CN117648558A - 基于移动坐标的掘进巷道围岩温度场和散热量分析方法及系统 - Google Patents
基于移动坐标的掘进巷道围岩温度场和散热量分析方法及系统 Download PDFInfo
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Abstract
本申请涉及采矿技术领域，提供了一种基于移动坐标的掘进巷道围岩温度场和散热量分析方法及系统。该方法中，将掘进巷道在固定坐标下的围岩温度场简化为轴对称无内热源导热的物理模型，确定在固定坐标下围岩温度场的边界条件，并基于预设的坐标变换模型，将固定坐标下的围岩温度场转化为移动坐标下的温度预测模型，以得到掘进巷道在移动坐标下的围岩温度场，进而，确定掘进巷道的围岩壁面温度及围岩壁面热流密度；最后，基于牛顿冷却定律，根据掘进巷道的围岩壁面温度及围岩壁面热流密度，确定掘进巷道的围岩散热量。籍以，有效减小了围岩散热强度变化对围岩散热量计算造成的误差，提高了掘进巷道围岩温度场和散热量计算的准确性和可靠性。
Description
技术领域
本申请涉及采矿技术领域，特别涉及一种基于移动坐标的掘进巷道围岩温度场和散热量分析方法及系统。
背景技术
随着煤矿资源需求的不断增加，以及开采强度的不断提高，浅部资源逐渐枯竭，矿山开采即将进入深部开采阶段。
随着采深的增加，伴随着高地温的出现，部分围岩温度将高达42℃，导致掘进风流温度超过36℃，严重超过了规定的采掘工作面风流温度（30℃），同时也远远超过了人体劳动时的适宜温度，甚至导致出现中暑、热虚脱、热衰竭等。
矿山地热造成的高温热害问题日趋严重，比如，矿井热害造成煤岩体性质劣化、支护结构失效、导致高温高湿环境等，特别是高温高湿环境还会对工人的生理、心理和行为都造成不利的影响，热害问题严重威胁了井下的生产安全。
矿井热害防治的前提是精准计算掘进过程中产生的总散热量，在掘进工作面掘进过程中，围岩散热是最主要的散热源，其散热量约占总散热量的90%，围岩散热量的计算是精准计算总散热量的关键，但随着掘进迎头的推进，掘进迎头处的对流换热系数不断变化，导致其散热强度变化规律极为复杂。
因而，亟需提供一种针对上述现有技术不足的技术方案。
发明内容
本申请的目的在于提供一种基于移动坐标的掘进巷道围岩温度场和散热量分析方法及系统，以解决或缓解上述现有技术中存在的问题。
为了实现上述目的，本申请提供如下技术方案：
本申请提供一种基于移动坐标的掘进巷道围岩温度场和散热量分析方法，包括：步骤S101、将所述掘进巷道在固定坐标下的围岩温度场简化为轴对称无内热源导热的物理模型，确定所述掘进巷道在固定坐标下围岩温度场的边界条件；步骤S102、基于预设的坐标变换模型，将所述掘进巷道在固定坐标下的围岩温度场转化为移动坐标下的温度预测模型；其中，所述掘进巷道在移动坐标下的温度预测模型的边界条件与所述掘进巷道在固定坐标下的围岩温度场的边界条件相同；步骤S103、对所述掘进巷道移动坐标下的温度预测模型进行解算，得到所述掘进巷道在移动坐标下的围岩温度场；步骤S104、根据所述掘进巷道在移动坐标下的围岩温度场，确定所述掘进巷道的围岩壁面温度及围岩壁面热流密度；步骤S105、基于牛顿冷却定律，根据所述掘进巷道的围岩壁面温度及围岩壁面热流密度，确定所述掘进巷道的围岩散热量。
优选的，在步骤S101中，所述边界条件为：
；
其中，表示所述掘进巷道在固定坐标下的围岩温度场对应的围岩温度；/>表示所述掘进巷道的围岩原始岩温，取值为常数；/>表示所述掘进巷道的围岩导热系数；/>表示边界/>的法向方向；/>表示所述掘进巷道的巷道围岩与风流之间的对流换热系数；/>表示所述掘进巷道的围岩壁面温度；/>表示所述掘进巷道内的风流温度；
表示所述掘进巷道的巷道围岩内部的原始岩温边界；/>表示所述掘进巷道的巷道壁面与风流之间的对流换热边界。
优选的，在步骤S102中，预设的坐标变换模型为：
；
其中，表示移动坐标的横向，用于表征所述掘进巷道的起始端至掘进迎头的距离；/>表示移动坐标的径向，用于表征所述掘进巷道的巷道壁面沿径向深入围岩内部的距离；/>表示所述掘进巷道的平均掘进速度，/>表示掘进时间；/>表示固定坐标的水平方向，用于表征所述掘进巷道的起始端至掘进迎头的距离；/>表示固定坐标的垂直方向，用于表征所述掘进巷道的巷道壁面沿径向深入围岩内部的距离。
优选的，在步骤S102中，所述掘进巷道在移动坐标下的温度预测模型为：
；
其中，表示所述掘进巷道的围岩温度；/>表示所述温度预测模型中的积分区域面积；/>表示所述掘进巷道的围岩导热系数；/>表示移动坐标的横向，用于表征所述掘进巷道的起始端至掘进迎头的距离；/>表示移动坐标的径向，用于表征所述掘进巷道的巷道壁面沿径向深入围岩内部的距离；/>表示所述掘进巷道的围岩密度；/>表示所述掘进巷道的围岩比热容；/>表示所述掘进巷道的平均掘进速度。
优选的，在步骤S103中，沿所述掘进巷道的径向，采用等比划分方法，对所述掘进巷道在移动坐标下的温度预测模型进行三角形网格划分。
优选的，在步骤S103中，对所述掘进巷道在移动坐标下的温度预测模型进行离散化，并基于有限体积法确定所述掘进巷道在移动坐标下的各节点温度，以构建所述掘进巷道在移动坐标下的围岩温度场。
优选的，在步骤S104中，按照公式：
；
确定所述掘进巷道围岩壁面热流密度；
其中，表示所述掘进巷道的巷道壁面与风流之间的对流换热边界；/>表示所述掘进巷道的巷道围岩与风流之间的对流换热系数；/>表示所述掘进巷道的围岩壁面温度；/>表示所述掘进巷道内的风流温度。
优选的，在步骤S105中，按照公式：
；
确定所述掘进巷道的围岩散热量；
其中，表示所述掘进巷道的围岩壁面热流密度；/>表示所述掘进巷道的长度；/>表示所述掘进巷道的围岩壁面温度；/>表示所述掘进巷道的周长；/>表示所述掘进巷道内的风流温度；/>表示所述掘进巷道的特征半径；/>表示移动坐标的横向，用于表征所述掘进巷道的起始端至掘进迎头的距离；/>表示移动坐标的径向，用于表征所述掘进巷道的巷道壁面沿径向深入围岩内部的距离。
本申请实施例还提供一种基于移动坐标的掘进巷道围岩温度场和散热量分析系统，包括：边界确定单元，配置为将所述掘进巷道在固定坐标下的围岩温度场简化为轴对称无内热源导热的物理模型，确定所述掘进巷道在固定坐标下围岩温度场的边界条件；
移动坐标温度场单元，配置为基于预设的坐标变换模型，将所述掘进巷道在固定坐标下的围岩温度场转化为移动坐标下的温度预测模型；其中，所述掘进巷道在移动坐标下的温度预测模型的边界条件与所述掘进巷道在固定坐标下的围岩温度场的边界条件相同；
温度场解算单元，配置为对所述掘进巷道移动坐标下的温度预测模型进行解算，得到所述掘进巷道在移动坐标下的围岩温度场；
参数确定单元，配置为根据所述掘进巷道在移动坐标下的围岩温度场，确定所述掘进巷道的围岩壁面温度及围岩壁面热流密度；
散热量确定单元，配置为基于牛顿冷却定律，根据所述掘进巷道的围岩壁面温度及围岩壁面热流密度，确定所述掘进巷道的围岩散热量。
有益效果：
本申请实施例提供的基于移动坐标的掘进巷道围岩温度场和散热量分析方法中，首先，将掘进巷道在固定坐标下的围岩温度场简化为轴对称无内热源导热的物理模型，确定掘进巷道在固定坐标下围岩温度场的边界条件；然后，基于预设的坐标变化模型，将掘进巷道在固定坐标下的围岩温度场转化为移动坐标下的温度预测模型，且掘进巷道在移动坐标下的温度预测模型的边界条件与掘进巷道在固定坐标下的围岩温度场的边界条件相同；接着，对掘进巷道在移动坐标下的温度预测模型进行解算，得到掘进巷道在移动坐标下的围岩温度场。最后，根据掘进巷道在移动坐标下的围岩温度场，确定掘进巷道的围岩壁面温度及围岩壁面热流密度，并基于牛顿冷却定律，得到掘进巷道的围岩散热量。
籍以，通过将掘进巷道固定坐标下的围岩温度场转换为移动坐标下的温度预测模型，通过移动坐标实现对掘进巷道动态掘进特性的模拟，结合掘进速度对巷道围岩散热强度变化的影响，有效减小了围岩散热强度变化对围岩散热量计算造成的误差，提高了掘进巷道围岩温度场和散热量计算的准确性和可靠性。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。其中：
图1为根据本申请的一些实施例提供的一种基于移动坐标的掘进巷道围岩温度场和散热量分析方法的流程示意图；
图2为根据本申请的一些实施例提供的掘进巷道围岩温度场计算区域的示意图；
图3为根据本申请的一些实施例提供的固定坐标到移动坐标的转换示意图；
图4为根据本申请的一些实施例提供的围岩温度场边界条件示意图；
图5为根据本申请的一些实施例提供的掘进巷道网格划分示意图；
图6为根据本申请的一些实施例提供的三角形单元划分示意图；
图7为根据本申请的一些实施例提供的节点控制体示意图；
图8为根据本申请的一些实施例提供的边界节点对内部控制体积的热贡献的示意图；
图9为根据本申请的一具体实施例中掘进巷道的围岩温度场的示意图；
图10为根据本申请的一具体实施例中掘进巷道围岩不同位置处的围岩壁面热流密度的示意图；
图11为根据本申请的一具体实施例中不同掘进速度下掘进巷道的围岩散热量的示意图；
图12为根据本申请的一些实施例提供的一种基于移动坐标的掘进巷道围岩温度场和散热量分析系统的结构示意图。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。各个示例通过本申请的解释的方式提供而非限制本申请。实际上，本领域的技术人员将清楚，在不脱离本申请的范围或精神的情况下，可在本申请中进行修改和变型。例如，示为或描述为一个实施例的一部分的特征可用于另一个实施例，以产生又一个实施例。
掘进巷道围岩温度场的分布及其散热规律，对井下热环境预测和需冷量计算具有重要意义。现阶段，掘进巷道围岩温度场及围岩温度的散热量难以通过现场进行实测，现有的模拟方法又没有考虑巷道在动态移动过程中迎头处的围岩的对流换热系数的不断变化，而且忽略了掘进速度对巷道围岩散热强度的影响。因此，现有对掘进巷道围岩温度场的方法与竣工巷道有着本质区别。在现有掘进巷道围岩温度场的研究中，忽略了掘进巷道在快速推进过程中，巷道空间内的围岩散热强度分布的空间差异（即巷道在动态移动过程中迎头处的围岩的对流换热系数的不断变化，掘进速度对巷道围岩散热强度的影响），导致其围岩散热计算与实际情况存在很大偏差。
由于掘进速度对巷道围岩散热轻度的影响很大，这部分散热量的计算对掘进巷道热环境控制以及热害治理至关重要，而现有技术中进队巷道围岩传热特性进行分析，并不能准确的实现掘进巷道围岩温度场和散热量的预测。基于此，本申请提出一种基于移动坐标的掘进巷道围岩温度场和散热量分析方法，将掘进巷道固定坐标下的围岩温度场转换为移动坐标下的温度预测模型，结合掘进速度对巷道围岩散热强度变化的影响，对掘进巷道在掘进速度影响下（移动坐标）的围岩温度场进行预测，实现对掘进巷道动态掘进特性的模拟，有效减小了围岩散热强度变化对围岩散热量计算造成的误差，提高了掘进巷道围岩温度场和散热量计算的准确性和可靠性。
如图1至图8所示，该基于移动坐标的掘进巷道围岩温度场和散热量分析方法包括：
步骤S101、将掘进巷道在固定坐标下的围岩温度场简化为轴对称无内热源导热的物理模型，确定掘进巷道在固定坐标下围岩温度场的边界条件。
本申请中，将掘进巷道在固定坐标下的围岩温度场简化成轴对称无内热源导热的物理模型，确定物理模型的边界条件；其中，掘进巷道的围岩温度场区域如图2所示。在围岩温度场简化过程中，将掘进巷道的周围岩体视为连续、各项同性的均匀介质，且无内部热源；掘进巷道内各处围岩与风流间对流换热条件一致，将掘进巷道的横截面形状简化为圆形，围岩原始岩温为常值。基于上述条件，掘进巷道在径向上换热一致，即可将掘进巷道在直角坐标系（固定坐标）下的围岩温度场转化到为柱坐标系（移动坐标）下。
由于掘进巷道的巷道围岩与外界环境的相互作用，掘进迎头不断向前推进，围岩温度场的边界模型如图3所示，具体的，围岩温度场的边界条件为：
；
其中，表示掘进巷道在固定坐标下的围岩温度场对应的围岩温度；/>表示掘进巷道的围岩原始岩温，取值为常数；/>表示掘进巷道的围岩导热系数；/>表示边界/>的法向方向；/>表示掘进巷道的巷道围岩与风流之间的对流换热系数；/>表示掘进巷道的围岩壁面温度；/>表示掘进巷道内的风流温度；/>表示掘进巷道的巷道围岩内部的原始岩温边界；表示掘进巷道的巷道壁面与风流之间的对流换热边界。
对于边界条件中的对流换热边界，通过掘进巷道内强制对流传热模型来确定对流换热系数。具体的，按照公式：
；
确定对流换热系数。
其中，表示掘进巷道内的空气导热系数；/>表示掘进巷道内的风流的摩擦阻力系数，由Moody摩擦系数图确定；/>表示掘进巷道内风流的雷诺数；/>表示普朗特数；/>表示掘进巷道的巷道断面周长。
步骤S102、基于预设的坐标变换模型，将掘进巷道在固定坐标下的围岩温度场转化为移动坐标下的温度预测模型。
本申请中，将掘进巷道在固定坐标下的围岩温度场简化成轴对称无内热源导热的物理模型，当工作面允许推进时，工作面的壁面温度、风流温度降保持不变。因此，在本申请中，将柱坐标系下的方向的坐标定义为移动方向、移动速度与工作面的掘进方向、掘进速度完全相同，籍以，在柱坐标系下，掘进巷道的围岩温度场内任何一点的温度降不随时间变化。进而，通过坐标变换得到的移动坐标下的导热微分方程将不含时间变量。
其中，固定坐标向移动坐标下的预设坐标变换模型为：
；
其中，表示移动坐标的横向，用于表征所述掘进巷道的起始端至掘进迎头的距离；/>表示移动坐标的径向，用于表征所述掘进巷道的巷道壁面沿径向深入围岩内部的距离；/>表示所述掘进巷道的平均掘进速度，/>表示掘进时间；/>表示固定坐标的水平方向，用于表征所述掘进巷道的起始端至掘进迎头的距离；/>表示固定坐标的垂直方向，用于表征所述掘进巷道的巷道壁面沿径向深入围岩内部的距离。
进一步的，根据能量守恒定律及傅里叶定律，即可建立移动坐标下掘进巷道的围岩温度场的导热微分方程，即温度预测模型：
；
其中，表示所述掘进巷道的围岩温度；/>表示所述温度预测模型中的积分区域面积；/>表示所述掘进巷道的围岩导热系数；/>表示移动坐标的横向，用于表征所述掘进巷道的起始端至掘进迎头的距离；/>表示移动坐标的径向，用于表征所述掘进巷道的巷道壁面沿径向深入围岩内部的距离；/>表示所述掘进巷道的围岩密度；/>表示所述掘进巷道的围岩比热容；/>表示所述掘进巷道的平均掘进速度。
本申请中，掘进巷道在移动坐标下的温度预测模型的边界条件与掘进巷道在固定坐标下的围岩温度场的边界条件相同，由掘进巷道在移动坐标下的温度预测模型和边界条件共同构成完整的移动坐标下掘进巷道围岩温度场的数学模型。
步骤S103、对掘进巷道移动坐标下的温度预测模型进行解算，得到掘进巷道在移动坐标下的围岩温度场。
本申请中，如图5所示，对掘进巷道在移动坐标下的温度预测模型进行离散化。具体的，采用三角形单位的网格划分对温度预测模型的解算区域进行等比划分。即以三角形单元为网格划分基本单元，沿掘进巷道的径向，采用等比划分方法，对掘进巷道在移动坐标下的温度预测模型进行三角形网格划分，并对巷道壁面和掘进迎头的网格进行合理加密，将温度预测模型的解算区域进行离散化处理。在此，通过对巷道壁面和掘进迎头的网格进行合理加密，有效提高节点温度的相对精度。
进而，基于有限体积法，确定掘进巷道在移动坐标下的各节点温度，以构建掘进巷道在移动坐标下的围岩温度场。即采用有限体积法的温度插值函数来离散温度预测模型，建立以各节点温度的线性方程组，解算得到掘进巷道在移动坐标下的围岩温度场。
具体的，基于有限体积法，根据预先设定的线性温度插值函数，对掘进巷道在移动坐标下的围岩温度场进行解算。其中，线性温度插值函数为：
；
其中，分别为掘进巷道壁面网格划分后的任一三角形单元的节点编号；分别为节点/>对应的节点坐标；/>分别为节点/>对应的节点温度；/>表示该三角形单元中任意位置处的温度。
对于温度预测模型的内部节点，如图6所示，在三角形单元中，/>为穿过三角形重心的直线，与/>边平行，三角形/>即表示三角形单元/>中节点/>的控制体积，定义为单元控制体积。同样的，可以获得以节点/>为顶点的其它5个单元中节点/>的单元控制体积，进而，这6个单元控制体积组成的多边形/>即为节点/>的内部节点控制体积，如图7所示。
根据格林公式，在节点的内部节点控制体积内，温度预测模型可转化为：
；
其中，表示节点/>的内部节点控制体积的周长。可知，节点/>处的热平衡方程由与/>连接的所有单元控制体积的热贡献（即节点对单元控制体积的热作用）之和组成。比如，三角形/>对节点/>的热贡献/>可表示为：
；
式中，
；
同样的，可以得到三角形对节点/>、节点/>的热贡献/>和/>，并以矩阵形式表示为：
；
其中，
；
式中，表示温度场矩阵系数；/>为/>的常数系数。
对于温度预测模型的外部节点，对于巷道围岩温度场计算区域边界上的任一节点，边界节点对内部控制体积的热贡献，如图8所示。节点/>的边界节点控制体积由相邻的三个单元控制体积和对流换热边界/>组成；其中，三个单元控制体积对节点/>的热贡献为/>，而对流换热边界/>对节点/>的热贡献为：
；
式中：
；
其中，表示温度场矩阵系数；/>表示常数列向量系数。
在完成对控制体单元内部、边界的离散后，将所有单元控制区域在同一节点上的热贡献叠加，完成节点/>处能量守恒方程的合成，建立以温度为未知量的节点/>的线性方程。以同样的方法，即可得到以各节点温度为未知量的线性方程组：
；
其中，表示各节点的温度；/>为线性方程组的系数，为常数；/>表示节点个数，为正整数。进而，通过高斯-塞德尔迭代法，对以各节点温度为未知量的线性方程组进行求解，即可得到掘进巷道在移动坐标下的各节点温度。
步骤S104、根据掘进巷道在移动坐标下的围岩温度场，确定掘进巷道的围岩壁面温度及围岩壁面热流密度。
本申请中，在通过高斯-塞德尔迭代法，对以各节点温度为未知量的线性方程组进行求解，可同时得到进巷道的围岩壁面温度。而由于围岩壁面温度与风流温度存在温差，巷道围岩与风流之间的热交换以对流形式进行，进而，可通过巷道壁面对流换热系数、围岩壁面温度与风流温度的差，得到围岩壁面热流密度。
具体的，按照公式：
；
确定掘进巷道围岩壁面热流密度。其中，/>表示掘进巷道的巷道壁面与风流之间的对流换热边界；/>表示掘进巷道的巷道围岩与风流之间的对流换热系数；/>表示掘进巷道的围岩壁面温度；/>表示掘进巷道内的风流温度。
步骤S105、基于牛顿冷却定律，根据掘进巷道的围岩壁面温度及围岩壁面热流密度，确定掘进巷道的围岩散热量。
在得到掘进巷道围岩壁面热流密度、围岩壁面温度和巷道周长等参数后，基于牛顿冷却定律，即可得到掘进巷道的围岩散热量。具体的，按照公式：
；
确定掘进巷道的围岩散热量。其中，/>表示掘进巷道的围岩壁面热流密度；/>表示掘进巷道的长度；/>表示掘进巷道的围岩壁面温度；/>表示掘进巷道的周长；/>表示掘进巷道内的风流温度；/>表示掘进巷道的特征半径；/>表示移动坐标的横向，用于表征掘进巷道的起始端至掘进迎头的距离；/>表示移动坐标的径向，用于表征掘进巷道的巷道壁面沿径向深入围岩内部的距离。
在一具体的例子中，根据上述方法，确定的掘进巷道在移动坐标下的围岩温度场如图9所示，对应得到的围岩壁面热流密度为，掘进巷道不同位置处的热流密度变化如图10所示。当工作面推进至80米时，根据上述公式计算得到的掘进巷道的围岩散热量为30.78/>，单位时间围岩散热量随推进速度的变化如图11所示，可知，不同推进速度下，单位时间围岩散热量的值随推进速度的增大而增大。
本申请中，基于移动坐标下掘进巷道的边界条件，建立起掘进巷道围岩温度场的温度预测模型，并利用有限体积法确定掘进巷道围岩各节点温度、掘进巷道的围岩壁面温度以及围岩壁面热流密度，实现了基于移动坐标下巷道围岩温度场的准确预测，并通过牛顿冷却定律精确计算处掘进巷道的围岩散热量，为掘进巷道的风温预测和蓄冷量计算提供支持。
如图12所示，本申请实施例还提供一种基于移动坐标的掘进巷道围岩温度场和散热量分析系统，包括：边界确定单元1201、移动坐标温度场单元1202、温度场解算单元1203、参数确定单元1204和散热量确定单元1204。
边界确定单元1201，配置为将掘进巷道在固定坐标下的围岩温度场简化为轴对称无内热源导热的物理模型，确定掘进巷道在固定坐标下围岩温度场的边界条件。
移动坐标温度场单元1202，配置为基于预设的坐标变换模型，将掘进巷道在固定坐标下的围岩温度场转化为移动坐标下的温度预测模型；其中，掘进巷道在移动坐标下的温度预测模型的边界条件与掘进巷道在固定坐标下的围岩温度场的边界条件相同。
温度场解算单元1203，配置为对掘进巷道移动坐标下的温度预测模型进行解算，得到掘进巷道在移动坐标下的围岩温度场。
参数确定单元1204，配置为根据掘进巷道在移动坐标下的围岩温度场，确定掘进巷道的围岩壁面温度及围岩壁面热流密度。
散热量确定单元1205，配置为基于牛顿冷却定律，根据掘进巷道的围岩壁面温度及围岩壁面热流密度，确定掘进巷道的围岩散热量。
以上所述仅为本申请的优选实施例，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种基于移动坐标的掘进巷道围岩温度场和散热量分析方法，其特征在于，包括：
步骤S101、将所述掘进巷道在固定坐标下的围岩温度场简化为轴对称无内热源导热的物理模型，确定所述掘进巷道在固定坐标下围岩温度场的边界条件；
步骤S102、基于预设的坐标变换模型，将所述掘进巷道在固定坐标下的围岩温度场转化为移动坐标下的温度预测模型；其中，所述掘进巷道在移动坐标下的温度预测模型的边界条件与所述掘进巷道在固定坐标下的围岩温度场的边界条件相同；
步骤S103、对所述掘进巷道移动坐标下的温度预测模型进行解算，得到所述掘进巷道在移动坐标下的围岩温度场；
步骤S104、根据所述掘进巷道在移动坐标下的围岩温度场，确定所述掘进巷道的围岩壁面温度及围岩壁面热流密度；
步骤S105、基于牛顿冷却定律，根据所述掘进巷道的围岩壁面温度及围岩壁面热流密度，确定所述掘进巷道的围岩散热量。
2.根据权利要求1所述的基于移动坐标的掘进巷道围岩温度场和散热量分析方法，其特征在于，在步骤S101中，所述边界条件为：
；
其中，表示所述掘进巷道在固定坐标下的围岩温度场对应的围岩温度；/>表示所述掘进巷道的围岩原始岩温，取值为常数；/>表示所述掘进巷道的围岩导热系数；/>表示边界的法向方向；/>表示所述掘进巷道的巷道围岩与风流之间的对流换热系数；/>表示所述掘进巷道的围岩壁面温度；/>表示所述掘进巷道内的风流温度；
表示所述掘进巷道的巷道围岩内部的原始岩温边界；/>表示所述掘进巷道的巷道壁面与风流之间的对流换热边界。
3.根据权利要求1所述的基于移动坐标的掘进巷道围岩温度场和散热量分析方法，其特征在于，在步骤S102中，预设的坐标变换模型为：
；
其中，表示移动坐标的横向，用于表征所述掘进巷道的起始端至掘进迎头的距离；/>表示移动坐标的径向，用于表征所述掘进巷道的巷道壁面沿径向深入围岩内部的距离；/>表示所述掘进巷道的平均掘进速度，/>表示掘进时间；/>表示固定坐标的水平方向，用于表征所述掘进巷道的起始端至掘进迎头的距离；/>表示固定坐标的垂直方向，用于表征所述掘进巷道的巷道壁面沿径向深入围岩内部的距离。
4.根据权利要求3所述的基于移动坐标的掘进巷道围岩温度场和散热量分析方法，其特征在于，在步骤S102中，所述掘进巷道在移动坐标下的温度预测模型为：
；
其中，表示所述掘进巷道的围岩温度；/>表示所述温度预测模型中的积分区域面积；/>表示所述掘进巷道的围岩导热系数；/>表示移动坐标的横向，用于表征所述掘进巷道的起始端至掘进迎头的距离；/>表示移动坐标的径向，用于表征所述掘进巷道的巷道壁面沿径向深入围岩内部的距离；/>表示所述掘进巷道的围岩密度；/>表示所述掘进巷道的围岩比热容；表示所述掘进巷道的平均掘进速度。
5.根据权利要求1所述的基于移动坐标的掘进巷道围岩温度场和散热量分析方法，其特征在于，在步骤S103中，沿所述掘进巷道的径向，采用等比划分方法，对所述掘进巷道在移动坐标下的温度预测模型进行三角形网格划分。
6.根据权利要求1所述的基于移动坐标的掘进巷道围岩温度场和散热量分析方法，其特征在于，在步骤S103中，
对所述掘进巷道在移动坐标下的温度预测模型进行离散化，并基于有限体积法确定所述掘进巷道在移动坐标下的各节点温度，以构建所述掘进巷道在移动坐标下的围岩温度场。
7.根据权利要求1所述的基于移动坐标的掘进巷道围岩温度场和散热量分析方法，其特征在于，在步骤S104中，按照公式：
；
确定所述掘进巷道围岩壁面热流密度；
其中，表示所述掘进巷道的巷道壁面与风流之间的对流换热边界；/>表示所述掘进巷道的巷道围岩与风流之间的对流换热系数；/>表示所述掘进巷道的围岩壁面温度；/>表示所述掘进巷道内的风流温度。
8.根据权利要求1所述的基于移动坐标的掘进巷道围岩温度场和散热量分析方法，其特征在于，在步骤S105中，按照公式：
；
确定所述掘进巷道的围岩散热量；
其中，表示所述掘进巷道的围岩壁面热流密度；/>表示所述掘进巷道的长度；/>表示所述掘进巷道的围岩壁面温度；/>表示所述掘进巷道的周长；/>表示所述掘进巷道内的风流温度；/>表示所述掘进巷道的特征半径；/>表示移动坐标的横向，用于表征所述掘进巷道的起始端至掘进迎头的距离；/>表示移动坐标的径向，用于表征所述掘进巷道的巷道壁面沿径向深入围岩内部的距离。
9.一种基于移动坐标的掘进巷道围岩温度场和散热量分析系统，其特征在于，包括：
边界确定单元，配置为将所述掘进巷道在固定坐标下的围岩温度场简化为轴对称无内热源导热的物理模型，确定所述掘进巷道在固定坐标下围岩温度场的边界条件；
移动坐标温度场单元，配置为基于预设的坐标变换模型，将所述掘进巷道在固定坐标下的围岩温度场转化为移动坐标下的温度预测模型；其中，所述掘进巷道在移动坐标下的温度预测模型的边界条件与所述掘进巷道在固定坐标下的围岩温度场的边界条件相同；
温度场解算单元，配置为对所述掘进巷道移动坐标下的温度预测模型进行解算，得到所述掘进巷道在移动坐标下的围岩温度场；
参数确定单元，配置为根据所述掘进巷道在移动坐标下的围岩温度场，确定所述掘进巷道的围岩壁面温度及围岩壁面热流密度；
散热量确定单元，配置为基于牛顿冷却定律，根据所述掘进巷道的围岩壁面温度及围岩壁面热流密度，确定所述掘进巷道的围岩散热量。
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2024
- 2024-01-30 CN CN202410126698.5A patent/CN117648558B/zh active Active
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|---|---|
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