автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.01, диссертация на тему:Совершенствование средств измерения аэродинамических параметров вентиляционных систем

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА.

1.1. Аэродинамические параметры вентиляционных систем угольных шахт.

1.2. Краткий обзор основных теоретических положений шахтной аэродинамики.

1.3. Правила безопасности о контроле проветривания угольных шахт.

1.4. Анемометр, как элемент системы автоматического управления вентилляцией.

1.5. Контроль расхода и методы измерения скорости движения воздуха, средней по сечению выработки.

1.6. Общая характеристика средств измерения скоростей воздушных потоков.

1.7. Акустический анемометр

2. ОБЗОР МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ РАСПРОСТРАНЕНИЯ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛН В ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ВОЛНОВОДА.

2.1. Распространение акустических волн в цилиндрических волноводах в неподвижной среде.

2.1.1. Распространение акустических волн в бесконечном цилиндрическом волноводе.

2.1.2. Распространение акустических волн в полу бесконечном цилиндрическом волноводе.

2.1.3. Вычисление акустического поля в полу бесконечном волноводе со стенками конечной толщины.

2.1.4. Полубесконечный волновод с произвольной формой фланцев.

2.1.5. Методы решения бесконечных систем уравнений.

2.2. Теория акустических волн в волноводах с движущейся средой.

2.2.1. Волновод бесконечной длины.

2.2.2. Волновод со стенками конечной длины (метод Винера-Хопфа).

2.2.3. Волновод со стенками конечной длины (метод обобщенной матрицы рассеяния).

2.3. Течение в трубах. Профиль скоростей потока в сечении трубы.

2.4. Способы решения задач дифракции на объектах конечной длины.

3. РЕШЕНИЕ ВОЛНОВОГО УРАВНЕНИЯ В ЦИЛИНДРИЧЕСКОМ ВОЛНОВОДЕ СО СТЕНКАМИ КОНЕЧНОЙ ДЛИНЫ И ТОЛЩИНЫ ПРИ НАЛИЧИИ ПОТОКА.

3.1. Постановка задачи.

3.2. Вывод волнового уравнения, граничные условия.

3.3. Решение уравнения в бесконечном волноводе. Вычисление первичной волны.

3.4. Решение в полубесконечном волноводе, вывод системы уравнений для определения коэффициентов отражения и трансформации.

3.5. Решение в волноводе конечной длины методом обобщенной матрицы рассеяния.

3.6. Область определения двустороннего преобразования Лапласа и выбор разрезов функции K(s).

3.7. Вычисление расщепленных функций.

4. ПОЛУЧЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ. МОДЕЛИРОВАНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В АКУСТИЧЕСКОМ АНЕМОМЕТРЕ.

4.1. Преобразование системы уравнений для получения обобщенной матрицы рассеяния.

4.2. Решение в предельном случае бесконечно тонкого волновода.

4.3. Вычисление характеристик анемометрического канала.

5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПОВЫШЕНИЯ ТОЧНОСТИ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТЕЙ И РАСХОДОВ ВОЗДУХА В УГОЛЬНЫХ ШАХТАХ.

5.1. Об импульсном режиме измерения.

5.2. Устранение влияния изменения параметров среды на показания прибора.

5.3. Оценка методики точечного измерения средней по сечению выработки скорости.

5.3.1. Методика измерения расхода воздуха в горных выработках анемометром АПА-1.

Актуальность работы.

Проветривание является основным средством нормализации атмосферы при подземных горных работах. Вентиляционная система угольных шахт представляет собой сложную аэродинамическую систему, параметры которой нестационарны во времени и изменчивы в пространстве. При недостаточном проветривании и перемешивании газовоздушных потоков могут возникать взрывоопасные концентрации метана, в то же время увеличение скорости воздуха выше определенного уровня приводит к созданию условий, не удовлетворяющих санитарным требованиям. В связи с этим Правилами безопасности регламентируется систематический контроль параметров вентиляции, в частности, скоростей и расходов воздушных потоков.

В связи со спецификой работы приборов в шахтах к средствам контроля расходов и скоростей воздушных потоков предъявляется ряд требований, таких, как точность, безынерционность, чувствительность, широкий динамический диапазон, надежность работы в шахтной среде и ряд эргономических требований. Анемометры, использующиеся в настоящее время для контроля проветривания шахт, не могут обеспечить контроль, предусмотренный Правилами безопасности в силу противоречивости принципов, заложенных в основе их действия. Поэтому разработка и совершенствование акустического способа измерения скоростей воздушных потоков и новых средств его реализации являются актуальной научной задачей.

Цель диссертационной работы заключается в установлении зависимости акустического давления на приемном преобразователе акустического анемометра от конфигурации анемометрического канала и от параметров шахтной атмосферы для совершенствования акустического анемометра как средства, обеспечивающего надлежащее качество измерения скорости и расхода воздуха в соответствии с требованиями санитарии и безопасности.

Основная идея состоит в том, чтобы путем снятия допущений (о бесконечно тонких стенках), применяющихся в предыдущих моделях аэроакустического взаимодействия в анемометре, разработать модель, учитывающую реальную конфигурацию анемометрического канала.

Основные научные положения, разработанные лично соискателем и новизна.

• Разработанная модель аэроакустического взаимодействия в анемометрическом канале позволяет повысить точность и надежность измерения параметров атмосферы, в значительной мере определяющих возможность обеспечения санитарно-гигиенических нормативов воздуха рабочей зоны.

• Аэроакустическое взаимодействие в реальном акустическом анемометре описывается дифференциальным уравнением в частных производных гиперболического типа с граничными условиями для колебательной скорости на стенках волновода, впервые учитывающими толщину стенок анемометра.

• Акустическое давление на приемном преобразователе анемометра включает в себя значения коэффициентов отражения и трансформации нормальных мод на открытых концах анемометрического канала со стенками конечной толщины при наличии потока. Их величины могут быть с достаточной степенью точности определены, как решение линейной неоднородной системы алгебраических уравнений.

• Использование в алгоритме работы анемометра величин суммы и разности фаз акустических сигналов, распространяющихся по и против контролируемого потока, позволяет исключить зависимость показаний анемометра от изменений параметров шахтной атмосферы (температуры, давления, влажности, газового состава) и, тем самым, повысить точность и надежность измерения скоростей и расходов воздуха в шахтных выработках. Новым является учет модового волноводного распространения акустических волн в анемометрическом канале. • Алгоритмы и программы численного моделирования позволяют оценить влияние толщины стенок на характеристики акустических анемометров и проектировать анемометры, отвечающие требованиям обеспечения безопасности подземных горных работ.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются

1. совпадением результатов моделирования акустического поля в анемометрическом канале в предельном случае равенства внутреннего и внешнего радиусов с аналогичными результатами, приведенными в работах Л.Вайнштейна и Б.Нобла;

2. совпадением теоретической и экспериментальной временных зависимостей сигнала на приемном преобразователе для импульсного режима работы анемометра (с учетом задержки времени на преобразователях 0.2 мс, расхождение зависимостей в рабочей области не

• превышает 8%).

Научное значение диссертации заключается в установлении зависимости акустического давления на приемном преобразователе от геометрических параметров анемометрического канала и аэродинамических параметров среды, а также зависимостей коэффициентов отражения и трансформации нормальных мод на конце анемометрического канала, имеющего конечную толщину, от скорости потока и параметров волновода, таких, как внутренний радиус, толщина стенок, длина волны.

Практическая ценность работы заключается в разработке программы, позволяющей моделировать характеристики акустического анемометра, варьируя его параметры; в разработке методики измерения акустическим анемометром скорости и расхода воздушного потока в шахтных условиях.

Реализация выводов и рекомендаций работы.

Разработанная модель аэроакустического взаимодействия в анемометрическом канале использовалась при проектировании экспериментальных образцов акустического анемометра для угольной промышленности типа АПА, выпускающихся Московским заводом измерительной аппаратуры.

Апробация работы.

Основные положения диссертации докладывались на научном семинаре «Приборы и системы безопасности» («Неделя горняка» МГГУ 1999г., 2001г.), на Международной научно-практической конференции «Интеллектуальные электромеханические устройства и комплексы» (Новочеркасск, 2000г.); обсуждались на научных семинарах кафедры Электротехники МГТУ.

Публикации.

Результаты выполненных исследований опубликованы в 3 печатных работах. Объем работы.

Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы (65 наименований), приложения, содержит 20 рисунков, 119 страниц.

Заключение

Диссертация является квалификационной работой, в которой дано теоретическое обоснование и практическое решение актуальной для угольной отрасли задачи разработки и совершенствования акустического способа измерения скоростей воздушных потоков и новых средств измерения параметров вентиляционных систем в соответствии с нормами санитарии и безопасности.

Основные научные выводы и практические результаты заключаются в следующем:

1. Разработано описание аэроакустического взаимодействия в реальном анемометре (с учетом наличия фланцев, т.е. толщины его стенок), представляющее собой дифференциальное уравнение в частных производных гиперболического типа и граничные условия для колебательной скорости на стенках волновода.

2. Получено приближенное аналитическое решение поставленной краевой задачи, позволяющее учесть дифракцию акустического поля на концах первичного преобразователя анемометра с учетом толщины стенок.

3. Получены зависимости, описывающие влияние толщины стенки на • акустическое давление - информативный параметр в анемометрическом канале.

4. Разработаны алгоритмы и программы численного моделирования, позволяющие оценить влияние толщины стенок (до 40% внутреннего радиуса) на характеристики акустических анемометров и проектировать анемометры с заданными свойствами.

5. Предложен метод, позволяющий уточнить влияние скорости звука как функции атмосферных условий в шахте на показания анемометра, тем самым увеличить степень компенсации погрешности, связанной с колебаниями скорости звука, составляющими ±8 м/с, что приводит к уменьшению этой погрешности до 0.1 %.

114

6. Разработана и апробирована методика определения средней скорости потока в выработке с помощью точечных измерений скорости в сечении выработки акустическим анемометром.

7. Использование предложенного устройства - акустического анемометра, разработанного с использованием новой, усовершенствованной модели аэроакустического взаимодействия в анемометрическом канале, позволяет улучшить качество анемометрического контроля, как в диспетчерском, так и в автоматизированном режиме, уменьшить вероятность превышения уровня концентрации метана допустимых Правилами безопасности пределов, а также обеспечить выполнение санитарных норм.

1. К.З. Ушаков, А.С. Бурчаков, JI.A. Пучков, И.И. Медведев Аэрология горных предприятий. -М: Недра, 1987

2. Правила безопасности в угольных шахтах. -Самара: Самар. Дом печати, 1995.

3. Смирнов О.В. Повышение безопасности горных работ на основе эффективной вентиляции и предварительной дегазации выемочных участков, автореф. канд. дис., 1997

4. Е.Ф. Карпов, И.Е. Биренберг, В.И. Басовский, Автоматическая газовая защита и контроль рудничной атмосферы. -М: Недра, 1984

5. Аэрогазодинамика выемочного участка. Ф.А. Абрамов, Б.Е. Грецинер, В.В. Соболевский, Г.А. Шевелев. -Киев, 1972

6. Ландау Д.Д., Лифшиц Е.М. Гидродинамика. М:1988, с.733.

7. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа -М: Наука, 1978

8. Хинце И. Турбулентность. Ее механизм и теория. -М: 1963

9. Лайгна Е.Ф. Элементы аэрогазодинамики шахт-М: 1967

10. К.З. Ушаков Аэромеханика вентиляционных потоков в горных выработках. М., «Недра», 1975.

11. Шахтеру о безопасности труда: Справочное пособие В.В. Козаченко, Э.Г. Ильинский, М.Г. Межанский и др. -Донецк: Донбасс, 1980

12. Л.А. Пучков, Л.А. Бахвалов. Методы и алгоритмы автоматического управления проветриванием угольных шахт. -М: Недра, 1992

13. Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества. -Л: 1975

14. Бражников Н.И. Ультразвуковая фазометрия -М: Энергия, 1968

15. Биргер Г.И., Бражников Н.И. Ультразвуковые расходомеры -М: Металлургия, 1964

16. Кремлева О. А. Совершенствование акустического способа измерения скоростных параметров газовоздушных потоков в горных выработках, канд. дис. М, 1997

17. Шкундин С.З. Лашин В.Б. Фазовый способ акустической анемометрии. Метрология. 1990. №7 с.39-43.

18. David I. Plaut and John G. Webster, Design and Construction of an Ultrasonic Pneumotachometer, IEEE 1980

19. A.H. Kou, W.R. Peickert, E.E. Polenske, M.G. Busby, A Pulsed Phase Measurement Ultrasonic Flowmeter for Medical Gases, Annals of Biomedical Engineering, Vol. 12, pp.263-280, 1984

20. Рэлей. Теория звука./Пер. с англ. П.Н.Успенского и С.А. Каменецкого. Гостехиздат, М.-Л.:1944. т.2. 476с.

21. Исакович М.А. Общая акустика. М.: "Наука", 1973. 495с. С.269-271

22. Скучик Е. Основы акустики Т.2/ Пер. с англ., под ред. Л.М. Лямшева М. «Мир» 1976. 542с.

23. Тихонов А.Н., Самарский А.А. Уравнения математической физики.-М: «Наука» 1977. 736с. С.623-636.

24. Вайнштейн Л.А. Теория дифракции и метод факторизации. М.:"Сов.радио".1966. 431с. С.92-101.

25. Нобл. Б. Применение метода Винера Хопфа для решения дифференциальных уравнений в частных производных. М.И.Л. 1962

26. Миттра Р., Ли С.В. Аналитические методы теории волноводов/ Пер. с англ. А.И.Плиса; Под ред. Г.В.Вознесенского. М.:1974. 327с.

27. Jones D.S. The Scattering of a Scalar Wave by a Semi-Infinite Rod of Circular Cross Section. 1955. Royal Society. London. Philosophical transaction. Ser. A. vol. 247. №934

28. H.Levine and J.Schwinger. On the Radiation of Sound from an Unflanged Circular Pipe // Phys. Rev. 73,383-406(1948).

29. Ando Y. Sound Radiation from Semi-Infinite Circular Pipe of Certain Wall Thickness. Acustica. Vol. 22 (1969/70)

30. Ando Y., Koizumi T. Sound radiation from semi-infinite circular pipe having an arbitrary profile of orifice. J. Acoust. Soc. Am., Vol. 59, No. 5, May 1976

31. Шендеров Е.Л. Волновые задачи гидроакустики. -Л: «Судостроение», 1972

32. Канторович Л.В., Крылов В.И. Приближенные методы высшего анализа Л.-М., Физматгиз, 1962

33. Mittra R. Relative convergence of the solution of a doubly infinite set of equations J. Res Natl. Bur. Std. 67D (1963) 245-254.

34. Muir T. A treatise on the theory of determinants New York: Dover Publication 1960

35. Лапин А.Д. Об излучении и распространении звука в цилиндрической трубе при наличии потока// Акустико-аэродинамические исследования: сборник. Под ред. Римского-Корсакова. -М.: 1975. С. 57-60.

36. Шкундин С.З., Бондарев A.M., Лихачев А.А. Аналитическое описание распространения акустических волн в анемометрическом канале // Горный журнал. Изв .ВУЗов, № 9, 1987.

37. Блохинцев Д.И. Акустика неоднородной движущейся среды. -М. «Наука», 1981.

38. K.Ogimoto. Sound radiation from a finite length unflanged circular duct with uniform flow. UTIAS Report, № 231,1978.

39. Johnston G.W., Ogimoto К. Sound radiation from a finite length unflanged circular duct with uniform axial flow. I. Theoretical analysis// J. Acoust. Soc. Am. 1980.68(6). P. 1858-1870.

40. Кремлева О.А. Расчет акустического давления внутри канала анемометра для контроля проветривания горных выработок. Горный информационно-аналитический бюллетень. М.:МГГУ. Вып.4, 1997.

41. Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика.-М. «Наука», 1969, 824с

42. A. Kapur, P.Mangur Duct acoustics and acoustic finite element method. Copyright© American institute of Aeronutics and Astronautics, Inc., 1975

43. R. Yurkovich Attenuation of acoustic modes in circular annular ducts in the presence of sheared flow. Copyright© American institute of Aeronutics and Astronautics, Inc., 1975

44. Lee, S.-W. & Mittra, R. 1968 Diffraction by thick conducting half-plane and a dielectric-loaded waveguide. IEEE Trans. Antennas Propag. 16, 454-461.

45. Шендеров E.JI. Рассеяние плоской звуковой волны на полубесконечном волноводе с жестким фланцем. Акустический журнал 1998, 44, №1 106 -115

46. Шендеров E.JI. Дифракция звуковой волны на открытом конце волновода с импедансными стенками и импедансным фланцем. Акустич. ж-л., 2000 т.46, с. 816-828

47. Шанин А.В. О возбуждении волн в клиновидной области Акуст. ж-л. 1998, т.44, №5, с. 683-688

48. Шанин А.В. Возбуждение волнового поля в треугольной области с импедансными граничными условиями. Зап. Науч. Семин. ПОМИ 1998, т.250, с.300-31

49. Haj-Hariri H. Generalized modal expansion: A Wiener-Hopf problem.// J.Acoust.Soc.Am. 1994. 96(6). P.3039-3048.

50. Crighton D.G. @ Leppington F.G. 1973 Singular pertubation method in acoustic diffraction by a plate of finite thickness. Proc. R. Soc. Lond. A 335, 313-339

51. Jones, D. S. 1953 Diffraction by a thick semi-infinite plate. Proc. R. Soc. Lond. A 217, 153-175.

52. A.V. Shanin, Three Theorems concerning difraction on a strip or a slit. //Quart. Journ. Mech. Appl. Math.(2001), 54(1), 107-137

53. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. М:1977, с.785.

54. Ф. М. Морс, Г. Фешбах, Методы теоретической физики, т. 1, 2 Москва 1960

55. Яворский Б.М., Детлаф А.А. Справочник по физике. -М., 1974.,944с.

56. Физические величины. Под ред. Григорьева и Мелихова. М.1991

57. Физическая энциклопедия. Главы: Воздух, Сжимаемость, Скорость звука. М. 1988.

58. Rawlins A.D. and Mclver P. Diffraction by a thick half-plane with an absorbent end face. Proc. R. Soc. Lond. A (1998) 454, 3167-3182

59. Рыжик И.С., Градштейн И.М. Таблицы интегралов, сумм, рядов и произведений-М., Физматгиз, 1962

60. Шкундин С.З., Буянов С.И., Румянцева В.А. Оценка влияния состава контролируемого потока на погрешность акустического анемометра.//' Горный информативно-аналитический бюллетень. -М: МГГУ, №10, 2000, с. 181-182.

61. Шкундин С.З., Румянцева В.А. Повышение точности измерения скорости воздушного потока акустическим анемометром.// Измерительная техника, №1,2001, с. 54-57.