矿井定常湍流脉动对通风阻力测试影响的理论分析*（安全）
刘 剑1,2，李雪冰1,2，陈廷凯1,2，宋 莹1,2，赵春双1,2
（1．辽宁工程技术大学，安全科学与工程学院，辽宁阜新123000，2．矿山热动力灾害与防治教育部重点实验室，辽宁阜新123000）
摘要：受湍流脉动影响，矿井通风阻力测试结果的数值波动是不可避免的。为探究湍流脉动对通风阻力测试的影响程度，以压差计测阻法为例进行理论分析。根据阻力测定原理和能量方程，在定常圆管流动条件下，导出湍流脉动影响下倾斜压差计测量示值波动范围的计算表达式；理论分析测试巷道的断面尺寸和风速大小对数值波动幅度和测试精度的影响。结果表明，压差计示值的波动幅度与当地湍流强度及风速的平方成正比；巷道风速的量级是压能波动的主导因素，测试风速越大，液面数值涨落幅度越大，波动现象越明显；而数值波动幅度大不等同于测试精度低，小断面大风速巷道中易获得满意的测试精度而大断面巷道中无论风速高低均不易获得较高测试精度。为减小湍流脉动造成的通风阻力测试的随机误差，需在短时间内进行多次测试取统计平均结果，这在大断面巷道的阻力测试中尤为重要。
关键词：安全；湍流脉动；通风阻力测试；压能波动；测试精度
中图分类号：X936 doi: 10. 11731/j．issn．1673-193x. 2016. 05.004
0 引言
矿井通风阻力测定工作是通风技术管理的重要内容之一，测试精度直接影响通风系统的设计、管理和优化改造。近年来，一些文献报道中已指出诸多影响阻力测试的因素并在改进测试方法和数据处理等方面做出了许多尝试和研究。矿井通风阻力测定多年的现场实践中发现，常用的测试手段无论是气压计法还是压差计法，在读取结果时总是存在或大或小的数值
波动，这可能是由于风门开启、爆破气流、机车运输等对局部风流产生的瞬时扰动所致，但避开这些影响因素，即使在实验环境中这种波动现象依然存在，找出引起数值波动的潜在因素并做深入分析是十分必要的。本文从矿井风流的湍流特性出发，揭示了阻力测试数值波动
存在的机理，理论推导了定常管流中波动幅度的计算表达式并对影响波动幅度的因素展开系列讨论。这项工作对改善测试方法提高通风参数的测试精度具有重要意义。
1 定常管流压能波动的理论分析
根据Reynolds圆管流动状态实验的结论可知，并巷风流多数呈湍流态。湍流具有脉动特性，致使流体质点在时间和空间上都表现出的变化剧烈的随机运动，因此要准确描述和测试每一瞬时、每一空间点上的流动物理量是极为困难的，而阻力测试的核心内容是对空间点压能的测量，湍流脉动会导致点压能的随机涨落，因而会观测到测试结果出现随机波动的现象。例如，倾斜压差计法测试井巷风阻时，静压管管孔（皮托管静压孔）所感知的是当地点压能信息，因此静压管传递的是总流断面上某一元流的压能的变化量，而湍流脉动会导致起末两点压能随机涨落，这一信息传递至倾斜压差计，使液面表现不稳定的上下波动。以下从倾斜压差计阻力测试原理出发，推导定常湍流中这一波动范围的计算表达式并结合实际分析其影响因素。
无外部扰动影响时，巷道风流可简单视为定常管流流动，利用倾斜压差计法测算巷道两断面间通风阻力时：
根据流体力学理论，对于巷道总流断面上任一测点的瞬时风速，其雷诺分解形式为：
动范围与湍流脉动LDA实验的观测结果相吻合。
2压能波动范围的影响因素分析
以上推导过程是将湍流脉动视为随时间变化的连续函数，而在实验室或现场测试中，测试工具的时间分辨率远低于湍流脉动的时间尺度，测试数值波动的宏观表象是湍流脉动在某一时间段内的综合叠加反应，这种宏观波动的尺度或范围是工程应用中较为关心的结果，以下讨论中忽略压能随湍流脉动变化的微观过程，重点分析压能波动幅度及其主导因素。
2.1 巷道断面和流速的影响
根据上文的推导结果，压能波动范围的幅度主要受湍流度和流速影响，对于理想均直巷道，湍流度的计算
由图2和式(8)可以看出，当巷道断面尺寸不变时，压能波动幅值是风流流速的二次函数，随风速增大，波动幅值显著增加；当流速相等时，对断面大小不同的巷道，压能波动幅值随断面尺寸减小微有增加，但这种响应极不敏感。因此，巷道风速是影响压能波动幅度的主导因素，风速越高，压能波动幅值越大，阻力测试中数值波动现象愈加明显，等风速测试条件下，小断面巷道中测试数值的波动幅度略高于大断面巷道。
2.2湍流脉动对阻力测试精度的影响
测试精度是指测试结果相对于被测试真值的偏离程度，可以用最大误差占真实值的百分比（即相对误差）来表征。湍流脉动引起的阻力测试结果的波动幅值反应了测试值与真值的最大偏离程度，可以视为最大测试误差。因此，湍流脉动影响下，阻力测试精度可表示为：
为分析不同风速和巷道尺寸条件下，湍流脉动对阻力测试精度的影响，现给定摩擦阻力系数a=3. 92×10-3（混凝土砌碹巷道），巷道长度L=100 m，其余参数与本文2.1节选取一致，绘制出不同巷道断面尺寸下，阻力测试相对误差与风速间的关系曲线如图3所示。
由图3可以看出，巷道断面尺寸一定时，阻力测试相对误差随风速的增大逐渐降低，且随着风速增大，下降速率趋于平缓，相对误差的变化区间跨度较小；当风速一定时，阻力测试相对误差随巷道断面尺寸增大显著增加，巷道断面尺寸决定了相对误差的大小等级。因此
在几何尺寸相同的巷道中测试时，风速越大，获得的阻力测试结果精度越高；在测试仪器有足够高的分辨率时，小断面高风速巷道的测试精度受湍流脉动影响小，而测试大断面巷道通风阻力时，无论风速高低，均难以获得满意的测试精度。
3 结论
1)矿井湍流脉动会引起压能波动，使阻力测试时不可避免地产生或大或小的数值波动，波动幅度受巷道风速和湍流度的影响。在均直巷道中忽略空气热力学效应时，影响因素可以简化为巷道风速和断面尺寸，其中巷道风速是主导因素，风速越大波动现象越明显。
2)湍流脉动会增加阻力测试误差，影响测试精度。小断面低风速巷道的测试精度受湍流脉动影响小；测试大断面巷道通风阻力时，无论风速高低均难以获得满意的测试精度。
3)测试数值波动幅度大不意味着测试结果精度低，小断面高风速巷道测试时，数值波动现象明显但比较容易获得满意的测试精度。
4)定常湍流具有时间统计平均特性，阻力测试中的数值波动与湍流脉动规律都是围绕一个平均值起伏涨落，测试时可读取一段时间内多个数据并求平均来代替瞬时值，这样可以减小湍流脉动引起的测试误差。
5)本文在假设巷道流动为定常均匀管流条件下引用数值模拟的经验公式计算湍流度从而展开理论分析，而实际巷道中边壁条件变化各异，再加上内部阻碍物的影响和破坏，湍流发展和演变过程非常复杂，湍流度的描述需要在大量实验中总结。依靠PIV和LDA等流场测试实验手段全面认识和研究矿井湍流规律是下一步的工作内容。
