基于风流运动的粉尘运移研究进展及趋势

矿井机械化、智能化水平提升所导致的粉尘问题愈发严重,探究风流-粉尘运移规律,掌握工作面风流、粉尘的运动特征,对改进工作面控尘措施,改善井下作业环境,加速实现绿色矿山目标具有重要意义。通过查阅国内外文献资料,调研相关研究进展与实践经验,从粉尘受力运动原理、相似实验设计、数值模拟研究、组合方法效果评估等方面,研究当前风流场及其对粉尘分布的影响,认为当前存在风流场与粉尘之间相互作用复杂,粉尘受力运动机理与运动路径研究不透彻,不同因素组合作用与粉尘运移规律关系不明朗等问题。从提高规律向实用性和普遍性转变的角度,提出风流-粉尘运移规律的研究重点应向明晰粉尘运移受力机理和作用力协同机制、建立多参数表征运移规律、提升监测仪器精密度、减弱次要因素对相似实验结果影响程度、增强对风流场和粉尘运移力学特征的认知、明朗影响因素间的耦合关系、构建适用于气-固两相流的数学模型及完善颗粒运动扩散方程8个方面转变。

采空区煤自燃耦合热浮力环境瓦斯运移规律研究

为了探讨煤自燃过程多场耦合之间协同动态变化规律的机制,准确划分瓦斯与煤自燃共生灾害区域,采用数值模拟的方法研究了采空区煤自燃区域热浮力作用下瓦斯运移过程。分析了温度场、瓦斯浓度场、气体密度和采空区风流运动特征的分布规律,划分了瓦斯与煤自燃共生灾害区域。模拟结果表明:瓦斯积聚是由热浮力影响下的上升气流、漏风风流和煤自燃点附近的卷吸气流共同作用形成的;入口风速增加时,共生灾害区域面积呈现先增大后减小的趋势,煤自燃区域向采空区中深部移动,瓦斯积聚浓度随着煤自燃温度升高而增加;煤自燃区域产生的热量积聚于小范围区域,与周围区域有较大的温度梯度;模拟得出的采空区煤自燃耦合热浮力作用下瓦斯运移规律,为采空区煤自燃灾害防治提供了参照依据。

黄河乌兰布和沙漠段沿岸风沙流结构与沙丘移动规律

为明确黄河乌兰布和沙漠段沿岸的风沙活动及沙丘移动特征,该文以黄河乌兰布和沙漠段沿岸的流动沙丘为研究对象,采用野外观测与实验室分析相结合的方法对沿岸沙丘的起沙风况、沙物质组成、风沙流结构及沙丘移动规律进行初步的定量研究。结果表明:起沙风的主风为西南—西风,集中于3-5月份,且5～6m/s风占起沙风的50.26%;沙物质粒径以细砂(0.1～0.25mm)为主,沿黄段沙丘粒径极细砂以下(≤0.1mm)的沙物质粒径组成比沙漠腹地减少8.92%;距地60cm高度范围内,81.75%的沙物质在0～10cm高的气层中通过。在沙丘的不同部位上,相对输沙量与高程之间有着良好的幂函数关系;沙丘向前移动的距离为8.19m/a,主要发生在3-5月份。该研究结果可为合理计算入黄风积沙量及完善黄河沿岸综合防护体系提供科学依据。

基于SPH的风沙运动的数值模拟

运用光滑粒子流体动力学(smoothed particles hydrodynamics,SPH)方法对沙粒和气流的相互耦合运动特性进行了分析,研究提出了风沙流的SPH数值方法并进行了数值模拟.首先提出了风沙流的SPH建模方法和基本理论,建立了风沙流动的SPH数值模拟平台.其次通过建立风沙流的SPH模型并施加边界条件,对自然风作用下沙粒的运动情况进行了数值模拟,详细分析了沙粒运动轨迹及特性,最后通过与相关研究成果对比分析,验证了完善后的SPH方法有效性.通过考虑气流场的可变性,在风沙流SPH计算模型中引入了加载(起风)和卸载(停风)方式,观察并对比分析了沙粒的运动轨迹和特性.为进一步研究风沙流的实时动态非线性行为提供了SPH理论基础和数值分析方法.

光伏阵列对沙漠风沙运动的影响研究

以沙漠光伏电站规模化建立为研究背景,探索光伏阵列的铺设对沙漠风沙运动的影响规律。对某生态沙漠光伏电站的主风向及组件安装朝向上三个特征高度进行风速测定,了解阵列内部的风速分布;针对固定风向进行数值模拟研究,分析风沙过境光伏阵列的流场分布。研究表明:光伏阵列的铺设改变了沙漠近地面风沙运动的规律,体现出防风阻沙的作用,且沿安装朝向上的影响相对显著。受结构边缘产生的形状阻力影响,流场最大负压值位于阵列边缘处,扰动流场由此处向未受扰动的流域逐渐过渡。组件中心截面所在区域速度亏损最严重,阵列边缘逐渐回升,靠近来流风速。随着阵列纵向扩展,最大负压由行道近地位置逐渐向光伏组件顶端转移,且逐渐减小;最大速度呈逐渐减小的趋势,下降幅度较小,低速区及回流区覆盖范围增广;阵列首行组件表面沙尘沉积分布最密集,相邻的次行组件表面最稀疏,阵列尾部地面沙尘的分布呈向中心聚拢的趋势。

风沙运动的电场.流场耦合模型及气固两相流数值模拟

沙尘暴和尘卷风等风沙运动的静电场是空气流场中沙粒间的碰撞摩擦带电及沙粒粒径的分层效应引起的,本文耦合沙粒摩擦荷电模型和风沙运动气固两相流模型,提出了离散单元法与计算流体动力学结合的数值方法.数值模拟计算表明电荷呈中性的沙粒临界直径为300μm;在充分发展的水平风沙流中,细小的沙粒带负电,较大直径的沙粒带正电,所模拟的沙粒带电的荷质比及水平风洞试验段的电场强度与实验测量值一致,验证了风沙运动的电场-流场耦合模型及数值计算方法的合理性.本文基于沙粒摩擦荷电机理的风沙运动气固两相流模型提供了理解风沙运动静电场产生的一种物理机理.

基于SPH方法的沙粒流体起跳风速的研究

运用光滑粒子流体动力学(Smoothed Particle Hydrodynamics:SPH)方法对沙粒在气流中的起跳现象进行数值模拟。沙粒的起动风速一直是风沙两相流研究的重点内容。SPH方法将整个计算区域离散成两种分别代表气相的和沙粒相的单个粒子。在气相粒子的作用下,每个沙粒从起跳到在气相粒子的作用下随着气相粒子运动的过程都可以被动态地呈现出来。该文首先介绍了SPH方法基本理论,详细评述了SPH公式中的核心因素及其对数值模拟结果的影响,提出了风沙二相流的SPH数值模型;其次对数值模型进行了离散化,设置边界条件对沙粒的起跳过程进行数值模拟;最后将数值模拟结果与已有的起动风速的实验测量结果及他人的数值模拟结果进行比较,结果表明:用该方法计算的结果与前人所进行的研究结果是一致的,并且得到一些新的结论。