不规则矿井巷道中气流速度分布的定量分析及平均风速线的定位

《Scientific Reports》：Quantitative analysis of airflow velocity distribution and average wind speed line localization in irregular mine roadways

　　

摘要

准确测量矿井巷道中的气流速度对于地下通风管理、有害物质（甲烷、粉尘）的迁移控制以及传感器优化布置至关重要。然而，由于湍流占主导地位以及横截面的不规则性（例如变形、壁面粗糙度），速度场存在复杂的时空变化，给精确的速度估算带来了巨大挑战。为了解决这一问题，本研究结合数值模拟和现场测试，系统地研究了不规则矿井巷道中的气流速度分布特征。首先，使用Fluent软件建立了半圆形拱形和梯形巷道的3D模型，这些模型具有不同的半圆形凸半径（0–500毫米）、横截面尺寸、入口速度（0.5–8米/秒）和支持类型。分析了完全发展的湍流区域（距离入口120米处）的速度分布模式，并通过非线性拟合明确了点风速与距离巷道壁面距离之间的对数关系。平均风速线的位置被定量确定：对于规则横截面，大约是巷道宽度/高度的0.11倍；对于不规则横截面，则是0.1倍。现场测试在桃园煤矿进行，使用热线风速计（STA2）进行点测量，并采用 traverse 方法进行验证。结果表明，数值模拟与现场测量之间的相对误差在5%以内，证实了模拟模型的可靠性。本研究为优化传感器布置和提高不规则矿井巷道中气流速度测量的准确性提供了科学依据，有助于提升地下通风的安全性和智能化管理水平。