一种综放工作面粉尘运动轨迹的数值模拟方法
【专利摘要】本发明属于生产领域工作面粉尘运动轨迹研究【技术领域】，涉及一种综放工作面粉尘运动轨迹的数值模拟方法，首先根据流体力学中粘性底层区速度分布规律和尼古拉兹实验经验公式，推导出综放工作面粘性底层区速度分布公式；其次根据综放工作面入口断面风流的平均速度值判断风流流态，根据不同流态采用C语言编写综放工作面入口断面风速自定义函数；最后将综放工作面入口断面风速自定义函数在FLUENT软件中解释，并设置成综放工作面入口断面风速的边界条件；将EDEM软件与FLUENT软件相互耦合，导出粉尘颗粒坐标数据以得到不同粒径粉尘运动轨迹的拟合函数，从而模拟得出综放工作面不同粒径粉尘的运动轨迹；该方法实现简便，原理可靠，设计科学，数据精确。
【专利说明】一种综放工作面粉尘运动轨迹的数值模拟方法
【技术领域】：
[0001] 本发明属于生产领域工作面粉尘运动轨迹研究【技术领域】，具体涉及一种用于研究 综放工作面不同粒径粉尘运动轨迹的数值模拟方法。
【背景技术】：
[0002] 综合机械化放顶煤回采工作面简称综放工作面，其在生产过程中产生的粉尘严重 影响着工人的身体健康和人生安全，所以实践中采取合理科学的措施以降低粉尘浓度非常 重要，而明确粉尘的运动轨迹是采取措施降低粉尘浓度的关键因素，但是，目前理论界对粉 尘的数值模拟研究大多集中在粉尘运移规律上，而对不同粒径粉尘运动轨迹的研究却寥寥 无几。因此本发明研究设计一种新型的用于综放工作面不同粒径粉尘运动轨迹的数值模拟 方法，具有重要的实践价值和应用前景。
[0003] 综放工作面的风速分布影响着风流的分布，风速的大小不同，风流的流动状态也 不同，断面风速的分布情况也有所变化，流体的流动状态根据雷诺数的不同而分为层流和 紊流两种流态；对于圆形管道而言，当流体的流动状态为层流时，圆管断面的风速分布规律 为旋转抛物面；当流体的流动状态为紊流时，由于其流动机制不同于层流，其速度分布和层 流有根本的不同，在靠近管轴的大部分区域内，流体质点的横向脉动使流层间进行的动量 交换较为强烈，该区域成为紊流核区；在紧贴壁面处由于因壁面限制而脉动消失的层流薄 层，流层间的粘滞力使流速急剧下降，速度梯度较大，该薄层称为粘性底层，根据普朗特假 设和尼古拉兹实验可知圆形管道断面粘性底层和紊流核区的速度分布函数。
[0004] 综放工作面为非圆形断面，五十年代初B ·Η·沃罗宁（苏联矿井通风学家）发表了 关于工作面横截面上的风速分布函数，1977年东北工学院通风安全教研室在实验研究基础 上修正了 B · H ·沃罗宁推导的公式，1982年暨朝颂（北京钢铁学院教授）从理论上推导了 与B · H ·沃罗宁推导的公式不同的工作面风速分布函数，1989年余跃进在以上研究的基础 上，分析了以上公式的缺陷，并根据普朗特假设提出了工作面风速分布的L ·普朗特公式， 上述研究的公式将粘性底层和紊流核区风流风速的计算合为一体，但是不能准确反映工作 面粘性底层区风流分布情况；本发明研究设计的非圆形工作面粘性底层区风速公式是对非 圆形工作面风速分布的有效补充，以此为基础的数值模拟方法能够切实反应综放工作面的 实际情况。
【发明内容】
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[0005] 本发明的目的在于克服现有技术存在的缺陷，寻求设计提供一种综放工作面粉尘 运动轨迹的数值模拟方法，能够明确模拟计算出不同粒径粉尘的运动轨迹，从而有针对性 的采取降尘措施。
[0006] 为了实现上述目的，本发明涉及的数值模拟方法具体包括以下工艺步骤：
[0007] (1)根据流体力学粘性底层区流动规律和尼姑拉兹实验经验公式，结合综放工作 面的中心点，推导得出综放工作面入口断面粘性底层区风速计算公式为：
【权利要求】
1. 一种综放工作面粉尘运动轨迹的数值模拟方法，其特征在于具体包括以下步骤： (1) 根据流体力学粘性底层区流动规律和尼姑拉兹实验经验公式，结合综放工作面的 中心点，推导得出综放工作面入口断面粘性底层区风速计算公式为：
其中，Vx为综放工作面入口断面粘性底层区风速，Vx彡0,单位m/s;F为综放工作面入 口断面平均风速，7 >()，单位m/s;r为综放工作面入口断面粘性底层区任意点（A)到综放 工作面中心点的距离，单位m;r(l为综放工作面中心点到工作面边界的垂直距离且经过综放 工作面入口断面粘性底层区任意点（A)，Γ(ι彡r，单位m; (2) 根据综放工作面入口断面风流的平均速度值计算得出雷诺数，以判断风流流态： ① 若雷诺数小于2000则为层流流动，根据综放工作面入口断面粘性底层区的风速公 式，采用常规的计算机C语言编写综放工作面入口断面风速自定义函 数； ② 若雷诺数大于2000则为紊流流动，综合综放工作面入口断面粘性底 层区的风速公式：vv=F 和非圆形工作面紊流区风速分布公式： Vra L
V ο yj 其中，Vx为综放工作面紊流区风速，Vx > 0,单位m/s;V为综放工作面入口断面平均风 速，歹>0,单位m/S;r为综放工作面紊流区任意点（A)到综放工作面中心点的距离，单位 m;Γ(Ι为综放工作面中心点到工作面边界的垂直距离且经过综放工作面紊流区任意点（A)，r0 >r,单位m; 采用常规的计算机C语言编写综放工作面入口断面风速自定义函数； (3) 将综放工作面入口断面风速自定义函数在常规流体分析软件FLUENT中进行解释， 并设置成综放工作面入口断面风速的边界条件；然后将常规的颗粒分析软件EDEM与流体 分析软件FLUENT相互耦合，并导出粉尘颗粒坐标数据以得到不同粒径粉尘运动轨迹的拟 合函数，模拟得出综放工作面不同粒径粉尘的运动轨迹。
【文档编号】G06F9/455GK104461680SQ201410612939
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年11月4日 优先权日:2014年11月4日
【发明者】吴立荣, 程卫民, 吕大炜, 于岩斌, 王丹, 于海明, 刘阳昊 申请人:山东科技大学