本發(fā)明涉及礦井通風(fēng)與隧道通風(fēng)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于三維PIV的獨(dú)頭巷道風(fēng)流速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)與濕度場(chǎng)試驗(yàn)系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

高地溫問(wèn)題是采礦工程、隧道工程及其他地下工程常見(jiàn)的地質(zhì)災(zāi)害，而高溫獨(dú)頭巷道已成為采礦工程與隧道施工期熱濕環(huán)境最惡劣的區(qū)域之一，為了保證巷道內(nèi)工作人員安全作業(yè)及設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)，必須運(yùn)用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)定量評(píng)價(jià)巷道內(nèi)的熱濕環(huán)境來(lái)設(shè)計(jì)高效的通風(fēng)降溫方案。目前，礦井掘進(jìn)巷道與隧道施工期的熱環(huán)境的相關(guān)研究主要通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、試驗(yàn)測(cè)定、CFD數(shù)值模擬三種手段。隨著CFD技術(shù)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外已發(fā)展出多種數(shù)學(xué)模型應(yīng)用于CFD數(shù)值模擬，如標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型、RNG k-ε模型配合標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)、Realizable k-ε模型、V2F模型等紊流數(shù)學(xué)模型，但在數(shù)值模擬時(shí)對(duì)這些模型的選取與邊界條件參數(shù)的設(shè)置缺乏科學(xué)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，無(wú)法為數(shù)值模擬提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐，也無(wú)法為獨(dú)頭巷道的降溫工程實(shí)踐提供準(zhǔn)確的參考。近年來(lái)，利用粒子圖像測(cè)速技術(shù)(PIV)獲得流場(chǎng)中多點(diǎn)流體或粒子速度矢量的試驗(yàn)研究方法在研究室內(nèi)空氣流場(chǎng)方面得到了廣泛應(yīng)用，將這一技術(shù)引入到獨(dú)頭巷道通風(fēng)降溫研究中，可實(shí)現(xiàn)將“看不見(jiàn)、摸不著”的空氣用示蹤粒子可視化，獲得獨(dú)頭巷道風(fēng)流速度場(chǎng)的整體結(jié)構(gòu)和流動(dòng)的瞬態(tài)圖像，而風(fēng)流的溫度場(chǎng)與速度場(chǎng)又是相關(guān)聯(lián)的。所以，基于三維PIV技術(shù)對(duì)開(kāi)展獨(dú)頭巷道風(fēng)流速度場(chǎng)與溫度場(chǎng)的基礎(chǔ)研究具有重要意義。

獨(dú)頭巷道普遍采用壓入式或抽壓結(jié)合的通風(fēng)方式，再加上機(jī)電設(shè)備阻塞等效應(yīng)，獨(dú)頭巷道附近的風(fēng)流速度場(chǎng)紊亂、溫度場(chǎng)復(fù)雜。目前，還沒(méi)有專門(mén)對(duì)獨(dú)頭巷道的風(fēng)流速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)與濕度場(chǎng)開(kāi)展研究的試驗(yàn)設(shè)備。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)以上所述現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供了一種基于三維PIV的獨(dú)頭巷道風(fēng)流速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)與濕度場(chǎng)試驗(yàn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)室中對(duì)獨(dú)頭巷道的風(fēng)流速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)與濕度場(chǎng)的準(zhǔn)確測(cè)量，為CFD數(shù)值模擬提供科學(xué)依據(jù)。

為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種基于三維PIV的獨(dú)頭巷道風(fēng)流速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)與濕度場(chǎng)試驗(yàn)系統(tǒng)，包括：

巷道模擬室，用于模擬巷道的空間結(jié)構(gòu)；

巷道通風(fēng)模擬系統(tǒng)，用于在巷道模擬室內(nèi)模擬出巷道風(fēng)流狀態(tài)；

巷道溫度模擬系統(tǒng)，用于在巷道模擬室內(nèi)模擬出巷道溫度狀態(tài)；

巷道濕度模擬系統(tǒng)，用于在巷道模擬室內(nèi)模擬出濕度變化；

溫度與濕度檢測(cè)系統(tǒng)，用于對(duì)巷道模擬室內(nèi)溫度與濕度的檢測(cè)；

三維PIV測(cè)試系統(tǒng)，用于測(cè)試巷道模擬室內(nèi)空氣的風(fēng)流流場(chǎng)并將其轉(zhuǎn)換為圖形和數(shù)字信息進(jìn)行分析處理。

優(yōu)選的，所述巷道通風(fēng)模擬系統(tǒng)包括壓入式風(fēng)機(jī)、抽出式風(fēng)機(jī)、壓風(fēng)筒和抽風(fēng)筒，所述壓風(fēng)筒一端與所述壓入式風(fēng)機(jī)連接，另一端深入巷道模擬室內(nèi)部，所述抽風(fēng)筒的一端與所述抽出式風(fēng)機(jī)連接，另一端深入到巷道模擬室內(nèi)部。

優(yōu)選的，所述巷道溫度模擬系統(tǒng)包括加熱板、電熱膜、掘進(jìn)機(jī)(或鏟運(yùn)機(jī))散熱模型，所述加熱板設(shè)置在巷道模擬室的迎頭位置，所述電熱膜設(shè)置在巷道模擬室兩側(cè)。

優(yōu)選的，所述溫度與濕度檢測(cè)系統(tǒng)包括溫度傳感器與濕度傳感器。

優(yōu)選的，所述三維PIV測(cè)試系統(tǒng)包括兩個(gè)CCD攝像機(jī)、計(jì)算機(jī)工作站、片狀激光成型器和同步控制器，所述計(jì)算機(jī)工作站，兩個(gè)CCD攝像機(jī)和片狀激光成型器均與同步控制器電連接。

優(yōu)選的，所述巷道模擬室內(nèi)設(shè)有可開(kāi)閉式水槽，用于模擬巷道水分蒸發(fā)等傳質(zhì)現(xiàn)象。

本發(fā)明所述測(cè)試系統(tǒng)是在空氣在管內(nèi)受迫紊流傳熱時(shí)，只要保證模型和原型的雷諾準(zhǔn)則相等，那么努謝爾特準(zhǔn)則就必然相等的基礎(chǔ)上，確定模型的尺寸與相關(guān)試驗(yàn)參數(shù)，例如，送風(fēng)口速度、風(fēng)管直徑、風(fēng)筒位置與試驗(yàn)時(shí)間等參數(shù)。

本發(fā)明所述試驗(yàn)系統(tǒng)，首先使用煙霧發(fā)生器產(chǎn)生試驗(yàn)所需要濃度和粒徑示蹤粒子，然后待示蹤粒子與空氣混合均勻，使用片狀激光成型器向獨(dú)頭巷道斷面打光，再利用兩個(gè)CCD攝像機(jī)快速拍攝圖片再利用專業(yè)分析軟件讀取數(shù)字化的粒子圖像信息并進(jìn)行分析和處理，實(shí)現(xiàn)把“看不見(jiàn)、摸不著”的空氣用示蹤粒子可視化，獲得綜掘工作面風(fēng)流流場(chǎng)的整體結(jié)構(gòu)和流動(dòng)的瞬態(tài)圖像。并輔以溫度溫度傳感器與濕度傳感器，通過(guò)試驗(yàn)研究壓風(fēng)筒與抽風(fēng)筒出口風(fēng)速、風(fēng)溫、以及壓風(fēng)筒與抽風(fēng)筒位置、掘進(jìn)機(jī)(鏟運(yùn)機(jī))位置、巷道水分以及熱源發(fā)熱強(qiáng)度對(duì)端面熱濕環(huán)境的影響規(guī)律，還能從中得到速度場(chǎng)、渦量場(chǎng)、紊流動(dòng)能耗散率場(chǎng)等微觀信息，可為數(shù)值模擬時(shí)的幾何模型、物理模型與邊界條件提供試驗(yàn)依據(jù)。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明所述試驗(yàn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中:

1—巷道模擬室，2—壓入式風(fēng)機(jī)，3—抽出式風(fēng)機(jī)，4—壓風(fēng)筒，5—抽風(fēng)筒，6—加熱板,7—電熱膜，8—散熱模型，9—溫度傳感器，10—濕度傳感器，11—CCD攝像機(jī),12—計(jì)算機(jī)工作站,13—片狀激光成型器,14—同步控制器,15—可開(kāi)閉式水槽,16—風(fēng)速傳感器。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式做進(jìn)一步詳細(xì)描述：

如圖1所示，一種基于三維PIV的獨(dú)頭巷道風(fēng)流速度場(chǎng)與溫濕度場(chǎng)試驗(yàn)系統(tǒng)，包括：

巷道模擬室1，用于模擬巷道的空間結(jié)構(gòu)；所述巷道模擬室1內(nèi)設(shè)有可開(kāi)閉式水槽15。

巷道通風(fēng)模擬系統(tǒng)，用于在巷道模擬室1內(nèi)模擬出巷道風(fēng)流狀態(tài)；

巷道溫度模擬系統(tǒng)，用于在巷道模擬室1內(nèi)模擬出巷道溫度狀態(tài)；

風(fēng)速、溫度與濕度檢測(cè)系統(tǒng)，用于對(duì)巷道模擬室1內(nèi)風(fēng)速、溫度與濕度的檢測(cè)；

三維PIV測(cè)試系統(tǒng)，用于測(cè)試巷道模擬室1內(nèi)空氣的風(fēng)流流場(chǎng)并將其轉(zhuǎn)換為圖形和數(shù)字信息進(jìn)行分析處理。

所述巷道通風(fēng)模擬系統(tǒng)包括壓入式風(fēng)機(jī)2、抽出式風(fēng)機(jī)3、壓風(fēng)筒4和抽風(fēng)筒5，所述壓風(fēng)筒4一端與所述壓入式風(fēng)機(jī)2連接，另一端深入巷道模擬室1內(nèi)部，所述抽風(fēng)筒5的一端與所述抽出式風(fēng)機(jī)3連接，另一端深入到巷道模擬室1內(nèi)部。

所述巷道溫度模擬系統(tǒng)包括加熱板6、電熱膜7、掘進(jìn)機(jī)(或鏟運(yùn)機(jī))散熱模型8，所述加熱板6設(shè)置在巷道模擬室1的迎頭位置，所述電熱膜7設(shè)置在巷道模擬室1兩側(cè)。

所述風(fēng)速、溫度與濕度檢測(cè)系統(tǒng)包括風(fēng)速傳感器、溫度傳感器9與濕度傳感器10。

所述三維PIV測(cè)試系統(tǒng)包括兩個(gè)CCD攝像機(jī)11、計(jì)算機(jī)工作站12、片狀激光成型器13和同步控制器14，所述計(jì)算機(jī)工作站12，兩個(gè)CCD攝像機(jī)11和片狀激光成型器13均與同步控制器14電連接。

使用本發(fā)明所述試驗(yàn)系統(tǒng)時(shí)，首先使用煙霧發(fā)生器產(chǎn)生試驗(yàn)所需要濃度和粒徑示蹤粒子，然后待示蹤粒子與空氣混合均勻，使用片狀激光成型器13向獨(dú)頭巷道斷面打光，再利用兩個(gè)CCD攝像機(jī)11快速拍攝圖片再利用專業(yè)分析軟件讀取數(shù)字化的粒子圖像信息并進(jìn)行分析和處理，實(shí)現(xiàn)把“看不見(jiàn)、摸不著”的空氣用示蹤粒子可視化，獲得綜掘工作面風(fēng)流流場(chǎng)的整體結(jié)構(gòu)和流動(dòng)的瞬態(tài)圖像。并輔以溫度溫度傳感器9與濕度傳感器10，通過(guò)試驗(yàn)研究壓風(fēng)筒4與抽風(fēng)筒5出口風(fēng)速、風(fēng)溫、以及壓風(fēng)筒4與抽風(fēng)筒5位置、掘進(jìn)機(jī)(鏟運(yùn)機(jī))位置、巷道水分以及熱源發(fā)熱強(qiáng)度對(duì)端面熱濕環(huán)境的影響規(guī)律，還能從中得到速度場(chǎng)、渦量場(chǎng)、紊流動(dòng)能耗散率場(chǎng)等微觀信息，可為數(shù)值模擬時(shí)的幾何模型、物理模型與邊界條件提供試驗(yàn)依據(jù)。分別采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型、RNG k-ε模型配合標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)、Realizable k-ε模型、V2F模型這四個(gè)紊流數(shù)學(xué)模型對(duì)獨(dú)頭巷道的風(fēng)流流場(chǎng)與溫度場(chǎng)的進(jìn)行數(shù)值模擬并與實(shí)測(cè)結(jié)果比較并探索針對(duì)不同熱參數(shù)與物理參數(shù)的獨(dú)頭巷道各自適用的數(shù)學(xué)模型與邊界條件的設(shè)置?；跀?shù)值模擬及仿真試驗(yàn)研究獲得的通風(fēng)降溫參數(shù)與工作面風(fēng)流溫度與濕度的耦合機(jī)理，利用MATLAB等軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，提出適用于不同類型的高溫綜掘工作面的最佳通風(fēng)降溫方案。

以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，盡管參照前述實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說(shuō)明，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，其依然可以對(duì)前述各實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對(duì)其中部分技術(shù)特征進(jìn)行等同替換。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。