基于CFD模拟的矿山通风巷道风阻分析

摘要：本文聚焦于基于 CFD 模拟的矿山通风巷道风阻分析这一关键领域。通过运用先进的 CFD 模拟技术，对矿山通风巷道内部复杂的风流流动状况展开了全面且深入的研究。着重剖析了多个影响风阻的关键因素，涵盖巷道独特的几何形状，如圆形、矩形等对风流的阻碍作用；巷道壁面粗糙度的不同程度对风阻的影响机制；。详细阐述了 CFD 模拟从原理、方法到在矿山通风巷道风阻分析中的具体应用步骤，包括几何模型的建立、网格划分等。经模拟分析，精准得出了不同条件下巷道风阻的变化规律，为矿山通风系统的优化设计、降低通风能耗以及保障安全生产提供了坚实的理论依据和可靠的技术支持，对提升矿山整体通风效率具有重大而深远的意义。

关键词：CFD 模拟；矿山通风；巷道风阻；通风系统

引言：在当今的矿山开采作业体系中，通风系统的稳定、高效运行处于核心地位，其直接关联着作业人员的生命安全保障以及生产效率的显著提升。通风巷道的风阻作为影响通风效果的关键限制性因素，对其进行准确且深入的分析，成为了合理规划通风系统的关键环节。这有助于确保风流能够以稳定且高效的状态输送到矿山的各个作业区域，为安全生产创造良好条件。然而，传统的风阻分析方法由于自身存在的局限性，在面对复杂多变的矿山通风环境时，往往难以提供精准有效的分析结果。随着计算机技术的迅猛发展，CFD（计算流体动力学）模拟技术凭借其在精确模拟复杂流场方面的独特优势，为矿山通风巷道风阻分析带来了全新的、行之有效的解决途径。

一、CFD 模拟基础理论

1. CFD 模拟的基本概念

CFD 模拟，即计算流体动力学模拟，是一种通过数值计算方法来求解流体流动控制方程的先进技术手段。它能够对流体的流动、传热以及传质等复杂现象进行精确的模拟和分析。在工程领域，CFD 模拟具有广泛的应用范围。在航空航天领域，它可用于飞机机翼的空气动力学设计，优化机翼形状以减小阻力、提高升力；在汽车工业中，能模拟汽车在行驶过程中的空气流动，降低风噪和能耗[1]。在建筑环境方面，可分析建筑物周围的风环境，优化建筑布局以提高自然通风效果。在矿山通风领域，CFD 模拟能够深入研究巷道内的风流特性，为通风系统的设计和优化提供关键依据，具有不可替代的重要作用。

2. 流体流动控制方程

流体流动控制方程主要包括连续性方程、动量方程和能量方程。连续性方程从物理本质上表征了流体在流动过程中的质量守恒特性，即单位时间内流入某一控制体的流体质量等于流出该控制体的流体质量。动量方程则体现了流体动量的守恒原理，它描述了流体在受力作用下的运动状态变化。能量方程反映了流体在流动过程中的能量守恒，包括内能、动能和势能的相互转化。在 CFD 模拟中，这些方程通过离散化处理，转化为可求解的代数方程组，从而实现对流体流动的数值模拟，准确地反映流体的各种物理特性。

3. CFD 模拟的数值求解方法

CFD 模拟中常用的数值求解方法有有限差分法、有限元法和有限体积法。有限差分法是将求解区域划分为离散的网格点，通过在这些网格点上对控制方程进行差分离散来求解。有限元法则是将求解区域划分为有限个单元，通过对单元内的函数进行插值和逼近，建立单元方程并组装求解。有限体积法是将求解区域划分为有限个控制体积，通过对控制体积内的物理量进行积分守恒来建立离散方程。有限体积法在处理流体流动问题时具有独特的优势，它具有良好的守恒性，能够准确地满足物理量的守恒定律；同时，对于复杂的边界条件，有限体积法易于处理，能够灵活地适应各种几何形状的求解区域，因此在 CFD 模拟中得到了广泛的应用。

二、矿山通风巷道风阻影响因素

1. 巷道几何形状的影响

矿山通风巷道的几何形状多种多样，常见的有圆形、矩形、拱形等。不同的几何形状会对风阻产生显著的影响。以圆形巷道为例，其壁面光滑，风流在其中流动时受到的边界干扰相对较小，风阻相对较低。而矩形巷道由于存在棱角，会导致风流在流经棱角处时产生涡流，增加了流动阻力，从而使风阻增大。拱形巷道则在一定程度上兼顾了圆形和矩形的特点，其顶部的弧形结构有助于减少风流的分离和涡流的产生，但与圆形巷道相比，风阻仍然较高[2]。通过 CFD 模拟可以清晰地展示不同形状巷道内的风流速度分布和压力变化情况，进一步分析几何形状对风流的阻碍作用以及巷道的长宽比、断面尺寸等参数与风阻之间的具体关系，为巷道的合理设计提供依据。

2. 巷道粗糙度的作用

巷道壁面的粗糙度是影响风阻的重要因素之一。在实际的矿山巷道中，由于施工工艺、地质条件等因素的影响，巷道壁面往往存在一定的粗糙度。当风流流经粗糙的壁面时，会与壁面的凸起部分发生碰撞和摩擦，导致能量损失，从而增加风阻。在 CFD 模拟中，通常采用壁面函数法来考虑粗糙度的影响。壁面函数法通过建立壁面附近的流动模型，将壁面的粗糙度与流体的流动参数联系起来。通过模拟对比不同粗糙度条件下巷道内的风流特性和风阻值，可以发现随着粗糙度的增加，风阻会显著增大，这对通风能耗产生了不利影响。

三、基于 CFD 模拟的矿山通风巷道风阻分析流程

1. 建立几何模型

建立准确的几何模型是基于 CFD 模拟进行矿山通风巷道风阻分析的首要步骤。在实际操作中，需要依据矿山通风巷道的详细设计图纸和现场精确的测量数据，运用专业的建模软件，如 GAMBIT、ANSYS DesignModeler 等，来构建巷道的几何模型。在建模过程中，要充分考虑巷道的实际形状、尺寸以及各种附属设施的位置等因素，确保模型能够真实、准确地反映巷道的几何特征。同时，对于复杂的巷道结构，如弯道、分叉等部位，需要采用适当的建模技巧，如局部细化、布尔运算等，来提高模型的精度和可靠性。

2. 网格划分

网格划分在 CFD 模拟中起着至关重要的作用，它直接影响到模拟结果的准确性和计算效率。在进行网格划分时，需要根据巷道的几何形状和模拟要求，选择合适的网格类型，如结构化网格或非结构化网格。结构化网格具有规则的拓扑结构，适用于形状简单、边界规则的巷道；非结构化网格则具有较强的适应性，能够灵活地处理复杂的几何形状[3]。同时，还需要合理确定网格密度，网格过密会导致计算量过大，计算时间过长；网格过疏则会影响模拟结果的精度。通过模拟对比不同网格划分方案对计算结果的影响，可以优化网格划分策略，在保证计算精度的前提下，提高计算效率。

四、结论

本文围绕基于 CFD 模拟的矿山通风巷道风阻分析这一主题，系统地探讨了 CFD 模拟的基础理论，全面分析了矿山通风巷道风阻的影响因素，并详细阐述了基于 CFD 模拟的风阻分析流程。通过研究明确了巷道几何形状、粗糙度以及风速等因素对风阻具有显著的影响，同时掌握了运用 CFD 模拟进行风阻分析的具体方法和关键步骤。基于 CFD 模拟的方法能够精准、直观地揭示矿山通风巷道内复杂的风流特性以及风阻的变化规律，为矿山通风系统的优化设计提供了强有力的技术支撑和科学依据。

参考文献：

[1]魏赠，肖新文，曾春利.数据中心风墙气流组织的CFD模拟研究[J].建筑节能（中英文），2022，50（03）：124-129.

[2]张卓，强天伟，裴雨露，等.基于CFD的局部通风降温设备参数影响研究[J].制冷与空调（四川），2021，35（03）：382-388.

[3]李蓉蓉，李孜军，赵淑琪，等.基于CFD的高海拔矿山掘进面通风增氧方案优化[J].中国安全生产科学技术，2020，16（02）：54-60.