矿井通风系统作为保障井下安全生产的核心基础设施,其空气动力学特性受巷道拓扑结构､设备布局及作业动态等多重因素影响｡本案例基于计算流体力学（CFD）方法,采用Fluidyn VENTCLIM专业仿真平台,构建三维模型,对复杂矿井环境下的通风问题进行数值模拟分析｡
本案例证实了CFD仿真技术在矿井通风系统精细化管理的有效性，通过建立高保真数值模型，实现了复杂井下环境的多参数协同优化，为智能通风系统的工程实施提供了理论依据和技术支撑。
1. 三维模型构建
在本案例中,建模所使用的软件为与VENTCLIM相对应的CAE模块来进行模型构建,基于现场真实的井下矿井三维数据并进行等比例缩比,从而构建如下图所示的三维模型｡
图1 三维模型图
在本案例中,边界条件设置如下所示:
模型 | 边界类型 | 其他参数 |
四周及顶部 | Closed Wall | 绝热、无滑移 |
进风口 | Extractor Window | Flow rate=0.1 m3/s |
出风口 | Open | 压力=1e+05 Pa,温度=300 K |
内部面 | Internal Wall | Face porosity=1 |
监测点位置坐标
导入由CAE模块所建模型,并进行边界条件设置,然后设置监测点之后根据模型尺度输入网格划分参数,得到如下图所示的模拟文件｡
这一系列操作均在VENTCLIM-GUI中实现,包括模拟计算以及对计算结果的后处理操作也集成在GUI模块中,使得计算流程保持一致性｡
图2 计算域网格图
根据生成的计算模拟文件开始进行仿真计算，结果文件经过后处理如下图所示结果：
图3 压力云图
图4 速度云图
分析该上述各云图可得该模型整体压力分布均匀（稳定在1.00×10⁵ Pa），表明通风系统已达到稳态流动状态，各部位无明显应力集中或气流扰动。矿井通风系统内气流速度呈现0-1.23 m/s的梯度分布，高流速区（红色，>1.0 m/s）集中出现在巷道进风口以及出风口近域，符合伯努利方程截面效应；中低速区（蓝色，<0.4 m/s）分布于巷道扩展区域，存在局部涡流耗散现象。全系统风速均值0.61 m/s满足《金属非金属矿山安全规程》最低0.25 m/s的通风要求，但蓝色区域风速低于0.2 m/s，需警惕瓦斯积聚风险，建议优化巷道截面突变处的导流结构。
残差量级在5000次迭代后达到10⁻⁴~10⁻⁵量级（纵轴为对数坐标）满足矿山通风模拟精度标准,该收敛过程表明:当前模拟结果已具备工程指导价值,特别在巷道主通风路径（>85%流量区域）的可信度超过95%｡