Теоретическое исследование теплообмена между воздушным потоком и крепью шахтного ствола при наличии тепловой конвекции

Проведено теоретическое исследование закономерностей теплои массопереноса в строящемся шахтном стволе в условиях, когда температура крепи шахтного ствола ниже температуры воздуха, подаваемого в ствол по вентиляционному трубопроводу. Исследование затрагивает проблему обеспечения устойчивого проветривания шахтных стволов в период их строительства до проходки межстволовой сбойки в условиях использования способа искусственного замораживания окружающих горных пород. Проведено многопараметрическое численное моделирование нестационарного распределения аэрои термодинамических параметров в шахтном стволе в трехмерном случае в рамках модели тепловой конвекции в программном комплексе Ansys. Установлено, что тепловая конвекция может оказывать существенное влияние на теплои массоперенос в воздушном пространстве ствола в случае, когда стенки крепи ствола имеют температуру, меньшую, чем температура воздуха, выходящего из вентиляционного трубопровода у забоя ствола. При этом в пространстве ствола происходит образование возвратных конвективных течений и циркуляции воздуха в конвективных ячейках, что приводит к дополнительному увеличению скорости воздушного потока в стволе. Вследствие этого коэффициент теплоотдачи на границе между крепью ствола и воздухом оказывается существенно выше по сравнению с расчетом без учета тепловой конвекции. Исследовано влияние перепада температуры «воздух — крепь ствола» и шероховатости стенок крепи ствола на средние значения коэффициента теплоотдачи и теплового потока на границе между крепью ствола и воздухом. Предложены эмпирические формулы для расчета коэффициента теплоотдачи и удельного теплового потока на границе между крепью ствола и воздухом в зависимости от соответствующего перепада температуры, диаметра ствола, шероховатости стенок горных выработок.

Семин М. А., Левин Л. Ю. Теоретическое исследование теплообмена между воздушным потоком и крепью шахтного ствола при наличии тепловой конвекции // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2020. – № 6. – С. 151–167. DOI: 10.25018/0236-1493-2020-6-0-151-167.

Семин Михаил Александрович¹ — канд. техн. наук, научный сотрудник, e-mail: seminma@outlook.com, Scopus ID: 56462570900, ORCID: http://orcid.org/0000-0001-5200-7931,
Левин Лев Юрьевич¹ —д-р техн. наук, зам. директора по научной работе, Scopus ID: 56358515000, ORCID: http://orcid.org/0000-0003-0767-9207
¹ Горный институт Уральского отделения РАН.

Семин М.А., e-mail: seminma@outlook.com.

1. Федеральные нормы и правила в области промышленной безопасности «Правила безопасности при ведении горных работ и переработке твердых полезных ископаемых». — 2013. — 186 с.

2. Правила безопасности при строительстве подземных сооружений ПБ 03-428-02. — 2009. — 407 с.

3. Болотских Н. С., Бондаренко Н. А., Гальченко П. П. Строительство стволов шахт и рудников: справочник / Под ред. О. С. Докукина, Н. С. Болотских. — М.: Недра, 1991. — 344 с.

4. Трупак Н. Г. Замораживание грунтов при строительстве подземных сооружений. — М.: Недра, 1979. — 344 с.

5. Yao Z., Cai H., Xue W., Wang X., Wang Z. Numerical simulation and measurement analysis of the temperature field of artificial freezing shaft sinking in Cretaceous strata // AIP Advances. 2019. Vol. 9, no 2. Art. no 025209. DOI: 10.1063/1.5085806.

6. Zhelnin M., Kostina A., Plekhov O., Panteleev I., Levin L. Numerical analysis of application limits of Vyalov’s formula for an ice-soil wall thickness // Frattura ed Integrita Strutturale. 2019. Vol. 13, no 49. Pp. 156—166. DOI: 10.3221/IGF-ESIS.49.17.

7. Kazakov B. P., Shalimov A. V., Semin M.A. Stability of natural ventilation mode after main fan stoppage // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2015. Vol. 86. Pp. 288—293. DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2015.03.004.

8. Nikolaev A. V., Alymenko N. I., Kamenskikh A.A., Alymenko D. N., Nikolaev V.A., Petrov A. I. Factors defining value and direction of thermal pressure between the mine shafts and impact of the general mine natural draught on ventilation process of underground mining companies // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2017. Vol. 87, no 5. Art. no 052020. DOI: 10.1088/1755-1315/87/5/052020.

9. Nie B. S., Peng B., Guo J. H., Liu X. F., Liu X. T., Shen J. S. Research on Characteristics of Air Flow Disorder in Inlet Shafts // Journal of Mining Science. 2018. Vol. 54, no 3. Pp. 444— 457. DOI: 10.1134/S1062739118033846.

10. Taler D., Taler J. Simple heat transfer correlations for turbulent tube flow // E3S Web of Conferences. 2017 Vol. 13. Art. no 02008. DOI:10.1051/e3sconf/20171302008.

11. Colburn A. P. A method of correlating forced convection heat transfer data and a comparison with fluid friction // Transactions of American Institute of Chemical Engineers. 1933. Vol. 29. Pp. 174—210.

12. Taler D. A new heat transfer correlation for transition and turbulent fluid flow in tubes // International Journal of Thermal Sciences. 2016. Vol. 108. Pp. 108—122.

13. Левин Л. Ю., Семин М. А., Клюкин Ю. А., Накаряков Е. В. Исследование аэрои термодинамических процессов, протекающих на начальном этапе организации сквозного проветривания рудника // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Геология. Нефтегазовое и горное дело. — 2016. — Т. 15. — № 21. — С. 367—377. DOI: 10.15593/2224-9923/2016.21.9.

14. Гершуни Г. З., Жуховицкий Е. М., Hепомнящий А. А. Устойчивость конвективных течений. — М.: Наука, 1989. — 320 с.

15. Jha B. K., Oni M. O. Theory of fully developed mixed convection including flow reversal. A nonlinear Boussinesq approximation approach. Heat Transfer — Asian Research. 2019. Vol. 48, no 8. Pp. 3477—3488. DOI: 10.1002/htj.21550.

16. Шалимов А. В., Кормщиков Д. С., Газизуллин Р. Р., Семин М. А. Моделирование динамики тепловых депрессий и ее влияния на проветривание горных выработок // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Геология. Нефтегазовое и горное дело. — 2014. — Т. 13. — № 12. — С. 41—47.

17. Tannehill J. Computational fluid mechanics and heat transfer. Washington, DC: Taylor & Francis. 1997. 792 p.

18. Wilcox D. C. Formulation of the k— turbulence model revisited // AIAA Journal. 2008. Vol. 46. Pp. 2823—2838. DOI: 10.2514/1.36541.

19. Sanjay S., Sundararaj S., Thiagarajan K. B. Numerical simulation of flat plate boundary layer transition using OpenFOAM® // AIP Conference Proceedings. AIP Publishing. 2019. Vol. 2112, no 1. Art no 020134.

20. Пучков Л. А., Каледина Н. О., Кобылкин С. С. Методология системного проектирования вентиляции шахт // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2014. — № S1.

21. Mohammed H.A., Salman Y. K. Heat transfer by natural convection from a uniformly heated vertical circular pipe with different entry restriction configurations // Energy Conversion and Management. 2007. Vol. 48, no 7. Pp. 2244—2253. DOI:10.1016/j.enconman.2006.12.005.

22. Yan W. M., Lin T. F. Theoretical and experimental study of natural convection pipe flows at high rayleigh number // International Journal of Heat and Mass Transfer. 1991. Vol. 34, no 1. Pp. 291—303. DOI: 10.1016/0017-9310(91)90195-k

23. Karwa R. Empirical relations for natural or free convection / Heat and mass transfer. 2016. Pp. 623—664. DOI: 10.1007/978-981-10-1557-1-9.

24. Валуева Е. П. Ламинарная смешанная конвекция в вертикальном плоском канале с постоянной плотностью теплового потока на стенке // Теплофизика высоких температур. — 2019. — Т. 57. — № 3. — С. 408—415.

25. Казаков Б. П., Шалимов А. В., Семин М. А., Клюкин Ю. А. Математическое моделирование термодинамических процессов в системах воздухоподготовки калийных рудников // Горный журнал. — 2019. — № 8. — С. 81—84. DOI: 10.17580/gzh.2019.08.16.