發(fā)布時間：2017-08-27 13:09

  本文關鍵詞：井巷風溫周期性變化下圍巖溫度場數值模擬及實驗研究

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【摘要】：通過調研礦井通風與降溫方面的相關文獻,分析國內外有關礦井熱害機理以及熱害防治方向的研究,側重于巷道圍巖溫度場以及圍巖散熱的研究。根據資料調研,分析和確定影響巷道圍巖散熱的主要因素,詳細闡述各個影響因素在圍巖與風流之間熱交換過程中所起的作用,根據影響因素從理論上推導和建立巷道圍巖溫度場導熱微分和積分方程,并對周期性風溫邊界下巷道圍巖散熱,風流與圍巖熱交換過程中常規(guī)單值條件進行分析進而構建巷道圍巖散熱導熱控制方程;然后引入無因次準數將巷道圍巖溫度場導熱控制方程進行無因次化;為便于數值方法分析,采用變量分離法對導熱控制方程及其周期性單值條件進行分解。在上述基礎之上,進而利用有限體積法分別構建周期性邊界下和非周期性邊界條件下的二維直角坐標和一維柱坐標的巷道圍巖散熱數值理論求解方法。根據上述理論分析和數值計算,利用C++語言和Qt圖形框架平臺開發(fā)相應的非圓形和圓形巷道圍巖散熱計算模擬軟件,為分析最優(yōu)等值圓形巷道當量半徑取值方法,利用數值方法對非圓形巷道圍巖散熱進行計算求解,采用上述有限體積法相關理論,選取梯形、拱形和矩形巷道三種非圓形巷道分別對比分析等周長,等面積和等水力直徑三種常用的等值方法,通過誤差比較和理論分析,進而確定等周長為最優(yōu)的等值圓形巷道計算方法,確定最優(yōu)等值巷道半徑后,對于傳統的年平均溫度下巷道圍巖散熱可通過查圖的方式計算求解。而分析周期性邊界條件下巷道圍巖溫度場內部溫度變化規(guī)律時,這里為便于工程實際應用參照周期性邊界下半無限大圍巖體溫度場變化規(guī)律計算公式,得到了相應的圓形巷道圍巖體溫度場計算公式,同時利用數學分析的思想計算求解了沿風流流動方向上風流溫度波動振幅和相位角的變化規(guī)律。為了證實其計算公式的正確性,在實驗室內搭建巷道圍巖相似模擬實驗平臺,分析不同周期性入風條件下相似圍巖體內不同地點處溫度的變化規(guī)律,并將其實驗結果與理論分析結果進行對比分析。通過上述研究本文得到如下結論:(1)分析圍巖與風流間熱交換的影響因素及圍巖散熱數值計算方法總結了影響巷道圍巖散熱的主要影響因素,分別包括與巷道圍巖和與巷道風流相關的影響因素,重點是介紹了圍巖體和風流的主要熱物性參數,以及這些熱物性參數的計算方法、所使用的測量儀器、常見物質物性參數的取值范圍等,同時也對巷道斷面形狀、圍巖粗糙度、原始巖溫對圍巖與風流間熱交換效應影響的分析。在此基礎,對巷道圍巖散熱基本規(guī)律進行理論分析,分別建立直角坐標和柱坐標下的導熱微分及積分方程,并分析巷道圍巖導熱常規(guī)單值條件,包括幾何條件、物理條件、時間條件以及邊界條件,然后引入無因次準數,對圍巖導熱控制方程及周期性邊界進行無因次化分析,最后利用變量分離法對導熱控制方程進行分解,將年周期性波動溫度從年風流溫度中剝離出來進行分析,得到了有因次和無因次的年平均風溫下和波動風溫下導熱控制方程,上述理論分析為下面數值解算方法的展開做了很好的鋪墊作用。在以上基礎上,總結分析了有限差分法、有限元法以及有限體積法三種常用的巷道圍巖散熱數值計算方法的優(yōu)缺點,指出與另外兩種計算方法相比較而言,有限體積法在解算導熱問題時具有明確的物理意義和相對較高的計算精度。因此,通過對比選取有限體積法作為本文的計算方法開展研究工作。運用有限體積法的原理分析周期性邊界條件下二維直角坐標系下非穩(wěn)態(tài)導熱積分方程和一維柱坐標系下導熱微分方程,分別對內部節(jié)點和邊界節(jié)點的熱平衡方程的推導過程進行了詳細而細致的分析和介紹,最后以梯形巷道圍巖為例,編寫了圍巖溫度場及散熱量數值計算程序,對該示例數值計算結果進行分析,包括分析了不同時間巷道圍巖溫度場的變化、冷卻圈范圍與通風時間的關系、不同深度點圍巖溫度隨時間的變化規(guī)律以及圍巖散熱量的計算,該實例計算對分析梯形巷道圍巖溫度場變化規(guī)律具有一定的指導意義。(2)巷道圍巖散熱計算模擬軟件以c++為編程語言平臺,結合qt圖形應用框架,開發(fā)非周期性和周期性邊界下巷道圍巖散熱計算軟件,對周期性和非周期性兩種情況以及四種不同形狀巷道圍巖散熱開發(fā)做了簡單的介紹,其解算窗口里包括:基本參數的輸入,物理模型的建立,物理網格的劃分,時間劃分四大組成部分。程序編制大致分為四大部分分別為:登錄模塊、計算巷道形狀選擇模塊、圍巖溫度場解算模塊以及結果顯示模塊,并分別對每個計算模塊的程序設計和作用做了相應的介紹。最后結合用戶界面詳細介紹了軟件的使用流程,以及對軟件界面和內部對應的相關代碼做了剖析和相關優(yōu)化,方便日后進行該方面研究的人員使用。(3)選取最優(yōu)的等值圓形當量半徑計算巷道圍巖散熱通過調研可知非圓形巷道圍巖散熱轉換為圓形巷道圍巖散熱求解過程中一些常見的等值當量半徑取值方法,分析非圓形巷道圍巖散熱轉換為圓形巷道圍巖進行求解的物理意義�？偨Y了巷道圍巖壁面散熱量的計算方法以及巷道圍巖傳熱熱阻的計算方法,根據非圓形巷道當量半徑選取的方法,對比分析三種等值圓形巷道法計算非圓形巷道圍巖散熱量的共性和差異,指出了在進行等值圓形巷道圍巖散熱計算的過程中應當選取等周長的等值圓形巷道半徑作為當量半徑。然后選取梯形、矩形以及半圓拱形三種形狀的非圓形巷道分別對三種等值圓形巷道法進行誤差分析,結果顯示等周長的等值圓形巷道法的相對誤差明顯小于另外兩種等值方法,說明了等周長的等值圓形巷道法相對于另外兩種方法更為準確。在進行巷道圍巖散熱計算方面,該研究規(guī)范了其等值圓形巷道圍巖當量半徑的選取方法,為工程實際應用提供了理論基礎。(4)非穩(wěn)態(tài)周期性風溫對礦井圍巖溫度場的影響完成等值圓形巷道當量半徑取值方法后,進一步討論周期性邊界下圓形巷道圍巖溫度場的散熱特點以及理論分析地表大氣溫度的周期性變化對井下不同用風地點處風流溫度的影響。本文剝離年平均溫度對圍巖散熱的影響,重點討論風流溫度的周期性波動對圍巖與風流間熱交換的影響。在根據上述分析建立數值解算理論模型,編寫數值解算程序對控制方程進行求解,分別討論周期性風溫影響下圍巖壁面溫度、圍巖體內部溫度以及巷道圍巖散熱等其變化規(guī)律,為得到統一計算公式,采用無因次的分析方法,最后與周期性邊界條件下的半無限大體的計算公式進行對比,從而推導出周期性風溫條件下巷道圍巖內部溫度變化規(guī)律的計算公式。依據周期性風溫對礦井圍巖溫度場的影響,結合能量守恒定律,分析周期性入風風流對巷道沿程方向風溫的影響,即當礦井入風溫度年周期性變化時,對礦井沿軸向方向不同地點風流溫度波動振幅和周期相位角的變化規(guī)律,該研究為工程技術人員進行風溫預測計算提供一定的指導意義。(5)制作巷道圍巖溫度相似模擬實驗上述章節(jié)完成理論分析后,依據巷道圍巖溫度場相似準則及物理相似實驗方法,自主設計周期性風流溫度變化下巷道圍巖相似模擬實驗系統,選取合適的實驗材料,制作相似實驗模擬平臺,通過結果驗證非穩(wěn)態(tài)周期性溫度變化規(guī)律,并將試驗結果與理論計算結果進行對比分析。
【關鍵詞】：巷道圍巖 圍巖散熱 圍巖溫度場 非圓形巷道 周期性風溫
【學位授予單位】：中國礦業(yè)大學(北京)
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TD72
【目錄】：

• 摘要4-7
• Abstract7-16
• 1 引言16-30
• 1.1 研究背景及意義16-19
• 1.2 國內外研究現狀19-25
• 1.2.1 礦井深部開采熱害治理研究現狀19-20
• 1.2.2 圍巖溫度場以及圍巖傳熱研究現狀20-23
• 1.2.3 巷道風流與圍巖間對流傳熱研究現狀23-24
• 1.2.4 目前存在的問題24-25
• 1.3 研究目標和研究內容25-27
• 1.3.1 研究目標25-26
• 1.3.2 研究內容26-27
• 1.4 研究方法和技術路線27-29
• 1.4.1 研究方法27-29
• 1.4.2 技術路線29
• 1.5 本章小結29-30
• 2 巷道圍巖散熱影響因素及導熱方程分析30-48
• 2.1 影響巷道圍巖散熱主要因素30-33
• 2.1.1 與巷道圍巖有關的影響因素30-31
• 2.1.2 與巷道風流有關的影響因素31-33
• 2.1.3 巷道斷面形狀以及圍巖壁面粗糙度33
• 2.1.4 原始巖溫對圍巖散熱的影響33
• 2.2 巷道圍巖導熱微分方程33-39
• 2.2.1 巷道圍巖散熱理論分析33-34
• 2.2.2 直角坐標系下巷道圍巖導熱微分方程34-37
• 2.2.3 柱坐標系下巷道圍巖導熱微分方程37-39
• 2.3 巷道圍巖導熱積分方程39-40
• 2.3.1 三維坐標系下導熱積分方程39
• 2.3.2 二維坐標系下導熱積分方程39-40
• 2.4 巷道圍巖導熱單值條件40-42
• 2.4.1 幾何條件40-41
• 2.4.2 物理條件41
• 2.4.3 時間條件41
• 2.4.4 邊界條件41-42
• 2.5 巷道圍巖導熱控制方程無因次化42-43
• 2.6 巷道圍巖導熱控制方程分解43-45
• 2.6.1 年平均風溫和波動風溫下導熱控制方程43-44
• 2.6.2 有因次形式的導熱控制方程44-45
• 2.6.3 無因次形式的導熱控制方程45
• 2.7 本章小結45-48
• 3 巷道圍巖導熱數值計算方法分析48-62
• 3.1 巷道圍巖散熱數值計算基本原理48-49
• 3.1.1 有限差分法48
• 3.1.2 有限元法48-49
• 3.1.3 有限體積法49
• 3.2 二維直角坐標系下有限體積法分析49-54
• 3.2.1 非圓形巷道圍巖導熱平衡方程50
• 3.2.2 溫度插值函數50-51
• 3.2.3 非圓形巷道圍巖單元對熱平衡方程的貢獻51-52
• 3.2.4 非圓形巷道圍巖邊界熱平衡方程52-54
• 3.3 一維柱坐標系下有限體積法分析54-57
• 3.3.1 圓形巷道圍巖體內部節(jié)點劃分54-55
• 3.3.2 圓形巷道圍巖體內部節(jié)點熱平衡方程55-56
• 3.3.3 圓形巷道圍巖體邊界節(jié)點熱平衡方程56-57
• 3.4 程序設計及算例分析57-61
• 3.5 本章小結61-62
• 4 巷道圍巖散熱模擬軟件開發(fā)62-76
• 4.1 開發(fā)軟件平臺簡介62
• 4.2 巷道圍巖散熱模擬軟件概述62-66
• 4.2.1 巷道圍巖散熱模擬軟件功能63
• 4.2.2 巷道圍巖散熱模擬軟件性能63-64
• 4.2.3 巷道圍巖散熱模擬軟件數據背景64-65
• 4.2.4 程序執(zhí)行過程65-66
• 4.3 程序設計及部分功能代碼66-73
• 4.3.1 程序設計流程67
• 4.3.2 計算模型選擇模塊67-68
• 4.3.3 圍巖網格劃分模塊68-71
• 4.3.4 內部網格節(jié)點編號71-72
• 4.3.5 程序編制注意事項72-73
• 4.3.6 輸出結果后處理模塊73
• 4.4 軟件使用流程及用戶界面73-75
• 4.5 本章小結75-76
• 5 非圓形巷道最優(yōu)等值圓形巷道半徑選取76-88
• 5.1 非圓形巷道轉換為等值圓形巷道計算的意義76-77
• 5.2 常見非圓形巷道等值半徑77
• 5.3 巷道圍巖壁面散熱量計算77-78
• 5.4 巷道圍巖傳熱熱阻計算78-79
• 5.5 等值圓形巷道圍巖散熱比較研究79-80
• 5.5.1 對比分析等值圓形巷道與非圓形巷道圍巖散熱79-80
• 5.5.2 圍巖散熱量相對誤差分析80
• 5.6 巷道圍巖數值模擬計算模型80-83
• 5.6.1 巷道圍巖的物理模型80-82
• 5.6.2 等值圓形巷道圍巖當量半徑的計算82
• 5.6.3 巷道圍巖壁面溫度的計算82-83
• 5.7 等值圓形巷道計算誤差分析83-87
• 5.8 本章小結87-88
• 6 周期性邊界圍巖溫度場有限體積法分析88-106
• 6.1 大氣溫度周期性變化規(guī)律研究88-91
• 6.2 數值計算的初始條件91
• 6.3 圓形巷道內部溫度場結果分析91-101
• 6.3.1 不同深度處圍巖體溫度波變化規(guī)律91-92
• 6.3.2 圍巖壁面溫度周期性變化規(guī)律92
• 6.3.3 圍巖體溫度波振幅隨深度變化規(guī)律92-93
• 6.3.4 圍巖體溫度隨深度和傅里葉數變化的函數關系93-100
• 6.3.5 周期性變化巷道圍巖壁面熱流波100-101
• 6.4 風溫沿程波動的振幅和滯后的相位101-102
• 6.5 算例分析102-104
• 6.6 本章小結104-106
• 7 周期性風溫巷道圍巖溫度場模擬實驗研究106-124
• 7.1 巷道圍巖模擬實驗研究背景106-107
• 7.2 建立巷道圍巖導熱控制方程107-108
• 7.3 巷道圍巖相似模型試驗相似準則108-110
• 7.3.1 相似比確定的原則108-109
• 7.3.2 相似比的計算109-110
• 7.3.3 相似實驗實施說明110
• 7.4 實驗系統平臺概述110-117
• 7.4.1 實驗系統平臺主要功能111
• 7.4.2 實驗系統平臺主要技術特征111-112
• 7.4.3 井巷實驗模擬主體裝置112-114
• 7.4.4 井巷實驗模擬數據采集系統114-115
• 7.4.5 實驗TC-i測試115-116
• 7.4.6 后臺處理軟件116-117
• 7.5 實驗步驟和實驗內容117-119
• 7.5.1 實驗模型澆筑117
• 7.5.2 實驗步驟117-118
• 7.5.3 實驗內容118-119
• 7.6 實驗結果與討論119-122
• 7.6.1 巷道內無因次溫度與傅里葉數之間的關系120
• 7.6.2 巷道內溫度波波動振幅隨深度之間的變化關系120-121
• 7.6.3 巷道內溫度波波動相位延遲隨深度之間的變化關系121-122
• 7.7 本章小結122-124
• 8 結論與展望124-128
• 8.1 主要結論124-126
• 8.2 創(chuàng)新點126-127
• 8.3 下一步工作展望127-128
• 參考文獻128-138
• 致謝138-140
• 作者簡介140-141

【參考文獻】

中國期刊全文數據庫 前10條

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本文編號：745599