CN113591182A - 一种巷道风速单点测量传感器布置及风速矫正方法 - Google Patents

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徐晓
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Abstract

本发明公开了一种巷道风速单点测量传感器布置及风速矫正方法，在巷道中确定测风点及测风区域，采用激光扫描设备获取测风区域的三维点云数据并建立三维模型，采用CFD软件进行巷道测风区域流场的模拟计算，根据涡流影响最大区间和巷道内设备通过最大需求高度选择确定传感器布置位置，模拟获取测风点允许过风风速区间内不同平均风速条件下的传感器悬挂布置位置的模拟风速，拟合得到风速传感器布置位置的风速与巷道平均风速的转换函数，实际测量时测得传感器布置位置的瞬时风速并结合转换函数即可得到巷道当前的平均风速。本发明具有测量工作量小、便捷性高、测量结果精度高等优点。

Description

一种巷道风速单点测量传感器布置及风速矫正方法
技术领域
本申请涉及采矿工程矿井通风技术领域，具体涉及一种巷道风速单点测量传感器布置及风速矫正方法。
背景技术
矿井通风的目的是在动力驱动下将地表的适量新鲜空气连续不断的输送到井下各个需风点，以保障井下作业人员的正常生理需求，矿山的安全生产。在矿山日常运作过程中，由于矿山通风系统关系不善造成的事故屡见不鲜。其中影响矿山通风系统高水平运转的关键就是巷道通风测量的精度。因此针对目前井下巷道通风测量领域中测不准的弊端进行研究具有重要的实际意义与应用价值。
目前，矿山通风系统的自动化和智能化水平日益提升，对井下巷道风速的测定基本依靠传感器。一般巷道平均风速的测定方法分为单点法和多点法，多点法是指在巷道断面内布设多个风速传感器，通过求各风速传感器监测数据的算数平均值得到巷道平均风速，这类方法可以获得较高的测量精度，但测试效率低且多点布设传感器会妨碍巷道的正常通行，因此多点测风不适于巷道风速的长期监测，单点测风由于其简便、高效的特点成为了巷道风速测量的主要方式。然而真实巷道受限于开挖工艺及成本不可避免的产生超欠挖，进而在近壁面区域产生涡流，如传感器悬挂在涡流区域，则风速获取难度及准确度大大降低。此外，由于单点测风方式只能监测一个点位的风速，而巷道断面上各点的风速并不均匀，所以以单点传感器获得的风速代表巷道的平均风速存在较大的误差。针对上述巷道风速数据获取难，误差大的问题，以往的研究大多处于断面风速规律的描述阶段，但是基于真实井下巷道的单点精准测风问题并没有合理的解决方案。
本发明利用先进的空间扫描技术、CFD模拟、数值方法开展巷道单点风速的准确测量，提出一种基于真实巷道的单点风速传感器布置方法及单点风速矫正方法，该方法可以避免壁面附近涡流造成的波动性，减少因断面风速分布不均产生的偏差，从而实现真实巷道风速单点精准测量。
发明内容
有鉴于此，本申请的目的在于克服现有技术的不足，提供一种巷道风速单点测量传感器布置及风速矫正方法。本发明采用如下技术方案实现：
(1)在巷道中选择确定测风点，将该测风点的前后区域设定为巷道测风区域；
(2)利用激光扫描设备对巷道测风区域进行形貌测定，获取巷道测风区域的三维点云数据；
(3)依据巷道测风区域的三维点云数据开展三维建模工作，建立巷道测风区域的三维模型；
(4)根据矿井类型、巷道功能、矿山通风系统设计及规程要求，确定测风点允许过风的风速区间，获得流场模拟基础参数；
(5)采用CFD软件进行巷道测风区域流场的模拟计算，得到巷道顶壁涡流影响最大区间，根据矿山设计和生产要求，确定巷道内设备通过最大需求高度，根据涡流影响最大区间和巷道内设备通过最大需求高度选择确定传感器布置位置；
(6)采用CFD软件，依托巷道测风区域的三维模型进行测风点允许过风风速区间内的流场模拟，获取测风点允许过风风速区间内不同平均风速条件下的传感器悬布置位置的模拟风速数据；
(7)将不同平均风速条件下风速传感器布置位置的模拟风速数据与巷道平均风速数据进行拟合，得到风速传感器布置位置的风速与巷道平均风速的转换函数，转换函数的形式如下：
V＝kv+B
式中，v为风速传感器布置位置的风速，V为巷道平均风速，k为拟合系数、B为误差矫正系数；
(8)实际测量时，将风速传感器悬挂至巷道中测风点传感器布置位置，测量测得传感器布置位置的瞬时风速，然后结合转换函数即可得到巷道当前的平均风速。
进一步地，所述巷道测风区域的长度应大于3倍的巷道水力半径。
进一步地，所述激光扫描设备的扫描精度应不小于厘米级，以保证巷道测风区域三维建模的精度需求。
进步一步地，所述顶壁涡流影响最大区间确定方式如下，以模拟测风巷道区域流场的纵剖面为主要研究剖面，在此剖面中自上至下等间隔设置风速矢量监测线，遍历监测线上风速方向，直至某一高度下监测线上所有风速矢量方向相同，则此监测线代表高度为近壁面涡流最大影响高度，此高度至巷道顶壁的距离为当前平均风速下的涡流影响区间，在测风点允许过风的风速区间内设定不同的平均风速进行分析，得到不同平均风速条件下的涡流影响区间，范围最大的涡流影响区间即为涡流影响最大区间。
进步一步地，所述传感器布置位置位于巷道设备通过最大需求高度之上且位于涡流影响最大区间以外，以保证测量的稳定持续性与巷道通过能力。
有益效果
本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：
(1)采用三维激光扫描技术建立巷道测风区域的三维模型，高度还原巷道通风实际工况，在此基础上采用数值模拟方法对巷道流场进行计算，通过拟合计算即可得到单点风速与巷道平均风速的转换函数，测量工作量小，便捷性高。
(2)通过高精度三维激光扫描和数值模拟方法，有效排除了壁面涡流影响对测量精度的影响，大幅提高了单点风速测量法的准确性。
下面通过附图和具体实施方式，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1是本申请中一种巷道风速单点测量传感器布置及风速矫正方法流程图。
图2是本申请中巷道测风区域三维建模示意图。
图3是本申请中一种CFD计算方式流程示意图。
图4是本申请中一种不平整壁面风速分布影响示意图。
图5是本申请中涡流影响区间确定流程图。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明各实施例的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。
如图1所示，本发明提出一种巷道风速单点测量传感器布置及风速矫正方法，具体包括以下步骤：
(1)在巷道中选择确定测风点，将该测风点的前后区域设定为巷道测风区域，巷道测风区域的长度应大于3倍的巷道水力半径。
(2)利用激光扫描设备对巷道测风区域进行形貌测定，获取巷道测风区域的三维点云数据。所述激光扫描设备的扫描精度应不小于厘米级，以保证巷道测风区域三维建模的精度需求。
(3)依据巷道测风区域的三维点云数据开展三维建模工作，建立巷道测风区域的三维模型。本实施例中，如图2所示，在三维点云数据基础上可以利用CAD等三维建模软件建立目标巷道三维模型，本实施例目标巷道模型以水平三心拱巷道为例，三心拱巷道设计高度4m,设计宽度4.5m。
(4)根据矿井类型、巷道功能、矿山通风系统设计及规程要求，确定测风点允许过风的风速区间，获得流场模拟基础参数。本实施方式中，目标巷道的允许过风风速区间为0m/s-8m/s。
(5)采用CFD软件进行巷道测风区域流场的模拟计算，得到巷道顶壁涡流影响最大区间，根据矿山设计和生产要求，确定巷道内设备通过最大需求高度，根据涡流影响最大区间和巷道内设备通过最大需求高度选择确定传感器布置位置。本实施例中，如图3所示，目标巷道三维模型可以导入FLUENT等CFD计算软件进行网格划分，通过在软件设定基础模拟参数、边界条件后执行流场迭代计算，最后通过CFD-post后处理软件提取流场中风速数据，计算目标巷道流场时取巷道平均风速为1m/s、2m/s、4m/s、6m/s、8m/s。研究剖面流场示意图如图4所示，涡流影响范围的确定方式如图5所示，以研究对象为基础，自上至下等间隔设置风速矢量监测线，遍历监测线上风速方向，直至某一高度下监测线上所有风速矢量方向相同，则此监测线代表高度为涡流最大影响高度，此高度至顶壁的距离为当前平均风速下涡流影响区间，涡流影响区间范围确定的精度取决于监测线间隔设置精度。本实施例中，涡流最大影响区间出现在平均风速为8m/s情况下，此时涡流影响最大区间为标准壁面以下35cm，巷道内设备通过最大需求高度为320cm，则可确定风速传感器布置高度区间为该测风点轴线上标准壁面下35-80cm，为保证测量效果及巷道的较大通过能力，确定风速传感器悬挂位置为据上标准壁面50cm处。
(6)采用CFD软件，依托巷道测风区域的三维模型进行测风点允许过风风速区间内的流场模拟，获取测风点允许过风风速区间内不同平均风速条件下的传感器布置位置的模拟风速数据。本实施例中，目标巷道的通风风速区间为0m/s-8m/s，因此在计算目标巷道流场时取巷道平均风速为1m/s、2m/s、4m/s、6m/s、8m/s，计算得到传感器布置位置的模拟风速数据见表1。
表1不同平均风速条件下传感器布置位置的模拟风速
平均风速 1m/s 2m/s 4m/s 6m/s 8m/s
悬挂点风速 0.95m/s 1.75m/s 3.52m/s 5.20m/s 7.14m/s
(7)将不同平均风速条件下风速传感器布置位置的模拟风速数据与巷道平均风速数据进行拟合，得到风速传感器布置位置的风速与巷道平均风速的转换函数，转换函数的形式如下：
V＝kv+B
式中，v为风速传感器布置位置的风速，V为巷道平均风速，k为拟合系数、B为误差矫正系数。本实施方式中，可以利用计算软件将平均风速及悬挂点风速进行线性拟合，本实施例中，拟合得转换函数为V＝1.13413v-0.0099，其中k＝1.13413，B＝-0.0099。
(8)将风速传感器悬挂至巷道中测风点传感器布置位置，测量测得传感器布置位置的瞬时风速，然后结合转换函数即可得到巷道当前的平均风速。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种巷道风速单点测量传感器布置及风速矫正方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在巷道中选择确定测风点，将该测风点的前后区域设定为巷道测风区域；
(2)利用激光扫描设备对巷道测风区域进行形貌测定，获取巷道测风区域的三维点云数据；
(3)依据巷道测风区域的三维点云数据开展三维建模工作，建立巷道测风区域的三维模型；
(4)根据矿井类型、巷道功能、矿山通风系统设计及规程要求，确定测风点允许过风的风速区间，获得流场模拟基础参数；
(5)采用CFD软件进行巷道测风区域流场的模拟计算，得到巷道顶壁涡流影响最大区间，根据矿山设计和生产要求，确定巷道内设备通过最大需求高度，根据涡流影响最大区间和巷道内设备通过最大需求高度选择确定传感器布置位置；
(6)采用CFD软件，依托巷道测风区域的三维模型进行测风点允许过风风速区间内的流场模拟，获取测风点允许过风风速区间内不同平均风速条件下的传感器悬挂布置位置的模拟风速数据；
(7)将不同平均风速条件下风速传感器布置位置的模拟风速数据与巷道平均风速数据进行拟合，得到风速传感器布置位置的风速与巷道平均风速的转换函数，转换函数的形式如下：
V＝kv+B
式中，v为风速传感器布置位置的风速，V为巷道平均风速，k为拟合系数，B为误差矫正系数；
(8)实际测量时，将风速传感器悬挂至巷道中测风点传感器布置位置，测量测得传感器布置位置的瞬时风速，然后结合转换函数即可得到巷道当前的平均风速。
2.根据权利要求1所述的一种巷道风速单点测量传感器布置及风速矫正方法，其特征在于：所述巷道测风区域的长度应大于3倍的巷道水力半径。
3.根据权利要求1所述的一种巷道风速单点测量传感器布置及风速矫正方法，其特征在于：所述激光扫描设备的扫描精度应不小于厘米级，以保证巷道测风区域三维建模的精度需求。
4.根据权利要求1所述的一种巷道风速单点测量传感器布置及风速矫正方法，其特征在于：所述顶壁涡流影响最大区间确定方式如下，以模拟测风巷道区域流场的纵剖面为主要研究剖面，在此剖面中自上至下等间隔设置风速矢量监测线，遍历监测线上风速方向，直至某一高度下监测线上所有风速矢量方向相同，则此监测线代表高度为近壁面涡流最大影响高度，此高度至巷道顶壁的距离为当前平均风速下的涡流影响区间，在测风点允许过风的风速区间内设定不同的平均风速进行分析，得到不同平均风速条件下的涡流影响区间，范围最大的涡流影响区间即为涡流影响最大区间。
5.根据权利要求1所述的一种巷道风速单点测量传感器布置及风速矫正方法，其特征在于：所述传感器布置位置位于巷道设备通过最大需求高度之上且位于涡流影响最大区间以外，以保证测量的稳定持续性与巷道通过能力。
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