井巷风温周期性变化下围岩温度场数值模拟及实验研究

发布时间：2017-08-27 13:09

  本文关键词：井巷风温周期性变化下围岩温度场数值模拟及实验研究

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【摘要】：通过调研矿井通风与降温方面的相关文献,分析国内外有关矿井热害机理以及热害防治方向的研究,侧重于巷道围岩温度场以及围岩散热的研究。根据资料调研,分析和确定影响巷道围岩散热的主要因素,详细阐述各个影响因素在围岩与风流之间热交换过程中所起的作用,根据影响因素从理论上推导和建立巷道围岩温度场导热微分和积分方程,并对周期性风温边界下巷道围岩散热,风流与围岩热交换过程中常规单值条件进行分析进而构建巷道围岩散热导热控制方程;然后引入无因次准数将巷道围岩温度场导热控制方程进行无因次化;为便于数值方法分析,采用变量分离法对导热控制方程及其周期性单值条件进行分解。在上述基础之上,进而利用有限体积法分别构建周期性边界下和非周期性边界条件下的二维直角坐标和一维柱坐标的巷道围岩散热数值理论求解方法。根据上述理论分析和数值计算,利用C++语言和Qt图形框架平台开发相应的非圆形和圆形巷道围岩散热计算模拟软件,为分析最优等值圆形巷道当量半径取值方法,利用数值方法对非圆形巷道围岩散热进行计算求解,采用上述有限体积法相关理论,选取梯形、拱形和矩形巷道三种非圆形巷道分别对比分析等周长,等面积和等水力直径三种常用的等值方法,通过误差比较和理论分析,进而确定等周长为最优的等值圆形巷道计算方法,确定最优等值巷道半径后,对于传统的年平均温度下巷道围岩散热可通过查图的方式计算求解。而分析周期性边界条件下巷道围岩温度场内部温度变化规律时,这里为便于工程实际应用参照周期性边界下半无限大围岩体温度场变化规律计算公式,得到了相应的圆形巷道围岩体温度场计算公式,同时利用数学分析的思想计算求解了沿风流流动方向上风流温度波动振幅和相位角的变化规律。为了证实其计算公式的正确性,在实验室内搭建巷道围岩相似模拟实验平台,分析不同周期性入风条件下相似围岩体内不同地点处温度的变化规律,并将其实验结果与理论分析结果进行对比分析。通过上述研究本文得到如下结论:(1)分析围岩与风流间热交换的影响因素及围岩散热数值计算方法总结了影响巷道围岩散热的主要影响因素,分别包括与巷道围岩和与巷道风流相关的影响因素,重点是介绍了围岩体和风流的主要热物性参数,以及这些热物性参数的计算方法、所使用的测量仪器、常见物质物性参数的取值范围等,同时也对巷道断面形状、围岩粗糙度、原始岩温对围岩与风流间热交换效应影响的分析。在此基础,对巷道围岩散热基本规律进行理论分析,分别建立直角坐标和柱坐标下的导热微分及积分方程,并分析巷道围岩导热常规单值条件,包括几何条件、物理条件、时间条件以及边界条件,然后引入无因次准数,对围岩导热控制方程及周期性边界进行无因次化分析,最后利用变量分离法对导热控制方程进行分解,将年周期性波动温度从年风流温度中剥离出来进行分析,得到了有因次和无因次的年平均风温下和波动风温下导热控制方程,上述理论分析为下面数值解算方法的展开做了很好的铺垫作用。在以上基础上,总结分析了有限差分法、有限元法以及有限体积法三种常用的巷道围岩散热数值计算方法的优缺点,指出与另外两种计算方法相比较而言,有限体积法在解算导热问题时具有明确的物理意义和相对较高的计算精度。因此,通过对比选取有限体积法作为本文的计算方法开展研究工作。运用有限体积法的原理分析周期性边界条件下二维直角坐标系下非稳态导热积分方程和一维柱坐标系下导热微分方程,分别对内部节点和边界节点的热平衡方程的推导过程进行了详细而细致的分析和介绍,最后以梯形巷道围岩为例,编写了围岩温度场及散热量数值计算程序,对该示例数值计算结果进行分析,包括分析了不同时间巷道围岩温度场的变化、冷却圈范围与通风时间的关系、不同深度点围岩温度随时间的变化规律以及围岩散热量的计算,该实例计算对分析梯形巷道围岩温度场变化规律具有一定的指导意义。(2)巷道围岩散热计算模拟软件以c++为编程语言平台,结合qt图形应用框架,开发非周期性和周期性边界下巷道围岩散热计算软件,对周期性和非周期性两种情况以及四种不同形状巷道围岩散热开发做了简单的介绍,其解算窗口里包括:基本参数的输入,物理模型的建立,物理网格的划分,时间划分四大组成部分。程序编制大致分为四大部分分别为:登录模块、计算巷道形状选择模块、围岩温度场解算模块以及结果显示模块,并分别对每个计算模块的程序设计和作用做了相应的介绍。最后结合用户界面详细介绍了软件的使用流程,以及对软件界面和内部对应的相关代码做了剖析和相关优化,方便日后进行该方面研究的人员使用。(3)选取最优的等值圆形当量半径计算巷道围岩散热通过调研可知非圆形巷道围岩散热转换为圆形巷道围岩散热求解过程中一些常见的等值当量半径取值方法,分析非圆形巷道围岩散热转换为圆形巷道围岩进行求解的物理意义。总结了巷道围岩壁面散热量的计算方法以及巷道围岩传热热阻的计算方法,根据非圆形巷道当量半径选取的方法,对比分析三种等值圆形巷道法计算非圆形巷道围岩散热量的共性和差异,指出了在进行等值圆形巷道围岩散热计算的过程中应当选取等周长的等值圆形巷道半径作为当量半径。然后选取梯形、矩形以及半圆拱形三种形状的非圆形巷道分别对三种等值圆形巷道法进行误差分析,结果显示等周长的等值圆形巷道法的相对误差明显小于另外两种等值方法,说明了等周长的等值圆形巷道法相对于另外两种方法更为准确。在进行巷道围岩散热计算方面,该研究规范了其等值圆形巷道围岩当量半径的选取方法,为工程实际应用提供了理论基础。(4)非稳态周期性风温对矿井围岩温度场的影响完成等值圆形巷道当量半径取值方法后,进一步讨论周期性边界下圆形巷道围岩温度场的散热特点以及理论分析地表大气温度的周期性变化对井下不同用风地点处风流温度的影响。本文剥离年平均温度对围岩散热的影响,重点讨论风流温度的周期性波动对围岩与风流间热交换的影响。在根据上述分析建立数值解算理论模型,编写数值解算程序对控制方程进行求解,分别讨论周期性风温影响下围岩壁面温度、围岩体内部温度以及巷道围岩散热等其变化规律,为得到统一计算公式,采用无因次的分析方法,最后与周期性边界条件下的半无限大体的计算公式进行对比,从而推导出周期性风温条件下巷道围岩内部温度变化规律的计算公式。依据周期性风温对矿井围岩温度场的影响,结合能量守恒定律,分析周期性入风风流对巷道沿程方向风温的影响,即当矿井入风温度年周期性变化时,对矿井沿轴向方向不同地点风流温度波动振幅和周期相位角的变化规律,该研究为工程技术人员进行风温预测计算提供一定的指导意义。(5)制作巷道围岩温度相似模拟实验上述章节完成理论分析后,依据巷道围岩温度场相似准则及物理相似实验方法,自主设计周期性风流温度变化下巷道围岩相似模拟实验系统,选取合适的实验材料,制作相似实验模拟平台,通过结果验证非稳态周期性温度变化规律,并将试验结果与理论计算结果进行对比分析。
【关键词】：巷道围岩 围岩散热 围岩温度场 非圆形巷道 周期性风温
【学位授予单位】：中国矿业大学(北京)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TD72
【目录】：

• 摘要4-7
• Abstract7-16
• 1 引言16-30
• 1.1 研究背景及意义16-19
• 1.2 国内外研究现状19-25
• 1.2.1 矿井深部开采热害治理研究现状19-20
• 1.2.2 围岩温度场以及围岩传热研究现状20-23
• 1.2.3 巷道风流与围岩间对流传热研究现状23-24
• 1.2.4 目前存在的问题24-25
• 1.3 研究目标和研究内容25-27
• 1.3.1 研究目标25-26
• 1.3.2 研究内容26-27
• 1.4 研究方法和技术路线27-29
• 1.4.1 研究方法27-29
• 1.4.2 技术路线29
• 1.5 本章小结29-30
• 2 巷道围岩散热影响因素及导热方程分析30-48
• 2.1 影响巷道围岩散热主要因素30-33
• 2.1.1 与巷道围岩有关的影响因素30-31
• 2.1.2 与巷道风流有关的影响因素31-33
• 2.1.3 巷道断面形状以及围岩壁面粗糙度33
• 2.1.4 原始岩温对围岩散热的影响33
• 2.2 巷道围岩导热微分方程33-39
• 2.2.1 巷道围岩散热理论分析33-34
• 2.2.2 直角坐标系下巷道围岩导热微分方程34-37
• 2.2.3 柱坐标系下巷道围岩导热微分方程37-39
• 2.3 巷道围岩导热积分方程39-40
• 2.3.1 三维坐标系下导热积分方程39
• 2.3.2 二维坐标系下导热积分方程39-40
• 2.4 巷道围岩导热单值条件40-42
• 2.4.1 几何条件40-41
• 2.4.2 物理条件41
• 2.4.3 时间条件41
• 2.4.4 边界条件41-42
• 2.5 巷道围岩导热控制方程无因次化42-43
• 2.6 巷道围岩导热控制方程分解43-45
• 2.6.1 年平均风温和波动风温下导热控制方程43-44
• 2.6.2 有因次形式的导热控制方程44-45
• 2.6.3 无因次形式的导热控制方程45
• 2.7 本章小结45-48
• 3 巷道围岩导热数值计算方法分析48-62
• 3.1 巷道围岩散热数值计算基本原理48-49
• 3.1.1 有限差分法48
• 3.1.2 有限元法48-49
• 3.1.3 有限体积法49
• 3.2 二维直角坐标系下有限体积法分析49-54
• 3.2.1 非圆形巷道围岩导热平衡方程50
• 3.2.2 温度插值函数50-51
• 3.2.3 非圆形巷道围岩单元对热平衡方程的贡献51-52
• 3.2.4 非圆形巷道围岩边界热平衡方程52-54
• 3.3 一维柱坐标系下有限体积法分析54-57
• 3.3.1 圆形巷道围岩体内部节点划分54-55
• 3.3.2 圆形巷道围岩体内部节点热平衡方程55-56
• 3.3.3 圆形巷道围岩体边界节点热平衡方程56-57
• 3.4 程序设计及算例分析57-61
• 3.5 本章小结61-62
• 4 巷道围岩散热模拟软件开发62-76
• 4.1 开发软件平台简介62
• 4.2 巷道围岩散热模拟软件概述62-66
• 4.2.1 巷道围岩散热模拟软件功能63
• 4.2.2 巷道围岩散热模拟软件性能63-64
• 4.2.3 巷道围岩散热模拟软件数据背景64-65
• 4.2.4 程序执行过程65-66
• 4.3 程序设计及部分功能代码66-73
• 4.3.1 程序设计流程67
• 4.3.2 计算模型选择模块67-68
• 4.3.3 围岩网格划分模块68-71
• 4.3.4 内部网格节点编号71-72
• 4.3.5 程序编制注意事项72-73
• 4.3.6 输出结果后处理模块73
• 4.4 软件使用流程及用户界面73-75
• 4.5 本章小结75-76
• 5 非圆形巷道最优等值圆形巷道半径选取76-88
• 5.1 非圆形巷道转换为等值圆形巷道计算的意义76-77
• 5.2 常见非圆形巷道等值半径77
• 5.3 巷道围岩壁面散热量计算77-78
• 5.4 巷道围岩传热热阻计算78-79
• 5.5 等值圆形巷道围岩散热比较研究79-80
• 5.5.1 对比分析等值圆形巷道与非圆形巷道围岩散热79-80
• 5.5.2 围岩散热量相对误差分析80
• 5.6 巷道围岩数值模拟计算模型80-83
• 5.6.1 巷道围岩的物理模型80-82
• 5.6.2 等值圆形巷道围岩当量半径的计算82
• 5.6.3 巷道围岩壁面温度的计算82-83
• 5.7 等值圆形巷道计算误差分析83-87
• 5.8 本章小结87-88
• 6 周期性边界围岩温度场有限体积法分析88-106
• 6.1 大气温度周期性变化规律研究88-91
• 6.2 数值计算的初始条件91
• 6.3 圆形巷道内部温度场结果分析91-101
• 6.3.1 不同深度处围岩体温度波变化规律91-92
• 6.3.2 围岩壁面温度周期性变化规律92
• 6.3.3 围岩体温度波振幅随深度变化规律92-93
• 6.3.4 围岩体温度随深度和傅里叶数变化的函数关系93-100
• 6.3.5 周期性变化巷道围岩壁面热流波100-101
• 6.4 风温沿程波动的振幅和滞后的相位101-102
• 6.5 算例分析102-104
• 6.6 本章小结104-106
• 7 周期性风温巷道围岩温度场模拟实验研究106-124
• 7.1 巷道围岩模拟实验研究背景106-107
• 7.2 建立巷道围岩导热控制方程107-108
• 7.3 巷道围岩相似模型试验相似准则108-110
• 7.3.1 相似比确定的原则108-109
• 7.3.2 相似比的计算109-110
• 7.3.3 相似实验实施说明110
• 7.4 实验系统平台概述110-117
• 7.4.1 实验系统平台主要功能111
• 7.4.2 实验系统平台主要技术特征111-112
• 7.4.3 井巷实验模拟主体装置112-114
• 7.4.4 井巷实验模拟数据采集系统114-115
• 7.4.5 实验TC-i测试115-116
• 7.4.6 后台处理软件116-117
• 7.5 实验步骤和实验内容117-119
• 7.5.1 实验模型浇筑117
• 7.5.2 实验步骤117-118
• 7.5.3 实验内容118-119
• 7.6 实验结果与讨论119-122
• 7.6.1 巷道内无因次温度与傅里叶数之间的关系120
• 7.6.2 巷道内温度波波动振幅随深度之间的变化关系120-121
• 7.6.3 巷道内温度波波动相位延迟随深度之间的变化关系121-122
• 7.7 本章小结122-124
• 8 结论与展望124-128
• 8.1 主要结论124-126
• 8.2 创新点126-127
• 8.3 下一步工作展望127-128
• 参考文献128-138
• 致谢138-140
• 作者简介140-141

【参考文献】

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