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  • ISSN:0253-9993
  • CN: 11-2190/TD

《煤炭学报》

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采空区气体流动:Forchheimer模型改进与压力损失预测模型改进与压力损失预测

作者(Author):

  • 陈世强
  • 张连会
  • 姜文
  • 李轶群

作者单位:

  • 湖南科技大学土木工程学院
  • 湖南科技大学 南方煤矿瓦斯与顶板灾害预防控制安全生产重点实验室
  • 湖南科技大学 资源环境与安全工程学院
  • 湖南省矿山通风与除尘装备工程技术研究中心

关键词:

  • 煤矿采空区
  • 最小流动单元
  • 平均速度
  • 压损计算
  • Forchheimer
  • 摘要
  • 论文图表
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  • 引用格式

为了解决结构复杂采空区的流动阻力计算问题,提出了一种新的多孔介质物理模型。 该物理模型为 2×2×2 大球径正方体、8 个大径球、1 个小径球、6 个小径半球及其空腔而围成的立体结构。 根据孔隙率相等和单周期流动的原则,切割该多孔介质物理模型而构建出最小流动单元。 基于平均速度的假设,应用流体力学 Navier-Stokes 方程组,简化最小流动单元流场为一维流动,推导出最小流动单元内平均速度与惯性力、黏性力和压力梯度的 4 段函数表达式。 采用长度比权重方法,得到了最小流动单元压力损失的计算式,建立起了单位长度压力损失与球体直径、气体流入初 速度和气体密度之间量化关系。 借助最普通的数值工具,预测了球体直径为 15 mm 工况下的压力损失值,数值计算表明:随着温度的增加,氮气密度减少,动力黏度增加,压力损失降低;随着初速度 的增加,压力损失加速增加,惯性力引起的压力损失比重变大。 进一步,依据现有的工程数据,利用压力损失计算方程,校验了预设防灭火控制半径,反演出了所注入氮气的初速度。 所得计算结果与工程应用对比表明,采空区气体流动的压力损失满足平均速度二次关系式,并改进了 Forchheimer 模型,可准确预测氮气注入采空区所需表压,为防治采空区遗煤自燃提供新的方法


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