CN106908217A - 一种基于三维piv的独头巷道风流温湿度场试验系统 - Google Patents

一种基于三维piv的独头巷道风流温湿度场试验系统 Download PDF

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杨文宇
王浩泽
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Abstract

本发明涉及矿井通风与隧道通风技术领域，具体涉及一种基于三维PIV的独头巷道风流速度场、温度场与湿度场试验系统，其特征在于，包括：巷道模拟室，用于模拟巷道的空间结构；巷道通风模拟系统，用于在巷道模拟室内模拟出巷道风流状态；巷道温度模拟系统，用于在巷道模拟室内模拟出巷道温度状态；巷道湿度模拟系统，用于在巷道模拟室内模拟出湿度变化；温度与湿度检测系统，用于对巷道模拟室内温度与湿度的检测；三维PIV测试系统，用于测试巷道模拟室内空气的风流流场并将其转换为图形和数字信息进行分析处理。本发明的有益效果是提供了一种专门对独头巷道的速度场、温度场与湿度场开展研究的试验系统。

Description

一种基于三维PIV的独头巷道风流温湿度场试验系统
技术领域
本发明涉及矿井通风与隧道通风技术领域，具体涉及一种基于三维PIV的独头巷道风流速度场、温度场与湿度场试验系统。
背景技术
高地温问题是采矿工程、隧道工程及其他地下工程常见的地质灾害，而高温独头巷道已成为采矿工程与隧道施工期热湿环境最恶劣的区域之一，为了保证巷道内工作人员安全作业及设备正常运转，必须运用计算流体动力学定量评价巷道内的热湿环境来设计高效的通风降温方案。目前，矿井掘进巷道与隧道施工期的热环境的相关研究主要通过现场实测、试验测定、CFD数值模拟三种手段。随着CFD技术的发展，国内外已发展出多种数学模型应用于CFD数值模拟，如标准k-ε模型、RNG k-ε模型配合标准壁面函数、Realizable k-ε模型、V2F模型等紊流数学模型，但在数值模拟时对这些模型的选取与边界条件参数的设置缺乏科学的试验数据，无法为数值模拟提供实验数据支撑，也无法为独头巷道的降温工程实践提供准确的参考。近年来，利用粒子图像测速技术(PIV)获得流场中多点流体或粒子速度矢量的试验研究方法在研究室内空气流场方面得到了广泛应用，将这一技术引入到独头巷道通风降温研究中，可实现将“看不见、摸不着”的空气用示踪粒子可视化，获得独头巷道风流速度场的整体结构和流动的瞬态图像，而风流的温度场与速度场又是相关联的。所以，基于三维PIV技术对开展独头巷道风流速度场与温度场的基础研究具有重要意义。
独头巷道普遍采用压入式或抽压结合的通风方式，再加上机电设备阻塞等效应，独头巷道附近的风流速度场紊乱、温度场复杂。目前，还没有专门对独头巷道的风流速度场、温度场与湿度场开展研究的试验设备。
发明内容
针对以上所述现有技术中存在的不足，本发明提供了一种基于三维PIV的独头巷道风流速度场、温度场与湿度场试验系统，实现在实验室中对独头巷道的风流速度场、温度场与湿度场的准确测量，为CFD数值模拟提供科学依据。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种基于三维PIV的独头巷道风流速度场、温度场与湿度场试验系统，包括：
巷道模拟室，用于模拟巷道的空间结构；
巷道通风模拟系统，用于在巷道模拟室内模拟出巷道风流状态；
巷道温度模拟系统，用于在巷道模拟室内模拟出巷道温度状态；
巷道湿度模拟系统，用于在巷道模拟室内模拟出湿度变化；
温度与湿度检测系统，用于对巷道模拟室内温度与湿度的检测；
三维PIV测试系统，用于测试巷道模拟室内空气的风流流场并将其转换为图形和数字信息进行分析处理。
优选的，所述巷道通风模拟系统包括压入式风机、抽出式风机、压风筒和抽风筒，所述压风筒一端与所述压入式风机连接，另一端深入巷道模拟室内部，所述抽风筒的一端与所述抽出式风机连接，另一端深入到巷道模拟室内部。
优选的，所述巷道温度模拟系统包括加热板、电热膜、掘进机(或铲运机)散热模型，所述加热板设置在巷道模拟室的迎头位置，所述电热膜设置在巷道模拟室两侧。
优选的，所述温度与湿度检测系统包括温度传感器与湿度传感器。
优选的，所述三维PIV测试系统包括两个CCD摄像机、计算机工作站、片状激光成型器和同步控制器，所述计算机工作站，两个CCD摄像机和片状激光成型器均与同步控制器电连接。
优选的，所述巷道模拟室内设有可开闭式水槽，用于模拟巷道水分蒸发等传质现象。
本发明所述测试系统是在空气在管内受迫紊流传热时，只要保证模型和原型的雷诺准则相等，那么努谢尔特准则就必然相等的基础上，确定模型的尺寸与相关试验参数，例如，送风口速度、风管直径、风筒位置与试验时间等参数。
本发明所述试验系统，首先使用烟雾发生器产生试验所需要浓度和粒径示踪粒子，然后待示踪粒子与空气混合均匀，使用片状激光成型器向独头巷道断面打光，再利用两个CCD摄像机快速拍摄图片再利用专业分析软件读取数字化的粒子图像信息并进行分析和处理，实现把“看不见、摸不着”的空气用示踪粒子可视化，获得综掘工作面风流流场的整体结构和流动的瞬态图像。并辅以温度温度传感器与湿度传感器，通过试验研究压风筒与抽风筒出口风速、风温、以及压风筒与抽风筒位置、掘进机(铲运机)位置、巷道水分以及热源发热强度对端面热湿环境的影响规律，还能从中得到速度场、涡量场、紊流动能耗散率场等微观信息，可为数值模拟时的几何模型、物理模型与边界条件提供试验依据。
附图说明
图1是本发明所述试验系统的结构示意图。
图中:
1—巷道模拟室，2—压入式风机，3—抽出式风机，4—压风筒，5—抽风筒，6—加热板,7—电热膜，8—散热模型，9—温度传感器，10—湿度传感器，11—CCD摄像机,12—计算机工作站,13—片状激光成型器,14—同步控制器,15—可开闭式水槽,16—风速传感器。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式做进一步详细描述：
如图1所示，一种基于三维PIV的独头巷道风流速度场与温湿度场试验系统，包括：
巷道模拟室1，用于模拟巷道的空间结构；所述巷道模拟室1内设有可开闭式水槽15。
巷道通风模拟系统，用于在巷道模拟室1内模拟出巷道风流状态；
巷道温度模拟系统，用于在巷道模拟室1内模拟出巷道温度状态；
风速、温度与湿度检测系统，用于对巷道模拟室1内风速、温度与湿度的检测；
三维PIV测试系统，用于测试巷道模拟室1内空气的风流流场并将其转换为图形和数字信息进行分析处理。
所述巷道通风模拟系统包括压入式风机2、抽出式风机3、压风筒4和抽风筒5，所述压风筒4一端与所述压入式风机2连接，另一端深入巷道模拟室1内部，所述抽风筒5的一端与所述抽出式风机3连接，另一端深入到巷道模拟室1内部。
所述巷道温度模拟系统包括加热板6、电热膜7、掘进机(或铲运机)散热模型8，所述加热板6设置在巷道模拟室1的迎头位置，所述电热膜7设置在巷道模拟室1两侧。
所述风速、温度与湿度检测系统包括风速传感器、温度传感器9与湿度传感器10。
所述三维PIV测试系统包括两个CCD摄像机11、计算机工作站12、片状激光成型器13和同步控制器14，所述计算机工作站12，两个CCD摄像机11和片状激光成型器13均与同步控制器14电连接。
使用本发明所述试验系统时，首先使用烟雾发生器产生试验所需要浓度和粒径示踪粒子，然后待示踪粒子与空气混合均匀，使用片状激光成型器13向独头巷道断面打光，再利用两个CCD摄像机11快速拍摄图片再利用专业分析软件读取数字化的粒子图像信息并进行分析和处理，实现把“看不见、摸不着”的空气用示踪粒子可视化，获得综掘工作面风流流场的整体结构和流动的瞬态图像。并辅以温度温度传感器9与湿度传感器10，通过试验研究压风筒4与抽风筒5出口风速、风温、以及压风筒4与抽风筒5位置、掘进机(铲运机)位置、巷道水分以及热源发热强度对端面热湿环境的影响规律，还能从中得到速度场、涡量场、紊流动能耗散率场等微观信息，可为数值模拟时的几何模型、物理模型与边界条件提供试验依据。分别采用标准k-ε模型、RNG k-ε模型配合标准壁面函数、Realizable k-ε模型、V2F模型这四个紊流数学模型对独头巷道的风流流场与温度场的进行数值模拟并与实测结果比较并探索针对不同热参数与物理参数的独头巷道各自适用的数学模型与边界条件的设置。基于数值模拟及仿真试验研究获得的通风降温参数与工作面风流温度与湿度的耦合机理，利用MATLAB等软件进行数据处理，提出适用于不同类型的高温综掘工作面的最佳通风降温方案。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于三维PIV的独头巷道风流温湿度场试验系统，包括：
巷道模拟室，用于模拟巷道的空间结构；
巷道通风模拟系统，用于在巷道模拟室内模拟出巷道风流状态；
巷道温度模拟系统，用于在巷道模拟室内模拟出巷道温度状态；
巷道湿度模拟系统，用于在巷道模拟室内模拟出湿度变化；
风速、温度与湿度检测系统，用于对巷道模拟室内风速、温度与湿度的检测；
三维PIV测试系统，用于测试巷道模拟室内空气的风流流场并将其转换为图形和数字信息进行分析处理。
2.根据权利要求1所述的一种基于三维PIV的独头巷道风流温湿度场试验系统，其特征在于：所述巷道通风模拟系统包括压入式风机、抽出式风机、压风筒和抽风筒，所述压风筒一端与所述压入式风机连接，另一端深入巷道模拟室内部，所述抽风筒的一端与所述抽出式风机连接，另一端深入到巷道模拟室内部。
3.根据权利要求1所述的一种基于三维PIV的独头巷道风流温湿度场试验系统，其特征在于：所述巷道温度模拟系统包括加热板、电热膜、掘进机(或铲运机)散热模型，所述加热板设置在巷道模拟室的迎头位置，所述电热膜设置在巷道模拟室两侧。
4.根据权利要求1所述的一种基于三维PIV的独头巷道风流温湿度场试验系统，其特征在于：所述风速、温度与湿度检测系统包括风速传感器、温度传感器与湿度传感器。
5.根据权利要求1所述的一种基于三维PIV的独头巷道风流温湿度场试验系统，其特征在于：所述三维PIV测试系统包括两个CCD摄像机、计算机工作站、片状激光成型器和同步控制器，所述计算机工作站，两个CCD摄像机和片状激光成型器均与同步控制器电连接。
6.根据权利要求1所述的一种基于三维PIV的独头巷道风流温湿度场试验系统，其特征在于：所述巷道模拟室内设有可开闭式水槽。
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