Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Обеспечение аэрологической безопасности при сооружении горных выработок 10
1.1 Особенности обеспечения аэрологической безопасности при сооружении горных выработок 10
1.2 Нормативные санитарно-гигиенические условия при сооружении горных выработок 10
1.3 Анализ влияния естественных факторов на параметры воздушной среды при сооружении горных выработок 19
1.4 Типовые схемы вентиляции выработок при их сооружении 27
1.5 Опыт использования вентиляторов- эжекторов для проветривания горных выработок 31
1.6 Типовые схемы проветривания транспортных тоннелей с помощью вентиляторов - эжекторов при их сооружении и эксплуатации 35
1.7 Выводы 42
Глава 2 Методические основы выбора параметров вентиляторов-эжекторов .. 43
2.1 Методика расчета вентиляторов эжекторов для горных выработок 43
2.2 Особенности расчета параметров струйных вентиляторов для транспортных тоннелей 44
2.3 Методика проведения натурных исследований аэродинамических и термодинамических параметров воздушного потока в тоннеле 53
2.4 Результаты натурных испытаний струйных вентиляторов на тоннеле №1.. 58
2.5 Выводы 63
Глава 3 Физическое моделирование продольной схемы с помощью вентиляторов-эжекторов, вынесенных за пределы тоннеля 64
3.1 Описание схемы проветривания
3.2 Обоснование чисел подобия для моделирования 65
3.3 Методика проведения физического моделирования 69
3.4 Результаты моделирование и их анализ 75
3.5 Выводы 77
Глава 4 Математическое моделирование вентиляции выработок, осуществляемой свободными струями, созданными вентиляторами, расположенными перед их устьем 78
4.1 Методические основы математического моделирования 78
4.2 Постановка задачи 80
4.3 Обработка результатов математического моделирования 85
4.4 Определение области применения схемы вентиляции с использованием вентиляторов-эжекторов, расположенными перед их устьем выработки 91
4.5 Выводы 92
Глава 5 Технико-экономическое обоснование эффективности использования вентиляторов-эжекторов для проветривания транспортных тоннелей при их сооружении 94
5.1 Методика выбора параметров вентиляторов-эжекторов, установленных перед порталом тоннеля, для проветривания транспортных тоннелей при их сооружении 94
5.2 Оценка эффективности использования для проветривания транспортных тоннелей в период их сооружения вентиляторов - эжекторов, вынесенные за пределы тоннеля 96
5.3 Выводы 98
Заключение 100
Список сокращений 103
Список литературы
- Анализ влияния естественных факторов на параметры воздушной среды при сооружении горных выработок
- Методика проведения натурных исследований аэродинамических и термодинамических параметров воздушного потока в тоннеле
- Методика проведения физического моделирования
- Определение области применения схемы вентиляции с использованием вентиляторов-эжекторов, расположенными перед их устьем выработки
Введение к работе
Актуальность работы. В последнюю четверть века в России многократно возросли темпы строительства транспортных тоннелей. Эти работы охватывают не только железнодорожные тоннели, обеспечивающие грузовые и пассажирские перевозки, но и автодорожные тоннели, сооружаемые для разгрузки наземных магистралей от автотранспорта в таких городах как Москва, Санкт-Петербург, Уфа, Сочи.
Одним из главных условий, определяющих эффективность
строительства и эксплуатации транспортных тоннелей, является
обеспечение аэрологической безопасности, способы достижения
которой в значительной степени зависят от технологии
осуществления работ по проходке выработок. Если в начальный
период выработки сооружаются тупиковыми забоями, то после
завершения проходки во время выполнения строительно-монтажных
работ, включающих возведение постоянной крепи, устройство
дорожного полотна или укладку железнодорожных путей, монтаж
конструкций проветривание должно осуществляться сквозной
вентиляционной струей. Для поддержания необходимого уровня
аэрологической безопасности в этот период, когда на количество
воздуха, поступающего в выработки и направления его движения,
значительное влияние оказывают естественные факторы, становится
нецелесообразным применять трубную вентиляцию, использующую
в качестве источников тяги высоконапорные вентиляторы местного
проветривания. Альтернативой этому способу является
проветривание строящихся выработок вентиляторами-эжекторами, устанавливаемыми или в самой выработке, или выносимыми за ее пределы и размещаемыми перед устьем.
В отечественной литературе вопросы, связанные с
использованием вентиляторов – эжекторов для проветривания
горных выработок калийных и бокситовых рудников
рассматривались в работах Медведева И.И., Красноштейна А.Е.,
Мохирева Н.Н., Алыменко Н.И., Казакова Б.П., Алыменко Д.Н.,
Лискова М.Ю. и ряда др. Гораздо меньше публикаций в нашей
стране было посвящено исследованиям вентиляторов этого типа для
тоннельных выработок. Тут следует отметить работы
Маевского И.Ю., Барского А.С., Гендлера С.Г., Вишневского Е.П.,
Волкова А.П. За рубежом особенности проветривания тоннелей с помощью вентиляторов-эжекторов рассматривались в работах Таббара M., Аби-Задена Д., Штурма П., Конрада С., Свитленда Я., Маклеа П. и др.
Если расчеты параметров вентиляторов-эжекторов,
используемых в рудниках базируются на отечественных методах, то для определения параметров этих вентиляторов в транспортных тоннелях применяются в основном зарубежные методики, базирующиеся на данных экспериментальных работ, проведенных в эксплуатируемых автодорожных тоннелях.
Что же касается научно-обоснованных методов определения параметров вентиляторов-эжекторов, вынесенных за пределы тоннельных выработок, то в настоящее время они вообще отсутствуют.
В этой связи, возникает необходимость как проверки
используемых за рубежом методов расчета вентиляторов-эжекторов
в условиях, характеризующих сквозное движение вентиляционной
струи при сооружении транспортных тоннелей, так и разработка
методики выбора параметров вентиляторов-эжекторов,
расположенных за пределами выработок и используемых для
инициирования движения по ним воздуха. Важность решения этих
вопросов и определяет актуальность выполнения данных
исследований.
Цель работы. Обеспечение аэрологической безопасности при сквозной схеме проветривания транспортных тоннелей в период их сооружения.
Идея работы. Для создания нормативных санитарно-гигиенических параметров воздушной среды при сквозном движении воздуха по транспортным тоннелям в период их сооружения и минимизации последствий аварийных ситуаций используется продольная схема вентиляции с источниками тяги, представляющими собой вентиляторы-эжекторы, размещенные или в самом тоннеле, или вынесенные за его пределы и формирующие свободную воздушную струю, направленную в сторону ближайшего портала.
Основные задачи работы:
- определение факторов, определяющих вентиляционных
режим автодорожных и железнодорожных тоннелей при их
сооружении;
- анализ отечественного и зарубежного опыта использования
вентиляторов – эжекторов (струйных вентиляторов) для
проветривания горных выработок;
- натурные исследования эффективности использования
струйных вентиляторов для вентиляции транспортных тоннелей;
- осуществление физического моделирования продольной
вентиляции транспортных выработок при расположении
вентилятора-эжектора за их пределами перед порталами;
- математическое моделирование аэродинамических
процессов в транспортных выработках при воздействии на воздушную среду свободной воздушно струи, сформированной за пределами выработки;
- определение области применения способа проветривания,
использующего в качестве источника тяги вентилятора – эжектора,
вынесенного за пределы выработки и установленного перед ее
порталом.
Научная новизна:
1. Установлены закономерности формирования поля
скоростей воздушного потока, поступающего в транспортную
выработку, в результате действия воздушной струи,
сформированной перед порталом и направленной параллельно ее
оси в выработку.
2. Предложены зависимости, определяющие безразмерную
скорость воздушного потока в транспортной выработке, в функции
чисел подобия, сформированных на основании использования
теории размерностей и учитывающих геометрические и
аэродинамические параметры транспортной выработки, величину
естественной тяги, место установки и параметры вентиляторов-
эжекторов.
Основные защищаемые положения:
1. Определение возможности использования вентиляторов-эжекторов, размещаемых в сооружаемых тоннельных выработках, для их проветривания при сквозном движении воздушной струи должна осуществляться на основе оценки соответствия фактических
значений реактивного импульса силы, учитывающих размещение вентиляторов относительно обнаженных поверхностей выработок и элементов крепи, с величинами реактивного импульса силы, вычисленных по типовым методикам, разработанным для условий эксплуатируемых автодорожных тоннелей.
-
Безразмерная скорость воздушного потока в тоннеле при использовании в качестве источника тяги вентилятора-эжектора, вынесенного за пределы тоннеля и расположенного перед порталом с корреляционным отношением, равным 0,94, описывается произведением степеней чисел подобия, зависящих от аэродинамического сопротивления тоннеля, его гидравлического диаметра и диаметра выходного отверстия вентилятора, а также его удаления относительно портала.
-
Оценка эффективности использования свободных струй, сформированных с помощью вентиляторов-эжекторов, установленных перед порталом, для проветривания тоннелей в период их сооружения при сквозном движении вентиляционной струи, должна осуществляться с учетом величины естественной тяги, ориентированной в направлении противоположном действию свободной струи, и количества воздуха, которое необходимо подавать в тоннель для обеспечения нормативных санитарно-гигиенических параметров воздушной струи.
Методы исследований. Работа выполнена на основе
комплексного метода исследований, включающего анализ и
обобщение литературных данных о проветривании горных
выработок свободными струями, сформированными с помощью
вентиляторов–эжекторов; экспериментальные исследования в
натуральных и лабораторных условиях, статистическую обработку экспериментальных данных, математическое моделирование с использованием современных программных продуктов, обработка экспериментальных данных и результатов моделирования на основе статистических методов.
Достоверность результатов исследований обеспечивается
применением современных методов исследований и аппаратуры,
поддерживаемых соответствующим метрологическим обеспечением
с верификацией качества проведения измерений, значительным
объемом фактических результатов измерений, удовлетворительной
сходимостью результатов физического и математического
моделирования, апробацией полученных результатов в
периодической печати.
Практическая значимость работы. Разработанные в диссертационной работе научно-методические основы позволяют определять области применения вентиляторов-эжекторов для проветривания горных выработок с малым аэродинамическим сопротивлением при различных величинах естественной тяги.
Реализация результатов работы. Результаты исследований использованы при разработке Рекомендаций АВОК «Определение параметров продольной системы вентиляции автодорожных тоннелей», которые утверждены и введены в действие 23 мая 2013 г.
Научные и практические результаты работы используются в учебном процессе при чтении лекций по аэрологии горных предприятий студентам Национального минерально-сырьевого университета «Горный».
Личный вклад автора:
- анализ факторов, определяющих вентиляционный режим
транспортных тоннелей при их сооружении;
разработка методики и проведение натурных исследований на действующих тоннелях, использующих вентиляторы-эжекторы;
обоснование чисел подобия и осуществление физического моделирования проветривания тоннеля в период строительно-монтажных работ по продольной схеме;
- разработка математической модели и осуществление
численного эксперимента для исследования аэродинамики
воздушного потока в тоннеле при использовании в качестве
источника тяги свободную струю, выходящую из вентилятора-
эжектора;
- обработка и сопоставительный анализ данных физического
и математического моделирования;
определение рациональной области применения для проветривания тоннелей в период их сооружения вентиляторов-эжекторов, вынесенных за пределы тоннеля;
разработка инженерной методики выбора параметров вентиляторов-эжекторов, установленных перед порталом тоннеля.
Апробация работы. Результаты исследований и основные положения диссертационной работы, как в целом, так и результаты отдельных этапов, обсуждались и были одобрены научной
общественностью на международных научно-практических
конференциях «Аэрология и безопасность горных предприятий» и «Промышленная безопасность предприятий минерально-сырьевого комплекса в XXI веке» (СПб, 2012 г, 2014 г.), на 6th International Conference «Tunnel safety and Ventilation – New Developments in Tunnel Safety 2012 (Graz University of Technology), а также на заседаниях технического совета в ОАО НИИПИ «Ленметрогипротранс» и семинарах кафедры безопасности производств ФГБОУ ВПО «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный».
Публикации. Основные результаты диссертационной
работы содержаться в 4 научных трудах в изданиях,
рекомендованных ВАК Минобрнауки России.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав и заключения, изложенных на 113 страницах машинописного текста, содержит 57 рисунков, 10 таблиц, список литературы из 98 наименований.
Анализ влияния естественных факторов на параметры воздушной среды при сооружении горных выработок
На этапе проектирования подземных сооружений на основании инженерных изысканий необходимо составление предварительного прогноза радиационной обстановки. Результаты прогноза должны учитываться при проектировании горных выработок, выборе технологии строительства, расчете вентиляции выработок.
Вентиляция горных выработок с повышенной радиоактивной опасностью осуществляется нагнетательным способом проветривания. Комбинированный и всасывающий способы проветривания допускаются по согласованию с территориальными органами Госгортехнадзора России.
При проходке восстающих выработок концы вентиляционных труб должны располагаться у отбойного полка и находиться от забоя на расстояние не более 6 м. При проходке горизонтальных выработок отставание вентиляционных труб от забоя не должно превышать 10 м при площади сечения забоя не более 16 м2. При площади сечения забоя более 16 м2 отставание вентиляционных труб от забоя устанавливается проектом и не должно быть не более 15 м.
Допускается в отдельных случаях проветривание тупиковых выработок с использованием сжатого воздуха и эжекторов.
При проветривании выработок большой длины допускается установка вентиляторов - побудителей при обязательном оборудовании их шумоглушителями, конструкция которых согласовывается с территориальным органом Госгортехнадзора России. В проекте организации строительства должны быть предусмотрены меры по обеспечению возможности выполнения аварийных вентиляционных режимов.
Для проветривания тупиковых выработок вентилятор местного проветривания должен устанавливаться на свежей струе не ближе 10 м от исходящей из тупиковой выработки. Производительность вентилятора не должна превышать 70% количества воздуха, подаваемого к месту его установки.
К климатическим факторам относиться такие параметры атмосферного воздуха как атмосферное давление, его относительная влажность и температура, скорость и направление ветра. Следует также отметить что от температуры атмосферного воздуха зависит температура пород на глубине нейтрального слоя. В целом для климатических параметров атмосферного воздуха характерны изменения как по времени, так и по месту. Наиболее часто такие изменения наблюдаются в выработках, размещаемых в гористой местности, что вызвано разностью высотных отметок их устьев. Влияние ветра на горную выработку учитывается в зависимости от угла его атаки относительно горизонтальной оси выработки, выходящей на поверхность.
Температура горного массива в районе расположения подземной выработки также колеблется в широком диапазоне, при этом от дневной поверхности до глубины нейтрального слоя, температура пород повторяет динамику изменения температуры атмосферного воздуха. Для пород же, лежащих ниже глубины нейтрального слоя характерно положительно значение, которое возрастает с увеличением глубины.
Горно-геологические факторы, которые оказывают влияние на проветривание горных выработок, включают в себя [84]:
Гидрогеологические условия в зоне расположения подземного объекта, к ним можно отнести расположение и мощности водоносных пластов, химический состав воды, пористость и проницаемость окружающих выработку грунта. Так же сюда следует отнести геометрические параметры горных выработок и тип их крепления.
Приведенные выше факторы определяют возникающую в выработках депрессию естественной тяги Xh. Её величина равна сумме гравитационного -теплового напора (hrp), барометрического напора (1) и ветрового напора (пВетр):
Анализ данных инструментальных измерений термодинамических параметров атмосферного воздуха и воздушного потока в тоннельных выработках Краснопольского (таблица 1.2, 1.3) и Комплекса тоннелей №1 в г. Сочи (таблица 1.4; 1.5; 1.6), позволяет сделать следующие выводы:
Для сквозных выработок характерна не устойчивое направление движение воздуха не только по временам года, но и также возможны колебания даже в пределах суток в зависимости от таких факторов как температура у порталов, ветровая нагрузка и т.д. Представленные данные свидетельствуют о том, что максимальная величина естественной тяги может достигать как в южном, так и в северном направлениях до 30 Па. Вместе с тем, в определенные моменты времени естественная тяга может вообще отсутствовать, что приводит к прекращению движения воздуха по выработкам.
Методика проведения натурных исследований аэродинамических и термодинамических параметров воздушного потока в тоннеле
При расчете параметров струйной вентиляции с движением транспорта в одном направлении, система искусственной вентиляции должна работать таких образом, чтобы вентиляционный поток перемещался в направлении движения автомобильного транспортного потока [41]. Данное решение позволяет в случае аварийной или иной ситуации, транспортным средствам, находящимся за местом после аварии беспрепятственно покинуть тоннель, а транспортным средствам, оставшимся перед местом аварии оставаться с безопасной (подветренной) стороны.
Необходимое количество струйных вентиляторов определяется из условия равенства суммарного давления, развиваемого струйными вентиляторами и общими потерями давления при движении воздуха по тоннелю (в т.ч. поршневого эффекта от транспортных средств)
Общие потери давления при движении воздуха складываются из потерь давлений: на входе АРВХ. и выходе воздуха АРВых из тоннеля, потерь на трение воздуха о стенки тоннеля АРтр, потерь на преодоление местных сопротивлений расширения- сужения воздушного потока, потерь, связанных с действием гравитационной АРгр, барометрической АРб и ветровой АРветр составляющей естественной тяги, потерь депрессии, на преодоление аэродинамического
Значения коэффициентов местного сопротивления при внезапном расширении раСш гл (кривая 1) и внезапном сужении (кривая 2) потока без учета шероховатости : Sy3.c/ Sm.c - соотношение сечения тоннеля в узком и широком местах 2.2.6 Оценка величины ветрового напора
Расчет барометрической составляющей естественной тяги Барометрическая составляющая естественной тяги АРб (Па), называемая также «орографической добавкой» к гравитационному напору, обусловлена температурной неоднородностью воздушной среды у различно ориентированных горных склонов. При отсутствии точных данных о величинах атмосферных давлений величина АРбар может быть рассчитана по формуле
Потери давления на преодоление аэродинамического сопротивления транспортных средств АРПОрш, находящихся в тоннеле, определяются относительными скоростями движения воздуха и транспортных средств, соотношением миделева сечение транспортных средств и сечения тоннеля и коэффициентами лобового сопротивления транспортных средств. Зависимость для вычисления АРпорш при движении выше перечисленных типов транспортных средств по полосам движения в противоположенных направлениях имеет вид: средств различного типа, одновременно находящиеся в тоннеле и движущихся в противоположных направлениях, принимается по методике, описанной в [29] ( - транспорт движущийся в противоположном направлении);
SMJI., SM.n.rp., SM.T.rp. - миделево сечение соответственно легковой, легкой грузовой и тяжелой грузовой машин, м2; Сл.л., Сл.л.гр, Сл.т.гр. - коэффициент лобового сопротивления легковой, легкой грузовой и тяжелой грузовой машин; Vcp. - средняя скорость воздуха, м/с. Ул., Vnrp, VT.rp. скорость движения соответственно легковых, легковых грузовых и тяжелых грузовых машин, км/ч. При движении транспортных средств в одном направлении в формуле (2.15) второй член в квадратных скобках принимается, равными нулю. При полной остановки транспорта (пробка) скорости движения транспортных средств принимаются, равными нулю.
В этом случае, потери давления, определяются появлением дополнительного аэродинамического сопротивления, связанного с нахождением в тоннеле транспортных средств,
При возникновении пожара часть транспортных средств по обе стороны от очага пожара по направлению их движения покинет тоннель. В этой связи, при вычислении АРпорш следует учитывать только те транспортные средства, которые остались в тоннеле перед очагом пожара. Общий импульс Н бщ. (Н) струйных вентиляторов, обеспечивающий подачу в тоннель необходимого количества воздуха G, составляет: N06n, = APo6n,FT (2.16) где АРобщ - рассчитывается по формуле (2.3) Фактическая величина импульса, развиваемый одним струйным вентилятором NBeHT. будет равна величине номинального импульса (измеренного во время стендовых испытаний), умноженного на корректирующие коэффициенты: NBeHT. = NHOM.. ki k2 k3 U k5j (2.17) где ki - коэффициент, учитывающий снижение номинального импульса силы струйного вентилятора вследствие отличия средней скорости воздушного потока VB В тоннеле от нулевого значения, имевшего место при испытаниях: где Vo - скорость воздушного потока на выходе из струйного вентилятора, м/с. кг - коэффициент, учитывающий снижение номинального импульса силы струйного вентилятора вследствие эффекта трения воздушного потока, выходящего из вентилятора, о поверхности обделки в своде или боковых стенах тоннеля при различном расположении вентилятора в сечении тоннеля (рисунок 2.2).
Величина коэффициента кг в зависимости от параметра 2z/(DT - DF). 1- размещение вентилятора у свода тоннеля; 2 - размещение вентилятора на сопряжении свода и боковой поверхности тоннеля (в углу); Z - расстояние от центра вентилятора до свода тоннеля или его боковой стенки кз - коэффициент, учитывающий изменение номинального импульса силы струйного вентилятора вследствие снижения потерь на трение при отклонении выходящей воздушной струи от поверхности обделки тоннеля (рисунок 2.3).
При размещении струйных вентиляторов в нише, выполненной у свода тоннеля или в его стенке, результирующий коэффициент, учитывающий потери на трение из-за взаимодействия воздушного потока с поверхностью обделки в нише кРез= к2-кз, определяется по данным таблицы 2.1. коэффициент, учитывающий снижение номинального импульса силы струйного вентилятора при уменьшении продольного расстояния между группами струйных вентиляторов, размещенных по длине тоннеля, ниже величины 10 Drafl (Огид-гидравлический диаметр тоннеля) в случае установки вентиляторов параллельно оси тоннеля и ниже величины 6-8 Driw при использовании дефлекторов, отклоняющих воздушную струю, выходящую и вентилятора на 5 - 10; при Іпрод. 10 Бгид. или 1прод. 6-8 Drm. 1 принимается равным 1,0;
Методика проведения физического моделирования
Сущность эксперимента заключалась в следующем: процесс физического моделирования включал установку импеллера на различных расстояниях от портала тоннеля, параллельно его оси, подачу по направлению к порталу воздушной струи и измерение скорости воздуха на выходе из модели тоннеля. При этом скорость воздушного потока на выходе из импеллера изменялась при различном числе оборотов рабочего колеса в диапазоне от 8 - 40 м/с и регулировалось с помощью частотного преобразователя. Так же с помощью шибера вносилось дополнительное сопротивление эквивалентное различным длинам тоннеля. В дальнейшем данные измерений были обработаны в безразмерных числах подобия
Следует отметить, что величина аэродинамического сопротивления связана с длиной тоннеля, что позволяет при осуществлении физического моделирования использовать модель постоянной длины, изменяя только ее аэродинамическое сопротивление, например, шибером. Увеличение аэродинамического сопротивления модели в результате установки шибера (рисунок 3.5, 3.6, 3.7), по сути дела, эквивалентно увеличению длины модели. Таким образом, повышение аэродинамического сопротивления модели приводит к такому же эффекту с точки зрения воздействия на расход воздуха, что и увеличение ее длины. установке шибера Выполненные оценки показали, что для условий реальных тоннелей, имеющих протяженность 1000-3000 м, внутренний диаметр 7,5 - 8,4 м и коэффициент аэродинамического сопротивления 0,004 - 0,005 Н с2 /м4, при использовании для создания свободной воздушной струи вентиляторов-эжекторов с диаметром 1,6 -2 м и их удалении от портала тоннеля, равном 10 - 60 м, значения чисел подобия, изменяются в следующих интервалах Ъ\= (0,013-0,07), Ъг = (3 - 5), Z3 =(5-30).
Физическая модель тоннеля представляла собой трубу, выполненную из оргстекла, и имеющую длину 1,5 м и диаметр сечение 0,0066 м2 (рисунок 3.3, 3.6). Коэффициент аэродинамического сопротивления трения, определённый для аналогичной трубы В.А. Плескуновым составил 0,0043 Н с2/м4 [65]. При этих условиях параметры Zi, Z2 и Z3 для модели при диаметрах выходного отверстия вентиляторов 0,027 м, 0,03 м и 0,035 м будут составлять соответственно 0,012 -0,050; 2,66 - 3,35; 1,48 - 22,22, т.е. попадают в интервалы изменения этих величин для реальных тоннелей. В качестве вентиляторов - эжекторов, планируемых для применения в реальных условиях, при проведении модельных экспериментов использовались импеллеры (рисунок 3.4, 3.8).
Для определения скорости воздуха на выходе из импеллера использовалась методика, основанная на том, что аэродинамическое сопротивление выхода вентиляционного потока из импеллера в 16-45 раз выше аэродинамического сопротивления тоннеля. К этому выводу приводит следующая оценка. Расчетное значение аэродинамического сопротивления модели тоннеля с учетом местного сопротивления выхода составило 20 228 Н с2/м8. В то же время местное сопротивление выхода вентиляционного потока из импеллера будет соответственно равно 916 066,3 Н с2/м8 при диаметре выходного отверстия 0,027 м; 601 031,1 Н с2/м8 при диаметре выходного отверстия 0,03 м; 324 421,6 Н с2/м8 при диаметре выходного отверстия 0,035 м.
Эта методика предусматривала установку импеллера в глухую перемычку на одном из концов участка модели тоннеля длиной 0,45 м с последующим измерением скорости воздуха на выходе из этого участка. После определения расхода воздуха на этом участке QH3M. скорость воздушного потока на выходе из импеллера будет равна VB= QHSM/SBHX. (где SBbix - сечение выходного отверстия импеллера). Определенные таким образом значения скоростей воздушного потока на выходе из импеллера изменялись в зависимости от диаметра выходного отверстия и числа оборотов рабочего колеса в диапазоне 8-40 м/с. Сопоставление полученные данные с паспортными техническими характеристиками вентиляторов показало, что расхождение между ними составляет не более 5% [23].
Для каждого вентилятора была проведена серия замеров при 100, 75 и 50 % от максимальной производительности. Замеры производились с интервалом 20 мм в диапазоне от 0 до 40 мм и с интервалом 40 мм от 40 до 600 мм. Дополнительно для каждого вентилятора производились замеры с шибером (рисунок 3.5, 3.7), уставленным в сечении тоннеля, при это значение аэродинамического сопротивления модели тоннеля с учетом местного сопротивления выхода менялось в диапазоне от 27 000 до ПО 000 Н с2/м8. Общее число измерений на стенде составило 204 замера, в дальнейшем все результаты были представлены в виде графической зависимости средней скорости воздуха в тоннеле от расстояния установки вентилятора от портала.
Определение области применения схемы вентиляции с использованием вентиляторов-эжекторов, расположенными перед их устьем выработки
Математическое моделирование было осуществлено при следующих геометрических и физических параметрах, определяющих аэродинамику воздушного потока в струе за пределами выработки и непосредственно в самой выработки: расстояния от портала до вентилятора LycT; длины выработки L; диаметра струйного вентилятора DBeHT; скорости воздушного потока на выходе из вентилятора VB; величина естественной тяги, препятствующей работе вентилятора hB (рисунок 4.1). В таблице представлены численные значения выше указанных параметров.
Исходные данные для математического моделирования принимались в соответствие со значениями, приведенными в таблице 4.1. Таблица 4.1 - Численные значения геометрических и физических параметров
Результаты вычислений для каждого варианта, из их общего числа, равного 64, были представлены, в виде полей скоростей и давлений в воздушном потоке на входе в тоннель и при его движении по тоннелю.
Как отмечалось ранее в разделе 3.3, за счет увеличения аэродинамического сопротивления не изменяя общую длину модели возможно учесть увеличения длины выработки эквивалентно введённому сопротивлению. Таким образом, повышение аэродинамического сопротивления модели приводит к такому же эффекту с точки зрения воздействия на расход воздуха, что и увеличение ее длины. Стоит особо отметить, что при выполнении вышеописанных расчетов на математических пакетах, данный принцип позволил многократно сократить количество вычислительных ресурсов необходимых для решения поставленных задач.
Анализ расчетных данных свидетельствует о том, что для рассмотренного варианта, начиная с величины удаления струйного вентилятора от устья выработки, соответствующего 10 м, зависимость между скоростью воздушного потока в тоннеле и величиной удаления вентилятора от устья выработки имеет характер, приближающейся к линейному.
Вместе с тем, при расстоянии между вентилятором и устьем выработки, меньшем, чем 10 м, скорость воздушного потока в тоннеле уменьшается, что свидетельствует о снижении эффективности его работы, аналогично данным полученным при физическом моделировании (рисунок 3.9). Как показывают результаты моделирования, причиной этого является образование зоны рециркуляции воздушного потока вблизи портала, которая исчезает с удалением вентилятора от портала (рисунок 4.7, 4.8).
На рисунках 4.7, 4.8 показано распределение скоростей на участке, прилегающем к порталу, при установки вентилятора-эжектора диаметром 1,0 м со скоростью воздуха на выходе из вентилятора 35,6 м/с на расстоянии LycT =10 м от сечения портала.
Длина рециркуляционной зоны сокращается при удалении вентилятора-эжектора от портального сечения, стремясь к нулевому значению при расстоянии, превышающем 25 метров (рисунок 4.9, 4.10). Полная же стабилизация и выравнивание потока воздуха происходит на расстоянии 100-120 метров от портала тоннеля с входящей струей (рисунок 4.11).
Результаты математического моделирования ситуаций с естественной тягой Влияние естественной тяги на скорость воздуха в тоннеле при интерпретации результатов математического моделирования было учтено числом подобия Z4 (см. раздел 3.2), определяемого величиной естественной тяги и скоростью воздуха на выходе из вентилятора, Ълг hB/pvB2 (рисунок 4.13).
Зависимость относительно безразмерной скорости воздушного потока в тоннеле, описывающая результаты математического моделирования с корреляционным соотношением, составляющим 0,93, может быть представлена в виде:
Эффективность использования вентиляторов-эжекторов для проветривания тоннелей в период их сооружения при сквозной вентиляционной струе определяется с одной стороны потребным количеством воздуха для поддержания в тоннеле нормативных санитарно-гигиенических условий или обеспечения критической скорости воздуха в случае пожара, а с другой величиной естественной тяги, направленной против действия свободной струи. Выбор вентиляторов-эжекторов, обеспечивающих требуемую скорость воздуха в тоннеле, выполняется на основе формулы (4.12) в зависимости от геометрических параметров тоннелей и величины естественной тяги. Результаты расчетов скорости воздушного потока в тоннеле при установке на расстоянии 20 м от портала тоннеля вентилятора-эжектора с диаметром выходного отверстия 1,6 м, формирующего свободную струю с начальной скоростью 35 м/с, представлены на рисунке 4.14.