{1} (t_{w} - t_{m}) \ln (R_{2} / R_{1})}

即得到巷道或隧道围岩与风流间的对流传热系数h。

2.根据权利要求1所述的巷道或隧道对流传热系数测试方法，其特征在于：所述待测巷道或隧道段的长度为巷道或隧道等效直径R₁的50～100倍。

3.根据权利要求1所述的巷道或隧道对流传热系数测试方法，其特征在于：沿径向至侧帮壁面、深入侧帮内分别选择两个径向测点的距离为巷道或隧道等效直径R₁的0.1～0.5倍。