李亚俊，李印洪，吴洁葵，姚银佩

(1.湖南有色冶金劳动保护研究院，长沙 410014；2.非煤矿山通风防尘湖南省重点实验室，长沙 410014)

现矿井通风系统测定主要为测风人员对所选测点巷道持风表对该断面风速进行测定，因此所测风量是否准确、客观与测量设备与测量方法有密切关系，在认定设备测量精度的条件下，排除测风人员主观因素产生的不可避免的测量误差外，测量方法所产生误差便成为所测风量是否准确的主要影响因素[1]。

空气作为流体在巷道中流动时，由于巷道壁摩擦阻力的存在，风速在巷道断面上的分布是不均匀的[2]，因此在测风时一般采用在断面移动风表的测量方式，按此主要分为线路法和分格定点法。线路法是风表沿预定路线均匀移动，单位时间内走完线路既定路程。分格定点法是将整个井巷断面划分为若干大致相等的方格，分别测各方格内风速值，加权求平均值得到测量风速值。以上风速测量方法测得巷道断面风速值均提高了巷道风速测量精度，但由于风流在巷道内是连续的流体，无论分格定点法还是线路法均无法实现巷道全部断面连续测定[3-4]，其测量精度有进一步提升空间。为提高测量精度和更合理地选择测风方式，首先便需要对巷道断面连续风流分布进行探究，以优化测风方式。

为此本文拟用试验测定研究的方式对特定条件下巷道断面风流分布情况进行探究，并探究巷道流场分布规律，进一步以此为基础指导巷道风速更合理、精确的测定。

1 试验系统及试验方案

1.1 试验系统

圆形在各方向上具有统一对称性，理想状态下圆形井巷风流稳定状态，其各段风流分布应以圆心轴线为各向对称分布[5]，圆形断面在试验测量上具有简易、便捷、误差较小等诸多优点，因此试验选用圆形断面作为测试断面[6]。

试验测试系统设计采用类似圆形低速风洞的简易结构，设计试验系统结构如图1所示。图中装置由圆形巷道风流模拟系统和风流测试系统组成，圆形巷道风流模拟系统巷道包括入风口及整流格栅、测风口(低速、高速)、风机、风机变频控制器等，风流测试装置主要由热敏式风表和测定位置标尺组成，具体结构见系统结构图1所示。

图1 试验测试系统装置示意图Fig.1 Schematic diagram of test device

1.2 试验方案

试验利用简易圆形风洞结构测试装置，通过改变风机变频调速控制风速(风量)，热敏式风表测量杆增加测量位置标尺定位测定风速位置与圆形风洞壁的距离，并记录热敏式风表在不同位置的风速读数，依此分析断面风速分布与巷道壁的关系，由于所述研究与巷道壁距离有关，为得到更多数据，因此选用断面更大的I低速测风段测试，试验装置试验测试段现场照片见图2。

图2 装置测风段Fig.2 Wind-measuring section of test device

2 试验测试分析

2.1 试验测试

根据上述试验方案，调节变频控制器至装置风速为低速，待风流稳定后，利用热敏式风表测定距巷道壁不同距离处的风速值，并记录各位置风速值，记录完成后再分别调整变频器调整风速至中速及较高速度状态，重复上步骤测定，所测试验装置(I低速测风段)直径为50 cm，由于圆形巷道的各项对称性，仅需测巷道中心点至巷道壁距离风速变化即可，试验所得测定结果见表1，距巷道壁距离增加，所对应风速变化绘制成折线图，如图3所示。

表1 试验测定风速值Table 1 Test value of wind speed

2.2 试验数据分析

根据上述测定数据分析，圆形巷道断面各风速条件下(低、中、高三挡)，风流分布趋势基本一致，基本呈现距巷道中心越近，风速越大的分布[7]，但其风流分布并非简单的线性正比关系，从图2中可看出在靠近巷道壁处风速急剧下降，原因贴近巷道壁的风流受到巷道壁的黏滞作用风速急剧下降[8]，距离巷道壁超过一定距离后，风流受这种黏滞作用渐不明显，从图2及表1中多组数据对比分析可知，巷道壁这种黏滞作用影响集中在距离巷道壁5 cm以内区域，在各风速条件下(低、中、高档风速)该区域内巷道风流均急剧变化，此部分区域约占巷道中轴线长度的20%，可认为该区域为巷道风流的急剧变化区。

图3 试验测定数值折线图Fig.3 Line chart of test value

在距巷道壁5～25 cm(巷道中心)处巷道风流基本属于平稳变化区，以中档风速为例，距巷道壁5 cm处风速为3.85 m/s，巷道中心位置风速为4.10 m/s，风速变化为0.25 m/s，较巷道中心最大风速变化率为6.1%，变化相对较缓，此区域风速可认为是巷道断面风速的相对高速区域。

2.3 巷道风流分布规律曲线拟合

为进一步揭示圆形巷道风流分布规律，我们依据试验测试数据， 以风速为目标值Y，以距巷道壁距离为变量X，做曲线拟合以更形象地描绘巷道风流分布规律，并能依曲线拟合方程无差别计算出任一距离巷道壁距离的点风速值。根据上述试验测定折线图3所示，各风速条件下风流变化趋势基本相同，因此拟合仅以低风速条件下做实例，根据函数相关匹配选型，选择以自然对数函数为目标函数形式。当x取值在0～25 cm间，经曲线拟合低风速条件下巷道风流分布规律方程为式(1)所示：

y=-2.99039exp(-x/1.96487)+2.89634

(1)

对应的曲线形式为图4。

所示曲线拟合回归方程相关度与均方根误差值作为回归方程可信度的重要指标，其值见表2。

图4 巷道风流分布曲线拟合Fig.4 Fitting curve of air flow distribution

表2 回归方程回归相关度及均方根误差值Table 2 Relevance and root mean square error of the regression equations

从回归相关度及均方根误差看， 所得回归曲线方程具有极高的可信度，可准确表征此状况下巷道风速分布状况，并可依此准确推算巷道任一位置的风速值。

3 结论

利用自行改造设计的试验测试系统对圆形巷道风流断面分布规律进行试验研究，研究结果总结如下：

1)受巷道壁对风流的黏滞作用，巷道风流在靠近边壁约20%距离处存在风速急剧下降区，圆形巷道风流沿巷道壁至巷道中心线呈现逐渐增大的趋势，变化趋势先急后缓，不同风速条件下这种变化趋势存在相似性，可认为巷道风速变化趋势与风速无关。

2)巷道风流分布规律研究显示风流在巷道断面大部分区域风速较高，仅靠近巷道壁面风速急剧下降，以分格定点法测风速为例，巷道断面一般划分为轴线对称的九格，分别测各格内风速值，加权平均值得到测量风速值，此九格测风位置一般均为格子中心，即未靠近巷道边壁区域，所测9组数据均为断面较高风速区域数值，加权平均后应大于巷道实际平均风速。因此，实际测风时应考虑风流边壁风速骤变区域，以提高测量精度。

3)以低风速条件下巷道风流分布为代表，根据试验数据以风速为目标值Y，以距巷道壁距离为变量X，拟合描绘巷道风流分布规律曲线方程，根据曲线方程的相关度及均方根误差分析，该曲线具有较高拟合度，可以依此曲线拟合方程无差别计算出任一距离巷道壁距离的点风速值。