автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.11, диссертация на тему:Развитие теории турбулентного тепломассопереноса в горных выработках

НАЦИОНАЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ !1А!Ж УКРПННН •ИНСТИТУТ ГЕОТЕХНИЧЕСКОЙ МЕХАНИКИ

РГб ОД

На нраоах рукописи

АВЕРИН Геннадий Пикторопич

РАЗПИТИЕ ТЕОРИИ ТУРПЯ/1Е1ГПЮГО TEIlAOMACCOlÍEPEIIOCA . В ГОРНИХ ПНРППОТШ

05.15.11 - "Физические принесен горного производства"

Автореферат диссертации на соискание цченой степени доктора технических наци

Днепропетровск - 1394

- г -

Диссертация является рукопись»

Работа выполнена в Государственном Макеевской научно-исследовательском институте по безопасности работ в горний промышленности и Институте геотехнический механики HAH Украины

НАУЧНЫЙ КОНСУЛЬТАНТ: доит.техн.наук.профессор

ЦЕЙТЛИН Юрий Анатольевич

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:

докт.техн.наук,профессор КРЕНЕН4У1|КИИ

Николай Феофанович

докт.техн.наук,профессор ПАК •

Витольд Витольдович

докт.техн.наук,профессор 1ЕВЕЛЕВ

Гаррий Агапович

ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ - Институт технической теплофизики HAH Украины ( г.Киев ).

Защита состоится i^Ui^^fz— 1994 г,

^ часов на заседании специализированного совета

Д 0J6.40.01 при Институте геотехнической механики HAH Украинц по адресу: 320600, г.Днепропетровск, ул.Симферопольская, 2а. С'диссертацией мощно ознакомиться в библиотеке института.

// - \ Автореферат разослан 1994 г.

Ученый секретарь специализированного совета, канд. техн. наук

Uu^l 1ПАК9Н0В И.(|.

(ЩЛЯ ХАРАКТЕРИСТИКА PAUOTH

Актуальность РППОТН. Развитие добычи угля в Донецком бассейне может осуществляться. в основной, за счет освоения больших глубин. В настоящее время более 55 7. вахт ведут горние работы-на глубинах 600 - 1300 м. К 20и0 году средняя глубина вахт возрастет до 800 -015 м, а 25 У. вахт будут работать на глубине более 1100 м. С увеличением глубины разработки растет газообильность вахт, возникают проблемы с проветриванием и обеспечением нормальных климатических условий в выработках. Поэтому возможности интенсификации горних работ и повышения безопасности труда пи многих случаях ограничиваются в связи с аэродинамическими, тепловыми и газовыми проявлениями.

Термоаэрогазодинаиические процессы в «ахтах и рудниках чрезвычайно многообразии, однако они имеют единую фнзико-ыеханическуп основу ввиду тесной взаимосвязи между собой, что определяет единообразие математического моделирования их физической природы. Изучение данных процессов требует реиения ряда сложных задач рудничной вентиляции, связанных с турбулентным переносом тепла, импульса и примесей в горных выработках. Следует отметить, что теория процессов переноса при турбулентном движении воздуха в выработках разработана весьма слабо, хотя теоретические методы анализа исключительно важны для многих задач рудничной вентиляции и горного дела. Боль-винство процессов переноса в вахтах связаны с решениями задач для общего уравнения диффузии. В области горной теплофизики это задачи прогноза тенловлаано' тиих параметров воздуха и регулирования микроклимата и горных выработках, тепломассопереноса между породним массивом и различными жидкостями в процессах добычи нефти и газа, извлечения геотермальной энергии и разрувения горных пород. В области рудничной аэродинамики следует выделить задачи, связанные с изучением законов движения и определением основных характеристик воздув-ных потоков в горних выработках. Уравнение диффузии является определявшим в области газовой и пылевой динамики вахт при исследовании провесов переноса газообразных примесей и аэрозолей в горних выработках, диффузии газов в выработках при внезапных выбросах угля, пор 1ы и газа, газовыделении от работающего оборудования и т. д.

Таким образом, проблема теоретического и экспериментального изучения процессов переноса для турбулентных течений ру; гшого воздуха является актуальной, так как это одна из оснйпных проблем рудничной вентиляции. Она исключительно вавна для развития Методо-

логии пактной аэрологии и непосредственно связана с совериенствова-'ниеи прогноза климатических условий я газообильности горных выработок, повышением эффективности и безопасности эксплуатации вахт. Но-тоди исследования процессов турбулентного переноса могут такяе найти применение при решении широкого круга технических задач, выходящих за рамки рудничной аэрологии, так как турбулентность - это одна из самих больвих проблск науки и техники.

Диссертационная работа содервит результаты исследований выполненных автором по тематическим плавай научно-исследовательских работ НлкНИИ и по своей направленности соответствует программе исследований по ваянеймии фундаментальны« проблемам 11(111 Украины и ГКНТ.

ЦЕЛЬЮ РАБОТЫ является установление закономерностей диффузии тепла, инпульса и примесей при турбулентном течении рудничного воз-дцха для развития теории расчета процессов тепломассообмена н аэродинамики в горних выработках и повышение на этой основе эффективности к безопасности эксплуатации вахт.

ИДЕЙ РАБОТЫ состоит в теоретическом и экспериментальном обосновании взаимосвязи процессов переноса тепла, импульса и примесей в горних выработках и использовании единого подхода в расчетах процессов тепломассообмена и аэродинамики на основе аналитического ревения дифференциальных уравнений переноса.

НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ. РАЗРАБОТАННЫЕ ЛИЧНО СОИСКАТЕЛЕМ И ИХ НОВИЗНА

1. Истод ревения краевых задач переноса, заклячаючийся в совместном применении интегрального преобразования Лапласа и квазиклассического щжблишения, получении асимптотического ревения и составлении невязки между искомым рекелиеи и его асимптотикой в области оригиналов, позволивиий. впервые получить прибливенные аналитические ревения краевых задач тенломассонереноса и гидродинамики при турбулентном двияении среды в каналах и горных выработках и сформулировать методы анализа процессов турбулентного переноса.

2. Метод расчета коэффициентов турбулентной кинематической вязкости, теплопроводности и диффузии при дпивении-воздуха в горных выработках, основанный на полученных теоретическим путем зависимостях этих характеристик от пути перемешивания и связи последнего с— аэродинамическими и геометрическими параметрами и верохоплтостьп выработки. Метод позволил впервые получить количественные данные о структуре и характеристиках турбулентных потоков воздуха »! горных выработках с различными видами шероховатости и крепи и сформулировать способы моделирования турбулентности в горных выработках.

3. Впервые экспериментально установленные закономерности н регрессионные зависимости совместного тепломассообмена и взаимосвязи процессов переноса тепла и водяного пара в горних выработках, позволнввне сформулировать ноиие методические подходи в описании физики процессов -ссообиёна в выработках.

4. Обцаа теория и методы расчета процессов переноса тепла, импульса и пассивных примесей, позволяючие развить методологии вахтной аэродипаиики и тепломассопереноса и впервые сформулировать единый подход к расчету процессов переноса при турбулентном двц-вении воздуха в горних виработках.

5. Закономерности диффузии тепла, импульса и примесей и аналогии неадц процессами теплоиассопереноса и аэродинамики при турбулентном двиаении воздуха в горних виработках, полученные впервые теоретическим путем на основе анализа реяений дифференциальных уравнений переноса и сопоставлении результатов с экспериментальными данными, позволивзие сформулировать комплекс практических методов расчета параметров, характеризующих теняомассоотдачи и аэродинамическое сопротивление горных выработок, и получить прикладные зависимости для нх определения.

6. йетоди прогноза теплавлавностних параметров воздуха в горных выработках, отличавшиеся использованием алгоритмов имитационного моделирования и экспериментально установленных закономерностей, характеризуглих процессы массопбмена меяду рудничным воздухом и горный массивом. Методы являются научной основой для разработки новых методик прогноза климатических условий и определения параметров средств нормализации тепловых условий в вахтах..

ОБОСНОВАННОСТЬ И ДОСТОВЕРНОСТЬ НАУЧНЫХ П0Л08ЕНИЙ, ВЫВОДОВ И РЕКОМЕНДАЦИЯ подтверадаетса комплексностью проведенных исследований, включавших применение фундаментальных половений теории теплоиассопереноса н гидродинамики, использованием апробированных методов статистической обработки данных и математического моделирования слоишх систем, представительностьв вахтных экспериментальных данных, ад! ватностьп разработанных моделей и зависимостей, статистической совместимостью результатов моделирования физических процессов - нахтными экспериментальными данными, удовлетворительным совпадением расчетных данных с результатами исследований других авторов и многочисленными сопоставлениями результатов расчета ь экспериментальными данными характеризующими процессы тепломассообмена и гидродинамики при турбцлентном-двиаении сред как в каналах, так и

в горных выработках ( погрешность не превышала 10-15 X при уровне достоверности 0.95 ).

ЗНАЧЕНИЕ РАБОТЫ. Научное значение работы состоит в разработке обцей теории и методов расчета процессов переноса при турбулентном двншении рудничного воздуха, установлении закономерностей, характеризуем взаимосвязь процессов переноса тепла, импульса к примесей в горных выработках, разработке приближенного аналитического метода интегрирования дифференциальных уравнений переноса и получении па его основе решений основных задач конвективного тепломассообмена к аэродинамики, установлении закономерностей диффузии тепла, импульса и примесей в горных выработках, позволявших развить общие научные представления о природе и особенностях турбулентных течений рудничного воздуха к сформулировать комплекс теоретических методов анализа процессов переноса в рудничной аэрологии.

Практическое значение работы заключается в разработке на базе новых теоретических положений комплекса практических методов расчета параметров, характеризующих теплонассоотдачу и аэродинамическое сопротивление горных выработок, моделей расчета диффузии тепла, импульса и примесей в выработках; методик определения характеристик турбулентных потоков рудничного воздуха, зависимостей, характеризующих аналогии между процессами переноса в вахтах, пакетов прикладных программ для реализации предложенных методов расчета. Результаты исследований положены в основу методов прогноза климатических условий и определения параметров средств нормализации тепловых условий в шахтах, а также нашли применение при создании новых средств охлаждения рудничного воздуха.

РЕАЛИЗАЦИЯ ГАиОТЫ. Метод прогноза климатических условий включен в " Экспресс-методику прогнозирования температуры воздуха в выработках глубоких шахт Донбасса ", которая используется глубокими шахтами для прогноза тепловых условий и,горных выработках. Результаты работы явились основой для создания'параметрического ряда иах-тпых передвижных кондиционеров, в частности, при разработке технических заданий и создании холодильных машин для охлаждения рудничного воздуха 20 К ПК 115 и КИИ 130-2-0, при разработке технических_ заданий на машины К1Ш-110-2 -0 и ТШ 230-2-0, а также при создании систем охлаждения воздуха н подготовительных выработках глубоких шахт'. Влхтнля холодильная мамина 2Ш11Ш-115 серийно выпускается П1Ш0 "Одггхолод" с IИОН г. 15 настоящее время АНПО "Одеехолод" изготовлен опытный ибрал!;ц холодильной млгипн КИИ 130-2 0 и ее приемочные ис-

- ? -

питания заверааатса йакНИИ на вахте им. А.А.Скочинского ПО "Донецк-уголь". Серийный выпуск аавины планируется с 1995 г. На основе разработанного технического задания ведутся работы по созданию ыаиини для охлавдения и осувения нахтного воздуха с турбокиинрессором ТШ-230-2-0, Сер! ,'ый выпуск мааипы планируется Л!НШ "Одесхолод" с 1995-1996 г. Для нормализации тепловых условий в подготовительных выработках разработаны системы охлавдения «ахтного воздуха в основу которых половеио использование созданной холодильной техники. Вариант системы охлавдеии51 реализован и внедрен на вахте им. В.У. Папанова ПО "йакеевуголь". Предловешше системы охлавдения нозволя-вт создать нормальные климатические условия в горных выработках, проводимых на глубоких горизонтах.

На основе выполненных исследований опубликована монография ''Теоретические основы переноса импульса, тепла, и приаеси в горных выработках", где излоаены основные результаты дайной работы.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные полоаения диссертационной работы докладывались и обсуядались на республиканской конференции "Проблемы совервенствования пылегазовога ревима на угольных вахтах" (г. Макеевка, 1988г.), на Всесовэиой научно-технической конференции "Интенсивная и безотходная технология разработки угольных и сланцевых месторовдений" (г. Чосква, 1989 г.}. на 24-й ыевдународной конференции научно-исследовательских институтов по безопасности работ в горной пр(мыяленности (г. Донецк, 1991 г.), на Всесоюзной научно-технической конференции "Холод - народному хозяйству" 1г. Санкт-Петербург, 1991 г.), на 2-м мевдународном Форуме по тепло-н аассообмену (г. Иинск, 1992 г.), на сессиях Всесоюзного научного семинара по горной теплофизике, проводимых в 1985 - 1993 г., и дрцгих конференциях и семинарах, на ученых советах КакИИИ и ИГТМ ПАИ Окраины.

ПУБЛИКАЦИИ. По результата» исследований опубликовано 2? печатных работ и одна монография.

ОБЬЕЫ И СТРУКТУРА РАБОТЫ. Диссертация состоит из введения, 7 глав и заклпчения, содервит 309 страниц мавинонисного текста, вклвчая 64 рис., 18 таблиц и список литературы на 248 наименований. Приливения на 159 страницах представлены в виде отдельного тома.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В настоя*ее время достаточно полно изучены процесса тепло- и

- в -

массопереноса и гидродинамики при турбулентной движении воздуха в гладких и шероховатых трубах. Турбулентные характеристики потоков исследовались Рейнольдсом, Прандтлем, Лацндером, Райхардтои, Дейс-лерои, Колмогоровым, Сполдингом, Кутателадзе и многими другими авторами. Полученные в работах этих авторов закономерности обладают больмой теоретической ценнретьв, однако они не могут быть распространены на турбулентные потоки в горных выработках, так как природа и закономерности турбулентных течений рудничного воздуха изучены е*е недостаточно. Теоретические и экспериментальные исследования в это* направлении проводились А.А.Сиочинсиим, II.И.Вороновым, В.Н.Ворониным, И.З.Умаковым, Ф.С.Клебановым, Ф.А. Абрамовым, Г.А. 1евеле-вым, А. II, (ербанем, Н.Ф. Кременчуцкнм, В.В. Наком и другими автораки. Полученные ими данные свидетельствуют о сильном к достаточно сложном влиянии вероховатости выработок, а такие различных природных и технологических особенностей но тепломассообмен и турбулентное течение воздуха в горных выработках. В числе экспериментальных данных по конвективному тепломассообмену и аэродинамике и вахтах в основном приводятся значения коэффициентов сопротивления и тепло-массоотдачи. Практически отсутствуют данные по характеру профилей скорости, температуры и примеси, а такие по характеристикам турбулентности в условиях горных выработок. Недостаточно изучена структура воздуяных потоков и механизм переноса тепла, импульса и примесей в выработках, а такше закономерности и особенности протекания процессов тепломассообмена и аэродинамики в горных выработках.

На основе всего вымесказанного для достимения цели исследований в диссертационной работе решались следящие задачи:

1. Разработать нриблиаенлый метод и методику решения краевых задач тепломассонсреноса и аэродинамики при турбулентном двияении воздуха в каналах и горных выработках и получить ревения основных краевых задач переноса.

?.. Установить закономерности диффузии тепла, импульса и примесей при турбулентном двимении среды в каналах и горных выработках и разработать соответствующие математические модели.

3. Определить аэродинамические и тепломассообменнне параметры, характеризуимие процессы переноса при турбулентном движении воздуха в горных выработках.

Исследовать особенности турбулентных течений воздуха и ус-тамиоить закономерности сопмсстнпго тепломассообмена, и взаимосвязи процессов переноса тепла, импульса и примесей в горнмх выработках.

- а -

5. Разработать обчув теории и методы расчета процессов переноса при турбулентной движении рудничного воздуха.

П. Сформулировать комплекс практических методов расчета параметров, определяющих тепломассоотдачу и аэродинамическое сопротивление горных вырабиток. зависимостей, характеризующих диффузию тепла, импульса и примесей в них. •

7. Разработать теорию совместного тепломассопереноса при взаимодействии рудничного воздуха- с горним иассииом, методи прогноза климатических условий в горных выработках и создать новые средства нормализации тепловик условий в вахтах.

При разработке теоретических нетодов описании процессов диффузии в горных выработках возникают достаточно серъезные проблемы, заклпчавциеся п следувчем. Во-первых, процессы турбулентного тепломассообмена и аэродинамики описываются словники дифференциальными уравнениями в частных производных. Во-вторых, в случае турбулентного движения возннкавт трудности в .определении параметров турбулентного переноса тепла, импульса и примеси. В настоящее время при ре-нении задач в области аэрокосмической техники, энергетики, физики атмосферы для расчетов процессов турбулентного переноса нироко применяются теоретические модели, численное ревенйе' которых позволяет определять тепломассообаенные и гидравлические характеристики достаточно сложных поверхностей и сребренных каналов без проведения трудоемких экспер"ментов. В рудничной аэрологии такой подход не получил распространения, несмотря на его исклвчительнуи продуктивность. К настоящему времени для условий горних выработок не определены такие турбулентные характеристики как путь перемевинания, коэффициенты турбулентной кинематической вязкости, теплопроводности и диффузии и др., что не позволяет получать ревения модельных краевых задач переноса, являвшихся основой для ревения более сложных теоретических моделей, характеризующих диффузии активных примесей, условия формирования с-лоистнх скоплений метана и др.

Обзор, предложенных различными авторами, методов расчета теп-ломассои кена и турбулентного движения применительно к потокам жидкости в каналах показал, что основу этих методов составляет система ураь^.'ний диффузии, дополненная той или иной модель» турбулентного переноса тепла, импульса и примеси-. Соатветствувцие дифференциальные уравнения, описывавцие процессы переноса, подобны между „обой, т.к. описание этих процессов связано с краевыми задачами для обцего уравнения диффузии, в связи с чем при их изучении использ«-

■тся идентичные методы анализа. Изучение опубликованных работ показало, что в настоящее время не существует аналитических методов решения краевых задач переноса при турбулентном двивении среды в каналах и горных выработках, т.к. эти задачи решаются преимущественно численными методами. Различными авторами предлошено большое количество моделей турбулентности при движении сред в канала». Для гладких каналов найболее известны модели Иартинелли, Сполдинга, Рай- 1 хардта и др., для шероховатых каналов следует отметить модели предложенные Ротта, Себесси и Ченгом, Киллионщиковым и др. Анализ .работ данных авторов показывает, что модели турбулентного переноса всех уровней сложности, применяемые для расчета течений в каналах, являются полуэмпирическими, так как содержат константы, подбираемые по экспериментальным данным. Для шероховатых каналов, учитывая индивидуальный характер шероховатости, ее неоднородность и случайность. для практических расчетов не могут быть получены универсальные зависимости как для гладких труб и в каждом конкретном случае результаты расчетов необходимо сравнивать с опытными данными по переносу импульса, тепла и примеси. Зксперименталыше данные по гладким и шероховатым каналам позволяют обосновать подходы при задании функций переноса в горных выработках. При этой, учитывая зависимость процессов переноса от шероховатости выработки, горнотехнических и горнагеолсгических факторов, параметры функций переноса такше должны подбираться по экспериментальным данным.

На основе обобщения многочисленных результатов теоретических и экспериментальных исследований сформулированы математические модели, характеризующие процессы турбулентного тепломассопсреноса и гидродинамики и показано, что, краевые задачи переноса в гладких и : шероховатых каналах и горных выработках отличаются только заданием параметров турбулентного переноса. При этом закономерности протекания процессов тепломассообмена и турбулентного течения существенно усложняется для случая движения среды в горных выработках, отличающихся наличием случайной или регулярной шероховатости. Поэтому из-за ограниченных возможностей экспериментальных' исследований процессов тепломассообмена и турбулентного течения воздуха в горных_ выработках псе более важными становятся исследования расчетно-те-оретичоского характера с целы» объяснения особенностей конвективного тепломассообмена н аэродинамики и для получения недостающей качественной и количественной информации. . .* ■ __ ■ ..

Теоретические исследования процессов переноса теплоты и веще-

ства связаны с ревениен краевых задач для дифференциальных уравнений в частных производных параболического типа:

с соответствушиши граничными условиями, причем - 0 - для

плоского канала и (и , = 1 - для цилиндрического канала.

Как известно, точное аналитическое решение соответствующей краевой задачи в больвинстве случаев получить просто невозаояно, о связи с чей для ревения использувт приближенные методы.

Разработка приближенного метода и методики ревения краевых задач переноса при турбулентной двивенин воздуха основывалась на предварительно« анализе ревения задачи в области изойрааения по Лапласу и асимптотическом разлоаешш изобрааення при больаих значениях параиетра преобразования Р . После перехода п область оригинала находится распределение потециала Для начальной стадии процесса теплоиассопереноса. Для получения асимптотики реве-1шя (1) в области изобравений в данной случае используется метод квазиклассического приближенна. Данный метод применялся при реоени» краевых задач тёплоыассопереноса и аэродинамики при турбулентной течении среды в каналах и горных выработках. В обцем случае ревенио представлялось в : иде:

-к) - <2>

где V«. (- собственные функции, Рц. - собственные значения. Ал. - постоянные. Собственные значения и постоянные в ревении (2) определялись путем минимизации невязки из условия равенства функций и & ($*?) 2 и<чэлых значениях /? , т.е.

где $ - малое число. В качестве собственных функций У* ( .принимались их асимптотические приб-липенчя. из ревения ?) .

.Которые,представляет собой ортогональна« систему функций.

¿Для примера, испольэця ,даницй .метод, ревим краевуа задали депло-нмассоперело^а ^в трубе при граничном условии •

первого рода и постоянной скорости потока в канале. В этой случае,

если рассматривается процесс тенлонереноса

Ре rf(f)- ^ '

а если расснатрнвается процесс кассопереноса

hfl'

Граничные условия имепт вид

#0-?)-° (4)

Здесь i - температура; С - концентрация: Д - коэффициент теплопроводности; Jj - коэффициент диффузии; Ре , - числа Пекле. Используемые индексы имеет следуоцее значение: 0 - начальное значение: ср - среднее значение; ст - стенка; т - турбулентность.

Применяя к системе (I) и (4) преобразование Лапласа по продольной координате f? получим

(5)

Асимптотическое ревенно уравнении (5) в области изобравений при , о< ^ < / , удовлетворяпчее граничным условиям

(4) и полученное методом квазиклассического прибливепия, имеет вид:

Р ч/пГ1е(т№1П / Гп/ПУ ш

Оригинал изобравения (6) представляется следующим образом:

Здесь &Л-" —т}—§ / ¿/л) • а - корпи функции Бесселя перво-

го рода. J ■ J у

Общее ревение краевой задачи (1) и (4) определялось в виде ряда (?.), в котором 1 . В качестве собственных функций при^ пиналась ортогональная с весом ^ система функций из уравнения (7). которая удовлетворяет граничным условиям. Подставляя (2) и (7) в (3), «мновая обе части равенства па и интегрируя в преде1 лах от 0 до (. определим постоянные /)* н собстпеные числа -Ра :

а а* - ,

т' Л%>и->) Л'п Ум

- га -

i ¡и

Аналогичным образом установлены собственные значения, собственные функции н постоянные ренения краевых задач турбулентного тепло- и аассопереноса для случая двиаения среды в плоской и цилиндрическом каналах при граничных условиях 1 (таблица) и 2 рода. Рассмотрены случаи течения среды с постоянной и переменной скоростьн по сечению канала. Впервые получены обцие аналитические уравнения для определения потенциалов тепло- а аассопереноса и интегральные выравення для тепловых и диффузионных чисел Нуссельта при турбулентном двиаенмн среди в каналах.

Анализ полученная ревеннй показал, что данные уравнения ныеат идентнчннй характер для случая двиаения среди в гладких и аерохова-тнх каналах и горных выработках. Характерный реаин течения в каналах и горних пиработках определяется заданием соответствувцнх распределений скорости и параметров турбулентного переноса. На основе аналитических зависимостей проведены расчета потенциалов тепло- и аассопереноса при турбулентном течении сред в.гладких каналах. Ре-аениа анализировались при различных функциях fCf) . ^Т/) » характеризуй^!« параметры турбулентного переноса и скорость среда в каналах. Использовались значения функции ' f(^f) Для трехслойной (уравнения Ыартинвллн), двухслойной (уравнения Райхардта), однослойной (уравнения Сполдинга) и др. схем турбулентного потока. Скорость среды задавалась в виде стергневого и логарифмического профилей. Й каздои случае для чисел Праидтля и Оикдта Рг( 5с ) = 0,1-1,0 определены 10-15, а для чисел Рг( Бс )=1,0-10 20-30 первых собственных чисел н характеристических функций полученных ревеннй.

Достоверность методики расчета била проверена путей сопоставления результатов расчета с нмеаднакся аксперииенталышмн данными и полуэшшрическиан зависимостями для условий турбулентного двиаения различных сред в гладких трубах. Кроме этого показано, что результата расчетов удовлетворительно совпадавт с ивспцкнися данными для собственных значений и постоянных ревеннй задачи о теплообмене при турбулентной двиаеннн среди на термически начальной участке, которые установлены различными авторааи на основе (еденного решения соответствуаиих уравнений переноса. На основе получен-

-~п -

Таблица

Собственные значения и постоянные реиения задачи о диффузии тепла или принеси в каналах и горных выработках при постоянной температуре или концентрации на стенке

Канал или ! Процесс ( " • ' ¡Число Постоянние и собст. значения 1

горная выра- ¡диффузии Н * г А 1

ботка Р^БС) ! НЕ 1 т р! А* XV !

Гладкий канал теплооб- 0 ! 50000 0,1594 05.7 10.66 0.0365!

мен 1 1 1 388.4 -8.23 -0.0121!

г > 1 3092 1.70 0.0016!

3 1 1 4317 -2.32 -0.0016!

4 1 1 1 13060 1.04 0.0006! 1

Иероховатнй теплооб- 0 1 ! 50000 0.0940 198.5 19.36 1 0.0231!

канал мен 1 1 1527 -8.81 -0.0045!

р 2 1 1 8923 2.96 о.оою:

# =13 Р1*=0.7 3 » 1 9545 -4.41 -0.0011!

4 1 1 1 28070 2.09 0.0004!

Выработка,зак- теплооб- 0 1 1 50000 0.0937 312.4 18.10 1 0.0215!

репленная не- мен 1 1 ' I 1578 -12.59 -0.0064!

полными кре- 2 I 1 7473 5.23 0.0017!

пехныни ранами РН=0.7 3 1 $ 11190 -5.55 -0.0013!

из стоек и 4 1 1 25450 3.48 0.0007!

верхняков кру- 1 I» 1

глого сечения диффузия. 0 ! 50000 0.1117 222.3 15.22 0.0256!

водяного 1 1 » 1125 -10.53 -0.0076!

" А г 3.0 пара 2 1 » 5267 4.42 0.0020!

Ь'С-0.49 3 1 » 7943 -4.67 -0.0016!

Л - 4.24 4 1 1 1 17070 2.95 0.0008!

диффузия 0 1 ! 50000 0.0750 402.0 22.60 0.01721—

углекис- 1 1 ! 2426 -15.78 0.0051!

лого га- 2 1 11030 0.47 0.0013!

Sr.-l.14 3 I 1 172/0 -6.93 -О.ООН!

4 1 1 39780 4.29 - 0.000!)!

них аналитических зависимостей проведены такие расчеты потенциалов тепло- и массоопереноса при турбулентной течении сред в аероховатих каналах. Как н дла сличая гладких труб ревеция анализировались при различных функциях f(f) 11 &Cf) • Анализ проводился для и«де-лей турбулентности ч аероховатих каналах, предложенных Ротта. Пил-лиончнковим, Ходорповскиа и др. Скорость задавалась в виде стержневого профиля и логарифмического распределения. Установлено, что для каадого случая монет быть определено 6-10 первых собственных чисел и характеристических функций полученных ревений. Таким образом, на конкретных примерах реяення внутренних задач переноса показано, что данный метод позволяет сравнительно просто получать прнблиаенние аналитические ревения краевых задач тешшмассопереноса, которые п настоящее время реыавтся численными методами.

Аналогичным образом были получены аналитические реаения краевых задач гидродинамики при турбулентном движении сред в каналах и горных выработках. Соответствувцаа краевая задача переноса импульса в зтом случае имеет вид:

при граничных условиях

д!

(3)

¿(Гер J * У

Здесь W - скорость; ^ - коэффициент кинематической вязкости;

/Ре - число Рейнольдса.

Был разработан метод реаения краевых задач гидродинамики при турбулентном движении среды в гладких и яероховатых каналах, заклв-чащийся в режении соответствующей однородной задачи предложениям ранее г чбливениым методом, сведении задачи к интегральному уравнения Вольтерра и численно-аналитическом решении полученного интегрального дравнения. Впервые в аналитическом виде получены распределения скорости по сечениа плоского и цилиндрического каналов, градиент давления вдоль течения жидкости и коэффициент гидравлического сопротивления. Показано, что эти реаения имеет универсальный характер, так как «огит быть использованы при описании турбулентного

движения среды п канала« и горных выработках. При этом соответству-иций режим течения определяется заданием распределений коэффициента турбулентной кинематический вязкости в канале или горной выработке.

Обчее ревение краевой задачи (8) - (9) представлялось в виде

¿Та-t)<**,

где HXf'9) ~ Ревение соответствувжей однородной задачи (1), а

У" (?) - / CÍ) % c£t

Ka основе аналитических зависимостей проведены расчеты распределений скорости при турбулентном движении среды в гладких каналах. Достоверность методики расчета была проверена путем сопоставления результатов расчета с имеющимися данными для цсловий турбулентного движения среды в гладких трубах. Аналогичным образом на основе аналитических зависимостей проведена расчета распределений скорости при турбулентном движении среды в трубах с песочной вероховатостьв. Анализ проводился для моделей турбулентности в существенно вербХо-ватых каналах, предложенных Ротта, Миллиоичиковын. Ходорковским и др. Достоверность ивтодиин расчетов проверялась аналогично случав гладких труб. В результате проведенных расчетов показано, что при двивепии среды в суцественно вероховатых каналах, к которым относятся и горные выработки, наиболее целесообразно применение моделей турбулентности близких но записи к уравнениям предложенным Ротта, при этом параметры моделей в случае яероховатости, отличной от песочной, должны быть подобраны но экспериментальным данным. Расчет гидравлического сопротивления и сопоставление результатов расчета с экспериментальными данными является хоровей проверкой достоверности той или иной модели турбулентного переноса импульса.

Таким обра:«« в результате моделирования и ревения краевых задач разработаны математические «рдели, характеризующие процессы не^_ реноса в каналах и горных выработках.

Определении аэродинамических и твпломлссообмснных параметров ирн"движении гнюдуха » горних выработках основывалось на использования теории турбулентного пограничного слоя. Предложен метод-расчета турбулентной кинематической вязкости » воздувном потоке вира-

ботки на основе применения двух уравнений переноса импульса при стабилизированном двияении воздуха, при этом одно уравнение справедливо для всей области потока, а другое - долька" для турбулентного ядра потока. На основе первого уравнения, умеющего вид

Г '_/ ***/_ _ с? ■ (11)

могут быть получены распределения пути перемевивания ( ) для конкретной выработки на основе использования информации о характеристиках аероховатостн н крепи в горной выработке, ее аэродинамической сопротивлении и др. В данном уравнении: Л* - коэффициенту гидравлического сопротивления; СК* - динамическая скорость: £ -г параметр для пути переиеаивания.

Путем обработки экспериментальных данных показано, что при движении воздуха в горных выработках с определешшыи допущениями возмоано задание профилей скорости иа основе логарифмических заколов распределения. Эти законы не являатса универсальными, так как параметры функций распределения скорости носат индивидуальный характер для конкретной горной выработки н зависят от аероховатостн выработки и вида крепи. Из второго уравнения переноса импульса, имевцего вид

/

а "-64* -С£гл- (12)

У?.«

путь перемевивания для ядра турбулентного потока в горной выработке иоает бить определен из условия минимизации невязки мевду теоретическими распределениями и логарифмическими распределенняыи скорости:

При расчетах зависимость для пути перемевивания по всему сече-

нив горной выработки представлялась в виде: * - /ф.

В данных уравнениях: - постоянная Кармана; АГ^ - высота вера-ховатости; йо - эквивалентный радиус; гг - касательное нанриже-

ние: at ; . r^r/^ .

На основе .обработки большого числа вахтных экспериментальных

данных показано, что зависимость для поправки является линейной относительно параметра вероховатости к+

Ар*~ К ++ Сл. , (14)

причем коэффициенты этой прямой носят индивидуальный характер для конкретных горных выработок и зависят от продольного и поперечного калибров крепи. Для лавообразиых выработок данная поправка линейно зависит от числа Рейнольдса.

Впервые для выработок с различными видами крени (выработки, закрепленные неполными крепежными рамами из стоек и иерхняков круглого, квадратного или прямоугольного сечения; выработки, закрепленные арками из спецпрофиля типа СВП и др.) затабулированы параметры уравнения (13) и значения функции вероховатости R* .

Коэффициенты турбулентной теплопроводности и диффузии для слу-__ чая течения воздуха в горных выработках определялись аналогичным образом. При этом использовались уравнения

ЛгС-F) Рг ¿rCj) JJrCf)_ Se t>T ({) -Л " РгГ р ' 3 ~ScT S

Впервые проведены расчеты турбулентных чисел Прандтля (Ргт ) и 1мидта (ScT ) для условий турбулентного движения среды в шероховатых каналах и горных выработках на основе сопоставления экспериментальных и расчетных значений для тепловых ( NU ) и диффузионных ( NUjj ) чисел Нуссельта. При движении воздуха в горных выработках значения чисел Ргт и ScT зависят от вида граничного условия, числа Рейнольдса, поперечного и продольного калибров крепи. Характер зависимости чисел Ргт и Se г определяется рассматриваемой краевой задачей и при моделировании не носит универсального характера, а характеризует связь между расчетными и экспериментальными данными в изучаемом физическом процессе.

Удовлетворительное совпадение с имевшимися экспериментальными данными результатов расчета теплоотдачи и аэродинамического сопротивления горных выработок, полученных с применением Формулы (13);> свидетельствует о том, что в этой формуле учтены основные особенности механизма турбулентного переноса в пристеночном .потоке и турбулентном ядре при движении воздуха в горных выработках. Это с

достаточной очевидностью демонстрирует степень универсальности и достоверности предложенной модели турбулентности, характеризующей процессы турбулентного переноса при движении воздуха в горных выработках. Анализ данных по теплоотдаче, аэродинамическому сопротивлении при турбулентной движении воздуха показывает, что на основе лредлояешшх методов расчета возмояно с достаточной точностью качественное и количественное воспроизведение особенностей процессов тепломассообмена и турбулентного трения в горных выработках.

Закономерности совместного тепломассообмена в горных выработках устанавливались на основе проведения вактных экспериментальных исследований. Было установлено, что в вахтах имеет место совместное влияние процессов тепло- и массцобмена на формирование микроклимата в горных выработках. Экспериментальное определение параметров, характсризуюних взаимосвязанный тепломассообмен в горных выработках, в условиях физической модели сопряжено с трудностями практического характера, т.к. почти невозможно смоделировать реальный горный массив, трудно учесть фактор« существенно влияющие на тепломассообмен: вероховатость выработок, наличие загромождающей сечение выработок крепи, горнотехнические особенности. Поэтому изучение процессов тепломассоотдачи в выработках необходимо осцщестп-лять на опытных данных, полученных в натурных условиях.

Методика проведения яахтных исследований предполагала выбор экспериментальных участков горных выработок с существенным • приростом тепловлавностных параметров воздуха за счет тепломэссобмена исключительно с горным массивом. В процессе исследований для экспериментальных участков определялись средние геометрические параметры выработки, расход воздуха, температура поверхностей, изменение тепловлавностных параметров воздуха по длине выработки и т. д. По экс периментальным данным находились тепловые £ и массовые . потоки, поступающие к вентиляционному воздуху, тепловые и диффузионные числа Иуссельта.

Исследования процессов тепломассообмена и проводились в лавах, подготовительных и воздухоподаящих выработках угольных вахт глубиной 800-1200 м,, разрабатывающих пологие и наклонные пласты мощностью 1,0-2,5 н. При ;>том изучались тепловые режимы в" горных выработках практически всех глубоких вахт производственных объединений Донецкцголь, Макеевуголь, Кракпоармейсиуголь, Яахтерскантрацит, То-резантрацит, Нерпомайскуголь и др. '

Для анализа было отобрано около.350 замеров, выполненных

и воздукоподапчих выработках различного назначения. Температура пород в массиве экспериментальных данных изменялась в пределах 17,? -42,0 °С, поперечное сечение 5,0-20,0 ы* , время существования 10 -10s часов, расход воздуха 2,0-50,0 uVc. Из иассива данных тепловых сьемок, выполненных в подготовительных наработках, было отобрано более 220 замеров. Температура пород изменялась в пределах 2?,4 -40,0 "С, длина тупиковой части выработок 70-4030 и, поперечное сечение - 5,0-20,0 м1. Расход воздуха в устье выработок составляй 2,1 - 12,4 м*/с. В массиве экспериментальных данных (200 замеров), собранных в лавах, температура пород изменялась в пределах 19,0-40,0 "С, длина лав - ISO - 250 м, нагрузка на очистной забой - 500-2500 т/сут, расход воздуха 4,5 - 28,3 м3/с.

В иахтных условиях процессы тепломассообаена зависят от технического назначения горних выработок, а параметры, характеризующие тепломассообмен, сильно коррелированы мевду собой, fi частности показано, что тепловые и массовые потоки, поступащие к вентиляционному воздуху в горних выработках, тесно взаимосвязаны мевду собой и зависят от параметров, определявших аэродинамические, горнотехнические и геологические условия. При обработке экспериментальных данных использовался эффективный коэффициент нестационарного теплообмена . суммарно учитывающий в среднем все явные и скрытые тепловыделения в горных выработках. По аналогии с ним был введен эффективный коэффициент нестационарного массообмена:

f- ts - Í) ; Л'г% (sc4 - ¿c) , (Ш

где ~ts - температура пород; - значение параметра, принятого

за потенциал иассопереноса. В качестве потенциала иассопереноса принималось влагосодервание,

Обработка экспериментальных данных показала, что эти коэффициенты коррелированы мевду собой, при этом уравнения регрессии является ливрйными функциями вида

с достаточно высокими коэффициентами корреляции (0,86 - 0,92). Для воздухоподавцих выработт; м =0,182, я =-0,014, очистных выра-биток //L =0,144, /l = -0,11, призабойних зон подготовительных выработок /й =0,164 , а. =-0,361 и т. д.

Изменение температуропроводности и теплопроводности горного пассива слабо влияет на тепловые и массовке потоки в выработках одинакового технологического назначения. Это позволяет критерий 1'ирпичева ( ) отнести - к некоторой средней тенлопроводмстя горного массива или теплопроводности воздуха. Впервые получены соответствующие регрессионные уравнения для эсперименталыго определенного критерия Кирпкчева вида:

л ~ *, I & г

Кц. - А Не V*' У* , (,В)

где /И*- параметр, учитывавший время существования выработки (число Фурье или его аналог), /<<• - параметр, характеризуемой гяпает-рические размеры выработок одинакового технологического назначения. В частности, для воздцхоподавщих выработок = , 0 = 1.4 10 \ X = 0.4Я7, У = -0.147. Ъ - 0. Аналогичные зависимости получена для очистных и подготовительных выработок.

На основе обработки .экспериментальных данных по теплеяасса-отдаче в горных выработках остановлено, что:

- интенсивность процессов массоотдачн п'горних выработках определяется аэродинамическими и горнотехническими дсловигчи. а томе эзршит от иараметроп влзяностпого состояния поверхности игиарения и вентиляционного воздуха:

- прогчеен теплоотдачи в горных выработках ослпяпяютса иассо-отдачей, в связи с чем интенсивность переноса тепла в этом случае существенно другая, чем в условиях сухого теплообмена;

- зависимости, характеризующие тепло- и «ассоотдачу в горнах выработках, носят нелинейный характер, так как зависят от параметров, определявших планшетное состояние массива и воздуха.

При исследовании определялись корреляции меяду числами Нцс-сельта и параметрами определяющими аэродинамику и тепломассоот-дачу. Вили получены следующие регрессионне уравнения

/V«-АгЯЛг/'.; -- ЩЬ. ; _ (!9)

К/3

. _ хг ^.Уг ег* О_____

Ли

- Ар. / - ЗЬ^А^; Ас 120)

с высокими коэффициентами корреляции ( 0,05 - 0,(1_ ). Например, для очистных выработок глубоких вахт П, = 1,02 10 ; X, - 1.1; У? -0-.22: 04 г 7.00 10'*; 1г = 0.6; % - "0,44: 1г.-- -0.67, для вояд«|*9«к»К*»-

цик наработок А 2 = М4 10 ; Х2 = 0,8; Чг = -0.294; Ъ2 = 0 и т. д. В приведенных выше уравнениях: р - плотность воздуха; Р„,Р»(~£)-парциалыше давление водяных паров в потоке и на линии насыщения;

& - атмосферное давление. Впервые цстановлено, что в горных выработках, в которых основная доля тепла поступает в скрытой виде, справедливы уравнения близкие к уравнениях Меркеля:

$ - и™. , (21)

= 1) ^ ~ коэффицент влагоабкена; /- энтальпия.

Для воздихоподакчих выработок п. = 2,634 , ^яс - -0,0031 , для призабойных зон подготовительных выработок т - 0,705 ,

= 0,0021 и т. д. Коэффициенты корреляции уравнений (21) составили 0,? - 0,0.

Из всего сказанного выве следует, что процессы совместного тепломассообмена в горних выработках имеют свои специфику. Поэтому описание процессов тепломассообмена в этой случае воэмовно только при условии рассмотрения этих явлений как одного целого.

Полученные результаты позволили разработать теории и методы расчета процессов переноса при турбулентном движении рудничного воздуха и установить закономерности процессов диффузии в выработках.

Сформулированные ранее ренения краевых задач переноса позволяет рассчитать процессы диффузии тепла, импульса и пассивной примеси вдоль горной выработки, при этом параметры турбулентного переноса определяете? на основе экспериментальных данных. В качестве таких данных могут быть использованы зависимости по определении тепловых и диффузионных чисел Нуссельта, уравнения, характеризующие связь тепловых и массовых потоков, определенные в натурных условиях, и т. д. Особенностью проведенных исследований является то, что впервые для расчета теплоотдачи, массоотдачи и аэродинамического сопротивления при движении воздуха в горных выработках применена одна и та же модель турбулентного переноса. При атом рассмотрены выработки с различными видами крепи: выработки, закрепленные неполными крепев-ными рамами.из стоек и верхняков круглого, прямоугольного или квадратного сечения; выработки, закрепленные полными крепежными рамами мз стоек и верхняков круглого сечения; выработки, закрепленные арками из спецпррфиля типа СВП; выработки, закрепленные неполными крепежными рамами из железобетонных круглые стоек и металлических двутавровых балок; очистные выработки и др.

Впервые на основе аналитических зависимостей проведены расчеты температуры и концентрации пассивных примесей при турбулентной двивенин воздуха в горных выработках. Установлены собственные значения, собственные функции и постоянные реяения краевых задач турбулентного тепло- и массопереноса для случая двияения воздуха в выработках с различными видами крепи. При расчетах анализировались процессы диффузии тепла ( Рг=0,7 ), углекислого газа ( Яс -1,14 ), метана (5с=0,84 ) и водяного пара С 5с=0,49 ). Установлено существенное влияние вида горной выработки и характеристик ее мерохова-тости и крени на параметры и характеристики процесса диффузии. Табулированы числа Куссельта для случая турбулентного движения воздуха в горных выработках для процессов диффузии тепла, углекислого газа, метана и водяного пара. Тепловые и диффузионные числа Ицс-сельта увеличивайся с ростом числа Рейиольдса, уменьшением продольного и поперечного калибров крепи и увеличением чисел Нраидтля или Вмидта. Показано, что в выработках с различными видами аорохо-ватости заметно изменяются профили температуры и концентрации примеси. Достаточно хорошее совпадение результатов расчета процессов турбулентного тепломассопереноса в горных выработках с экспериментальными данными является подтверждением достоверности разработанной методики расчета турбулентного переноса. Таким образом предложенные методы расчета позволяет учитывать аэродинамические и теп-лофизические особенности процессов тепломассопереноса при-движении воздуха в конкретных горных выработках.

Разработана методика получения расчетных формул для описания процессов диффузий импульса в горных выработках и проведено численное исследование аэродинамических процессов при турбулентном движении в воздуха в выработках с различными видами нрепи. Рассчитан« профили турбулентной кинематической вязкости и скорости при различных режимах движения в основных горных выработках. Полученные лапине свидетельствуют о то«, что в выработках с различной шероховатостью профили скорости могут существенно различаться.

Достоверность методики расчетов (шла проверена путем сопоставления результатов расчета с имвчпчмися экспериментальными данными и полуэмпнрическими зависимостями для аэродинамического сопротивления горных выработок. Точность расчета аэродинамического'сопротивления горных выработок по предложении* зависимостям достаточно пусокая и ногреяность составляет не более 1 "А. Таким образом хорпяее совпадение результатов расчета с экспериментом для различии* видев гор-

ник выработок свидетельствует о той, что в нредловенной иоделк турбулентности учтены основные особенности . ыеханизиа турбулентного переноса импульса в пристеночной потоке воздцха и турбулентном ядре горной выработки, что является вашшм для глубокого изучения процессов диффузии в горных выработках.

> Полученные результаты позволили изучить аналогии иеаду процессами переноса тепла, импульса и прииесей в каналах и горных выработках. В гладких каналах при изменении чисел Прандтля или Емидта от 0,? до 1.2 турбулетные числа Ргт и $ст близки к единице, поэтому и аналогия Рейнольдса

3-* . С-А ^

-Л ~ ~Т~ (22)

приближенно справедлива. Здесь БЬ, ЬЧ^ - тепловое и диффузионное числа Стентона. При иалых числах Рейнольдса и отклонении чисел Прандтля или Ваидта от единицы аналогия Рейнольдса аовет наруваться. Для случая существенно иероховатых каналов и горних выработок уравнения, характеризуете аналогии иеаду процессам тепло^ассопереноса и аэродинамики, зависят от характера аероховатости и вида крепи, гидродинамического ревима двияения и характеристик процесса диффузии-. При диффузии тепла и примесей в горных выработках аналогии носат частный характер, вида

££ ]}>(Р?, ) ; ^(¿с^е) , (23)

так как они привязаны ч конкретной горной выработке. Здесь коэффициент аэродинамического сопротивлении горной выработки.

Табулированы поправки , Де) к аналогии Рейнольдса

(22)-(23) н показано, что при турбулентной движении среди в существенно еериховатых каналах величина Яе) уиеньиается с ростом чисел Рейнольдса, Прандтля или йыидта и увеличением вероховатости канала. Для случаи горных выработок эта величина уменьвается с ростом числа Рейнольдса, а изменение поперечного и продольного калибров крепи оказывает достаточно словное влияние. При больвих значениях чисел Рейнольдса и для существенно вероховатых горных выработок поправка не зависит от чисел Прандтля и Вмидта. Для случая сорместно дотекающих процессов тепло- и массообмена в горпых выработках иаблвдается нарувение аналогии Рейнольдса.

Формулирование комплекса практических методов расчета параыет-

ро», определявших тепломассоотдачу и аэродинамическое сопротивление горних выработок возможно на основе упрощения полученных расчетных моделей. Разработаны зависимости для определения аэродинамического сопротивления горных выработок на основе задания функций верохова-тости Я* выработок. Показано путем вычисления определенного интеграла в уравнении (И), что данное выражений мояет быть приведено к виду, характерному для эмпирических уравнений, предложенных В. И. Ворониным для определения аэродинамического сопротивления горных выработок. При этом Функция аерохопатости горных выработок /(V завнеит от поперечного ( ё> ) и продольного ( Л ) калибров крепи я с достаточной степенью точности иовет быть представлена зависимостями вида

(24)

с индивидуальными значениями констант для конкретных горных выработок. Результаты данного раздела показывают, что лвб^в горную пи-работку можно рассматривать в виде эквивалентного канала с регулярной вероховатостьв. В этом случае под регулярной нерохопатостью понимается яероховатость в виде ребер по всему сечении канала с тени же значениями величин & и__ Л . Эквивалентность канала и горной выработки устанавливается по одинаковому значению аэродинамического сопротивления и идентичности логарифмического закона распределения скорости. Это позволяет использовать при изучении процессов тепломассопереноса и аэродинамики в горных выработках апробированные методические подходы яироко применяемые в настоящее время при исследовании турбулентных потоков в вероховатих каналах.

Получены прикладные зависимостей для определения тепловых и диффузионных чисел Нуссельта и расчета характеристик процессов диффузий в горных выработках. Показано, что числа Нуссельта при известных аэродинамических условиях в выработке могут быть определены по аналитическим зависимостям, полученным на основе использования уравнений для пути пкремеяипапия € . Например, для процессов теплообмена число Нуссельта может быть определено на основе зависимости близкой по записи к эмпирической формуле Динрея - Саберского

Л'и -ЪПгРгКе -

... +

где Функция С и для гор них выработок имеет вид = ^ J ~

~ X? * . а - const для конкретной горной выработки.

Па основе уравнений теплового и массового балансов и установленных закономерностей процессов переноса тепла и водяного пара разработана теория совместного тешшиассопереиоса при взаимодействии рудничного воздуха с горным массивом, которая использовалась при* создании методов прогноза климатических условий в горных выработках глубоких вахт. Найболее простым является метод статистического прогнозирования, основанный на использовании регрессионных уравнений для определения температуры воздуха в зависимости от температуры пород, расхода воздуха, геометрических параметров и т.д. Точность прогноза температуры воздуха составляет 1.0 - 1.5°С . Приведены также регрессионные уравнения для определения энтальпии и вЛагосодеряания рудничного воздуха. Полученные результаты вклвчены в методики расчетов тепловых условий в горных выработках, которые утверждены в качестве нормативных документов/Использование балансовых уравнений и регрессионных зависимостей (16) - (18) позволило разработать аналитико - эмпирический метод прогноза тепловых условий и определения холодопотребности выработок, отличавцийся простыни расчетными зависимостями в связи с линейностью исходных балансовых уравнений и не требующий предварительного задания параметров (например, относительной влажности), характеризупщих массообмен. На основе данного метода разработаны программы для ПЭВИ, которые использовались при разработке новых средств нормализации тепловых условий в вахтах. Точность прогноза тепловлажностных параметров воздуха в этом случае составляет по знталыши до 4 кДк/кг, влагосодер-ванию до 1.2 г/кг н г шературе до 1"С. Полученные результаты были использованы при определении параметров махтных кондиционеров и систем нормализации тепловых условий в выработках глубоких вахт.

Выполненные исследования позволили также разработать метод прогнозирования тепловлажностных параметров воздуха в горных выработках, основанный на использовании имитационных математических моделей. Данный метод основан на специальном моделирующем алгоритме в котором исходные данные и некоторые параметры модели, имеющие вероятностный характер: числа Нуссельта, тепловые и кассовые потоки в выработку и т. д.. моделируется с учетом соответствувщих допустимых интервалов

где £ - моделируемый фактор; ^ - среднее значения фактора или Функция регрессии для его вычисления; ¿)Л - величина, ха-рактеризувщая эмпирическую функцию распределения остатков. Для моделирования величины / применялись специальные программы, не- ' иользупщие генераторы, случайных чисел. Разработка моделей в этом случае основывалась на использовании балансовых уравнений и регрессионных зависимостей (13) - (21). Учет влияния горного массива осуществлялся путем задания температуры стенки на основе регресскшшнх зависимостей при расчетах тепловых и массовых потоков (19) - (21). На базе данного метода получены аналитические выражения для определения относительной влажности воздуха по длине горных выработок, которые, например, для воздухонодашцих выработок имеют вид

где Ц* - относительная влажность воздуха; - постоянные коэф-

фициенты. Результаты проверки адекватности предложенного метода показали, что его прогнозные возможности вполне удовлетворительны. Данный метод прогноза климатических условий Г: в горных выработках имеет важное теоретическое и прикладное значение, т. к. он является основой для разработки принципиально новой методики прогнозирования топловлажностних параметров воздуха. Соотвётствувщие программы для ПЗВ'', позволяют не только прогнозировать тешювлажностные параметры воздуха в горных выработках на основе имитационных водолей, учитывающих физику процессов массообмена, но и определять возможные диапазоны изменения этих параметров. Такой подход исклпчи-тельно важен для оптимального проектирования яахтннх систем кондиционирования воздуха и обоснованного выбора холодопроизводителытс-ти средств охлаждения воздуха.

Результаты работы позволили определить требуемые параметры новых средств охлаждения рудничного воздуха. Статистический прогноз холодонроизподйтельностн проводился па основе использования имитационных моделей прогноза теплопллжностннх параметров воздуха. Требуемая холодопроизяодительность средств охлаждения ври заданных параметрах воздуха на входе определялась путем осреднения полученных на основе расчетов значений холодопотрсОности для найболее типичных условий. Такой подход позволил определить параметр» номинального режима, разрабатываемых новых средств охлаждения вахтного воздуха.

На основе расчетов, выполненных в жироком диапазоне горногвр-

логических и горнотехнических условий, разработан параметрический рад иахтных передвижных кондиционеров, позволяющих нормализовывать тепловые условия и обеспечивать регламентируемые норны вахтного "микроклимата в горных выработках. Область применения иахтных кондиционеров распространяется на тупиковые подготовительные выработки, проводимые на глубинах 300 - 1200 и., н на очистные выработки с ведением горных работ на глубинах 700 - 900 м. Полученные результаты явились основой для:

- разработки технического задания и. создания мамины для охлаждения вахтного воздуха 20КПЙ-115, серийный выпуск которой освоен АНПО "Одесхолод" с 1988 г.;

- разработки технического задания и создания мавины для охлаждения шахтного воздуха КП8-130-2-0, испытания опытного образца которой завершаются ЫакНИН, а серийный выпуск планируется АНПО "Одесхолод" с 1995 г.;

~ разработки технического задания на ыавину для охлаждения вахтного воздуха КПИ-110—2—0. исходных технических требований и технического задания на мамину для охлаждения и осувения вахтного воздуха с турбокомпрессором ТК1Ш-230-2--0, серийный выпуск которой планируется АНПО "Одесхолод" с 1995-1996 г.

- Для нормализации тепловых условий в выработках, проводимых комбайнами на более глубоких горизонтах, предложены системы охлаждения махтного воздуха в основу которых положено рассредоточенное охлаждение воздуха. Проведенные расчеты показали, что поддержание регламентируемых для вахт температур воздуха в рабочих зонах горных выработок, прор ?.иыых или расположенных на глубоких горизонтах, требует холодопроизводителышсти воздухоохлаждасцих устройств до 300 кВт и выве. Все зто обуславливает необходимость комплексной нормализации тепловых условий путем охлаждения воздуха и локализации тепла в местах его образования. Разработанные с учетом этого системы охлаждения воздуха для тупиковых выработок предполагают охлавдение,подаваемого к забои воздуха, а также использование Для нормализации .тепловых условий охлаждаемых злементов забойного оборудования ( теплообменных устройств маслобака комбайна, электродвигателя исполнительного органа и т. д. ) и охлажденной воды, подаваемой на пылеподавление. Один из вариантов системы охлаждения воздуха реализован ». знедрен на вахте им. В.М. Баванова ПО Ма-кеевуголь. Результаты жахтных исследований подтвердили перспективность применения в глубоких жахтах систем охлаждения воздуха, обес-

- 2Э -

печивавщнх использование для нормализации теплових условий элементов забойного оборудования, охлаждаемой воды для ннлеподлвления и мобильных воздухоохладителей или кондиционеров типа Ш. Для этой цели исключительно перспективны холодильные мажины ( типа ТИП® 230- ' 2-0). позволяющие охлаждать воздух И получать холодную воду для целей отвода тепла в местах его образования.

Из вышеизложенного видно, что перспективы применения результа- -тов работы в прикладном плане в рудничной вентиляции достаточно обширны, т.к. разработанные методы позволяют сформулировать новую методическую базу для расчетов процессов диффузии в горных выработках.

3 О К Л 0 '1 Е К И И

В диссертационной работе получено решение актуальной научней (роблемн установления закономерностей диффузии тепла, импульса и тримесей при турбулентном течении рудничного воздуха для развития теории расчета процессов тепломассообмена и аэродинамики, имеющей шнное значение для повышения эффективности и безопасности эксплуатации шахт.

Основные выводы и результаты работы сводятся к следующему:

1. Разработан метод репкния краевых задач турбулентного пгрс-;оса, позволивший впервые получить нриблизеннис аналитические реше-ия краевых задач тепломассопереноса и аэродинамики, имеющих ванное начение в теории диффузии при движении сред в каналах и горных вы-аботиах. Это дало возможность сформулировать теоретические методы нализа процессов переноса и впервые с применением единого подхода ровести исследования процессии тепломассообмена и турбулентного счсния воздуха в горных выработках.

2. Впервые разработана общая теория описания процессов диффу-ии и аналитические методы расчета турбулентного переноса в горних «работках. Па основе этих методов получены математические модели и чвисимости, характеризующие диффузии тепла, импульса и пассивных жмесей при турбулентной движении воздуха и проведены расчеты провесов тепломассообмена и аэродинамики в горних выработках. Сопос-юлоние результатов с опытными данными под твердило'достоверность шдлояеннчх методов расчета. Теоретические результаты «шут слу-ггь основой для дальнейшего развития методов анализа процессов пе-!1и)са и аналитического изучения более слояннх задач рудничной iwh-1ЛМЦИН ( например, процессов диффузии щиишшх примесей, механизма

возникновения слоистых скоплений метана и др.).

3. Предложены способы моделирования турбулентности в горных рыработках и физически обоснованный метод расчета аэродинамических и тепломассообмешшх характеристик при движении воздуха в выработках, учитывавший основные особенности турбулентного переноса, Зто позйолило на исиовс зисперимеиталышх данных впервые разработать модели и зависимости для расчета основных характеристик турбулентного переноса для выработок с различными видами мероховатости и крепи: пути перемеживания, коэффициентов турбулентной кинематической вязкости, теплопроводности и диффузии, турбулентных чисел Прандтля и 1мидта и др., а также изучить структуру и особенности турбулентных потоков воздуха в горных выработках.

-1. Экспериментально установлены закономерности и зависимости, характеризупщие совместный тепломассообмен и взаимосвязь процессов переноса тепла и водяного пара в горных выработках, позволявшие учесть при расчетах специфические особенности процессов переноса в реальных горных выработках и получить новые данные по тепломассоот-даче в шахтах,

5. Изучены закономерности диффузии тепла, импульса и пассивных примесей в горных выработках, что позволило развить обыие научные представления о природе и особенностях турбулентных течений рудничного воздуха и сформулировать комплекс практических методов расчета параметров, характеризующих теплоыассоотдачц и аэродинамическое сопротивление горных выработок. Разработанные методы расчета процессов переноса в совокупности можно рассматривать как единую теории аналитическое I моделирования процессов тепломассообмена и аэродинамики в горных выработках. Применение этой теории позволило:

- воспроизвести и объяснить ряд наблюдаемых особенностей и закономерностей протекания процессов тепломассообмена и аэродинамики и составить достаточно полное и общее представление о процессах переноса в горных выработках;

- впервые аналитическим путем получить данные по тепломассоот-даче, аэродинамическому сопротивлению, профилям скорости, температуры и примеси и характеристикам турбулентного переноса в горных выработках, а также сформулировать зависимости для их расчета;

- установить аналогии между процессами турбулентного переноса.

6. Разработаны методы прогноза тепловлажностных параметров воздуха в горных выработках: простой статистический метод прогнозирования, основанный на использовании регрессионных зависимостей

дли расчета параметров воздуха, метод прогноза тепловых условий н холодонотребности выработок. основанный на балансовых уравнениях, и метод прогнозирования температуры, энтальпии, влагосодержания и относительной влажности воздуха, использующий экспериментально установленные закономерности, характеризующие физику процессов массо-обмена п горных выработках. Данные методы отличаются использованием алгоритмов имитационного моделирования и являится научной основой для разработки методик прогноза климатических условий в горных выработках и определения параметров новых средств нормализации тепловых условий в вахтах,

7. На основе предложенных методов расчета определены параметра новик средств охлаждения рудничного воздуха. Разработан параметрический ряд вахтных передвижных кондиционеров, позволяющих нормали-зоиывать тепловые условия и обеспечивать регламентируемые порам шахтного микроклимата в горных выработках. Область применения нахт-ннх кондиционеров распространяется на тупиковые подготовительные выработки, проводимые на глубинах 900 - 1200 м., и на очистные выработки с ведением горных работ на глубинах 700 - Я00 м. Лля нормализации тепловых условий в выработках, проводимых комбайнами на более глубоких горизонтах, предложены системы охлаядения шахтного воздуха в основу которых положено охлаждении воздуха в воздухоохладителе и за счет использования охлаждаемых элементов забойного оборудования (теплооГшенннх устройств маслобака комбайна, электродвигателя исполнительного органа и т. д. ), а также охлаждения «оды, подаваемой па пылеподавление.

0. Научные основы работы реализованы институтами ИаиИИИ и Ш'ТМ HAH Украины, научно-производственным обьедшншиом "Одесхолод", производственными объединениями "Донецкуголь" и "Макеквуголь".

Результаты работы »плачены в отраслевые методические документы и внедрены при разработке и создании иахтннх передвижных кондиционеров: холодильных машин 20Ш-ИП. КИЙ-И 0-2-0, 1Ш 130-2-0 и TKIIffi-230 -2- 0, а также при создании систем охлаядения шахтного воздуха. Яахтнля холодильная машина 20KHI-115 серийно выпускается ОНПО "Одесхолод" с 191)0 г. Серийный выпуск машин КП1-130-2-0 и ТК1Ш-230-2 0 планируется с !Ü'JÜ ~ 199G г.

Основные научные результаты работы изложены в опубликованной монографии, где сформулированы теоретические основы анализа процессов диффузии в горных выработках.

Внедронче результатов работы обеспечит социальный и эиономи- .

»

чвский аффекты, которые достигался новивениим эффективности эксплуатации пахт, созданием безопасных и комфортных условий труда горнорабочих.

Основные научные результаты работы изложены и следующих публикациях: -

1. Яковеико А.К., Хохотва li.ti., Аверин Г.В. К. вопросу аналитического исследования равномерно-рассредоточенного охлаждения воздуха с учетом тепломассообмена. // Вопросы вентиляции, охлаждения воздуха, борьбы с пылью и контроль рудничной атмосферы в вахтах.: Сб. науч. тр. МакНИИ. - Макеевка, 1981. - с. 29 - 33.

2. Уковенко П.К.. Аверин Г.В. Сопряженная задача конвективного теплообмена о лавах глубоких вахт. // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых, - 1982. - Кб. - с. 00 - 66.

3. Аверин Г.В., Укииеш<о А.К. Иетоц определения тепловыделений горного массива в "лавах глубоких вахт. - Лен. ЩШЭИуголь. - 11.

- 19(13. - 33 с.

4. Йковеико А.К., Аверин Г.В. 0 постановке сопряженных задач в горной теплофизике. //В сб.: Вопросы теории и практики разработки и рбогащения полезных ископаемых. - У.: Нзд. HIIK011 Ali СССР. - 1983.

- с. Ш -- 191. •

5. Аверин Т.В.. Дрига 3.U., Яковенко А.К. Тепловой режим при-забойаих зон тупиковых выработок и способы его регулирования.//Техника безопасности, охрана труда и горноспасательное дело. - 1903. -К 2. - с. 4 - 0.

û. Яковонко А.К.. Аверин Г.В. К вопросу определения коэффициента теплоотдачи горного массива при малых числах Фурье. // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. -1984. - Н1.~ с. 63 - 67,

7. Прогноз тепловых условий в выработках глубоких вахт./ Най-ыанов А.З., Хухлович А.Г., Аверин Г.В., Яковенко Л.И.//Безопасность труда в прриыылешюсти. - 1985. - H S. - с. 48.

8. Аверин Г.В. Корреляционная связь коэффициентов нестационарного тепло- и массообмена в тупиковых подготовительных выработках.// Создание безопасных условий труда в угольных вахтах: Сб. науч. тр. Иак)Ш. - Иаввевка, 19Й5. - с. 46 - 49.

9. Яковенко А.К.. ^иерии Г.В. Статистический анализ взаимосвязи тепломассообмевных процессов в горних выработках.//Физические процессы горного производства. Тепломассоперенос в горных выра-

- з7. -

битках и породных коллекторам, - Я.. 131Г). - с. ОН - 72,

10. Аверин Г.В.. Секачспа Т.Г,.. Яковенко А.К. Охлаждение воздуха в высокомеханизированных подготовительных иярайоткля. // Бвзп-иасиость труда в иромияленности. - 1305. - К 8. - с. ,10 -21.

11. Пверин Г.В., -Цейтлин Я.А. Исслгдонпиме характеристик влхт-ннх кондиционеров КПЗ - 30. // !1г»ль Украин». - 1ПШ». - А-)?.. - с. 33- 34.

1?.. Яковенко А.К,, Пверин Г.В, Исследование некоторых характеристик турбулентннх потоков в горпнх выработках.//1>и:шко~тпхппчт:-кие проблемы разработки полезных ископаемых, - 19ВГ). - N4. - с. 0*

- 9В.

13, Черничепко В.К., Яковенко А.К., Йпприп Г.В. Математическое моделирование изменения тенлоплаяностннх параметров воздуха п лагмх при искусственном охлаждении.// Создании безопасных условий труда в угольных вахтах: Сб. иоуч. тр. НакИИИ. • Млюапнп. !9!)0. - с. 53 -77.

14. Якопенко А.К., Аверин Г.В. 0 сонравештй задаче конвективного тегглообме/м нпяду рудпичнии воздухом и гп/лшм м<н:скном.//В сП. ¡Проблемы горной теплофизики. - /1.: Изд. ЛГИ. - 13НП, - !14, - с. 2?.

- 24.

13. Оперин Г.П.. Чер/жчошго В.К,, Яковенко А.И. Математические моделирование тепломассообмена в лапах глубиких вахт.// Ирпииялсн-ная теплоте.-.пика. - 1907. - Той 3. - N4. - с. 00 - 63.

10. Аверин Г.В., Якопенко А.К., Секлчепа Т.С. Статистический прогноз холодогютребности тупиковых выработок при имитационно« моделировании тепловлампосгних параметров воз духа.//Создание безшис-ннх условий труда » угольных вахтах: Сб. науч. тр. МакНИИ. - Макеевка, 1307. - с. 105 - 113.

17. Аверин Г.Вт, Яковенко А.К. К вопросу онрсдслонич коэффициента турбулентной диффузии в кокнлпкснп-мсханнзиронанннх лапах. // П сб.: Проблема совершенствования пилегазонпго режима на уголмшх вахтах. - Изд. МаиШШ. - Илкеевка. - 1300. - с. 3 - 10.

13. Якопенко А,К.. Аверин Г.П., Юцкенич О. Тепловой ре*«« внеоконеханизироишпшх-тупиковых выработок глубоких вахт и его нормализация.// В сб.: Интенсивная и безотходная технология разработки угольных и сланцевых месторождений. - И.: Изд. Ш'Н. - 1389.- с. 70.

13. Апории Г.В., Яковенко А,К.. 06^ определении кпз-ьрициеитпп турбулентной диффузии и теплопроводности и горных выработках. '//Физики тонические.проблемы разработки пиЛозиих иетшаемнх. - 1340.

»

HS. - с. 30 - 92. ' '

20. Аверин C.B., Яковенко А.К. Тепломассоотдача горного массива к рудничному воздуху в лавах глубоких вахт.//Безопасная аксплуа-тация оборудования и машин в угольных махтах: Сб. науч. тр. НакНИИ. - Макеевка, 1390. - с. Ш - 164.

'21. Аверин C.B.. Черниченко В.К., Яковенко А.К. Взаимосвязь тепловых и массовых потоков, поступающих к рудничному воздуху.//Безопасная эксплуатация оборудования и мамин в угольных вахтах: Сб. науч. тр. МаиНИИ. - Макеевка, 1990. - с, 155 - 161.

22. Аверин Г.В., Черниченко В.К., Яковенко А,К. Закономерности тепломассопереноса в горных выработках глубоких вахт.//В сб.: докладов 24 мевд. коифер. научни-исслед. институтов по безопасности работ в горной пром. -42.- Донецк. - 1991. - с. 340 - 351.

23. Аверин Г.В. Анализ моделей турбулентности для расчета дви-иения воздуха в горних выработках.// Способы и средства создания безопасных и здороьых условий труда в угольных вахтах: Сб. науч.тр. ЫакНИИ. - Макеевка, 1991. - с. 146 - 153.

24. Аверин Г.В..Яковенко À.K. Тешшмассоотдача горного массива к рудничному воздуху в тупиковых подготовительных выработках глубоких вахт.// Безопасная эксплуатация оборудования и мамин в угольных вахтах: Сб. науч. тр. ИакНИИ. - Макеевка. 1391. - с. 100 - 103.

25. Аверин Г.В. Приближенный метод решения некоторых краевых задач конвективного тештпереноса.//Теиломассообмен-НМФ-92. Конвективный тепломассообмен. Т1, 41,- Минск: АПК "ИТИО им. А.В. Лыкова", АНН. 1992. - с. 77-80.

20. Аверин Г.В. 0 приблимеином решении краевой задачи теплопе-реноса при турбулентном течении жидкости в цилиндрическом канале.// Инженерно-физический журнал. - 1992. - Том 62. -NI. - с. 146 - 147.

27. Аверин Г.В. Приближенное решение задачи теплопереноса и диффузии пассивной примеси при турбулентном движении воздуха в горных выработках.//Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. - 1992. - HI. - с. 89 - 98.

28. Бобров А.И., Аверин Г.В. Теоретические основы переноса импульса, тепла и примеси в горных выработках. // Макеевка-Донбасс: Нзд.МакННИ. - 1994. - 270 с.