幾種礦用低速風洞的結構分析及其性能比較

付建濤

(中煤科工集團重慶研究院，重慶 沙坪壩 400037)

0 引言

目前，我國煤礦安全生產(chǎn)形勢嚴峻[1]、重特大事故頻發(fā)，專家在對大量事故進行調(diào)查分析中發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)瓦斯爆炸[2]的原因都涉及礦井通風[3]問題。礦井通風是煤礦生產(chǎn)中治理瓦斯、火災、粉塵災害的常用有效手段，是礦井安全生產(chǎn)的基本保障。通風一方面能向井下各用風點連續(xù)輸送足夠的新鮮空氣，保證井下作業(yè)人員的人身安全、改善勞動環(huán)境;另一方面還能夠稀釋并排出各種有害氣體和浮塵，降低環(huán)境溫度，創(chuàng)造良好的作業(yè)環(huán)境，并能夠在發(fā)生災變時，配合其他措施，根據(jù)撤人救災的需要調(diào)節(jié)和控制風向及風量，防止災害的擴大。國家在2002年提出了“先抽后采、監(jiān)測監(jiān)控、以風定產(chǎn)”的瓦斯治理十二字方針[4]。其中“以風定產(chǎn)”[4]是指在通風能力允許的情況下生產(chǎn)，這是防治瓦斯最重要的管理措施，也是防止井下瓦斯積聚的先決條件。掌握煤礦井下風速、風量的變化情況，對礦井的安全生產(chǎn)具有重要的指導意義。礦用低速風洞[5]作為檢定和檢測礦用風速儀表的標準裝置，其準確性尤為重要。本文通過詳細介紹目前我國煤礦行業(yè)使用的礦用低速風洞，分析其各自優(yōu)缺點，以便更好地使用和提供檢測檢驗技術。

1 礦用低速風洞的結構

能造成氣流流動并能在其中進行空氣動力學試驗的裝置叫風洞，它是從航空部門引進的。風洞應用廣泛，按氣流速度分類，可分為六大類，如表1所示[6]。表1中，M為馬赫數(shù)，即流體的相對速度與音速之比。在標準大氣壓下，當溫度為15℃時，音速為340.8 m/s。

表1 風洞類型與氣流速度Tab.1 Types of wind tunnels and airflow velocity

通常，用于礦用風速儀表檢測等工程流體力學試驗的低速風洞稱為礦用低速風洞。它是當前世界各國檢定風速表、風速傳感器和皮托管的主要裝置。這里著重介紹當前我國用于風速儀表檢測的幾種風洞。

1.1 閉口直路式風洞

閉口直路或風洞分為單工作段和雙工作段兩種。為了提高低速風表檢定結果的準確度，我國目前普遍采用雙工作段風洞，其組成如圖1所示。

圖1 閉口直路式風洞示意圖Fig.1 Schematic diagram of the closed circuit straight line wind tunnel

雙工作段風洞各組成部分的作用如下。

①集風口:氣流匯集流入風洞的入風口。

②穩(wěn)定段:它通常是一個等截面段，內(nèi)設有蜂窩器和阻尼網(wǎng)。氣流流經(jīng)蜂窩器，引導直氣流的方向，使它的流向與風洞軸線一致。阻尼網(wǎng)是目數(shù)較小的銅絲網(wǎng)，氣流通過阻尼網(wǎng)，清除流動中產(chǎn)生的旋渦。氣流經(jīng)過穩(wěn)定段后，沿風洞軸線平直、均勻、穩(wěn)定地向前流動。

③收縮段:其作用是將由穩(wěn)定段流來的氣流加速，使流入工作段的氣流達到試驗所需要的速度。

④工作段:它是檢測風速儀表、皮托管和進行其他空氣動力學試驗的場所。因此，要求工作段的氣流以分布均勻、穩(wěn)定并沿風洞軸向的速度流動。工作段氣流的軸向靜壓梯度、紊(喘)流度等也必須根據(jù)風洞的用途加以設計、計算。

⑤擴壓段:亦稱擴散段，斷面尺寸以一定擴散錐角擴大，逐漸降低從工作段流出的氣流速度，使氣流的一部分動壓轉變?yōu)殪o壓，減少風洞的能量損失。風洞的能量損失與氣流速度的三次方成正比，所以氣流流經(jīng)工作段后，應盡可能降低其流速。

⑥風機:它由圓形管道、葉輪、電機、調(diào)速系統(tǒng)和支護腳架組成。在風機的作用下，氣流在風洞的進出口造成壓差促使其流動。在風洞內(nèi)流動的氣流由于摩擦、斷面積的擴大或縮小等原因，會造成一定的能量損失，因此為了保證工作段在檢測或進行其他試驗時達到所要求的氣流速度，必須通過動力系統(tǒng)對損失的能量加以調(diào)節(jié)和補充。

1.2 閉口單回流式風洞

閉口單回流式風洞[7]同樣分單工作段和雙工作段兩種。用于風速表、皮托管檢定的風洞是閉口單回流式雙工作段風洞。

閉口單回流式風洞的組成如圖2所示。

圖2 閉口單回流式風洞示意圖Fig.2 Schematic diagram of the closed circuit single return flow wind tunnel

當檢定風表、皮托管時，被檢儀表、檢測儀表的安裝位置與閉口直路式雙工作段風洞相同。

閉口單回流式雙工作段風洞主要組成部分與閉口直路式雙工作段風洞基本相同，工作面都是封閉的，不同點在于回流式是環(huán)形，氣流在風洞內(nèi)循環(huán);直路式是流入實驗室，實驗室是一個不很規(guī)則的回流道。

1.3 開式風洞

開式風洞的組成如圖3所示。

圖3 開式風洞示意圖Fig.3 Schematic diagram of the open circuit wind tunnel

開式風洞的風機即動力段(包括風機、電機、調(diào)整裝置和支護腳架)。開式風洞的動力段所用風機為離心式風機，以壓風的形式將氣流壓入風洞內(nèi)，然后由噴口以自由射流的形式噴出。

開式風洞的收縮段、擴壓段、穩(wěn)定段的作用與閉口直路式或閉口單回流式風洞的作用相同，其余組成部分作用介紹如下。

①噴口:作用是使噴出的氣流加速，以達到試驗所需的風速要求。噴口進出口斷面比不應小于4，否則難以保證噴出的自由射流能形成均勻、穩(wěn)定的風速區(qū)。

②節(jié)流裝置:習慣稱為孔板流量計。它是通過補償微壓差計測取孔板前后壓差來計算實際風速的計量裝置?？装灞仨毎磭覙藴始庸ぶ圃欤装逯睆胶桶惭b孔板管道直徑之比應在0.2～0.8之間。

③開式風洞的工作段，亦即噴口外的自由射流區(qū):當風速為0.2～5 m/s時，工作區(qū)域應在噴口出口的倍噴口直徑處;當風速大于5 m/s時，工作區(qū)域應在噴口直徑處。

2 礦用低速風洞的要求

2.1 性能要求

①外觀要求

風洞的外觀應整潔、美觀;內(nèi)壁應光滑、無凹凸不平;觀察窗、孔及各段連接處應封閉嚴密、不漏氣[8]。

②主工作段直徑要求

閉口直路式和閉口單回流式風洞的主工作段(雙工作段風洞第一工作段)斷面直徑要求應不小于250 mm;開式風洞的噴口直徑應不小于150 mm。

③工作段風速性能要求

礦用低速風洞的風速范圍應大于風表的測量范圍，氣流均勻性不大于1.50%，氣流穩(wěn)定性不大于0.50%。

④工作段阻塞比及收縮比要求

閉口直路式或閉口單回流式單、雙工作段風洞，風表在工作段內(nèi)的阻塞比應不大于5%，其工作段直徑應不小于250 mm。雙工作段風洞總收縮比應不小于10;單工作段風洞收縮比應不小于4;開式風洞的噴口直徑應不小于150 mm，收縮比應不小于4，風表直徑不大于噴口直徑的60%。

⑤工作環(huán)境溫度要求

礦用低速風洞工作的環(huán)境溫度應為5～35℃。

2.2 安裝要求

礦用風速儀表檢定裝置應安裝在實驗室內(nèi)。閉口單回流式風洞與四周墻壁的距離應不小于1 m;閉口直路式風洞進出風口與前后墻壁的距離應不小于集風口直徑，兩側與墻壁的距離應不小于1 m;開式風洞噴口、出口與墻壁的距離應不小于1.5 m，兩側與墻壁的距離應不小于1 m。在上述距離范圍內(nèi)應無障礙物，進行風表檢定或檢驗時，應關閉好門窗，避免外界氣流的干擾。

3 優(yōu)缺點分析

3.1 閉口直路式風洞

①優(yōu)點

相比閉口單回流式風洞，閉口直路式風洞占地面積較小，工作段風速均勻、穩(wěn)定，使用皮托管和數(shù)字精密微差壓計做標準風速采樣裝置時可通過計算機軟件實現(xiàn)自動檢驗。

②缺點

由于閉口直路式風洞的動力段采用軸流式風機，以抽風的形式將氣流經(jīng)集風口抽入風洞內(nèi)，在工作段形成均勻、穩(wěn)定的氣流，然后由擴壓段排放在實驗室內(nèi)。氣流在實驗室內(nèi)往復循環(huán)，因此易受外界氣流干擾，試驗時需關閉門窗，試驗人員不能來回走動。另外，該結構的風洞采用皮托管和補償式微差壓計做標準風速采樣裝置時，無法準確測量0.5 m/s以下的風速值，基本靠試驗人員的經(jīng)驗估讀。

3.2 閉口單回流式風洞

①優(yōu)點

閉口單回流式風洞采用環(huán)形結構，風流在風洞內(nèi)往復循環(huán)，不易受外界氣流干擾，使用皮托管和數(shù)字精密微差壓計做標準風速采樣裝置時可通過計算機軟件實現(xiàn)自動檢驗。

②缺點

由于閉口單回流式風洞采用環(huán)形結構，風流在風洞內(nèi)循環(huán)，長時間工作時，風流受風洞內(nèi)壁的摩擦，風洞內(nèi)部溫度會不斷升高，而規(guī)程和標準中要求檢定或檢驗一臺風速表前后溫差不能超過1 K。

3.3 開式風洞

①優(yōu)點

開式風洞在三種風洞中占地面積最小，由于采用標準孔板組和差壓計作為標準風速采樣裝置，該結構風洞測量微風速比前兩種結構風洞更準確。

②缺點

開式風洞的工作段在噴口外的自由射流區(qū)，比閉口直流式風洞更易受外界氣流干擾，測量一臺風速儀表需要多次更換孔板，更易發(fā)生老化漏氣的現(xiàn)象，也因為該原因，開式風洞不能完全實現(xiàn)自動檢測。

4 結束語

礦用低速風洞是當前煤礦行業(yè)用于風速儀表的標準裝置，作為從事風速儀表計量檢定或檢驗的人員應了解日常使用的標準裝置的結構及其優(yōu)缺點，以便更好地使用和提供檢測檢驗技術。

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[8] 煤炭工業(yè)部.JJG(煤炭)02-96礦用風速測量儀表檢定裝置[S].北京:中國標準出版社，1997.