Использование программного модуля ANSYS CFX при решении научно-производственных задач проветривания шахт и рудников

Л.Ю. Левин Заместитель директора по научным вопросам, учреждение Российской академии наук Горный институт УрО РАН
Р.Р. Газизуллин Инженер, учреждение Российской академии наук Горный институт УрО РАН
А.В. Зайцев Младший научный сотрудник, учреждение Российской академии наук Горный институт УрО РАН

Физические задачи, возникающие при решении задач в рудничной вентиляции и необходимость применения ­ CFD­методов

Обеспечение проветривания и необходимого теплового режима шахт и рудников является важным условием создания безопасных и комфортных условий труда горнорабочих. Создание эффективных систем вентиляции, подготовки и кондиционирования рудничного воздуха невозможно без разработки средств моделирования сложных аэрогазо­ и термодинамических процессов, происходящих в атмосфере шахт и рудников. Особый интерес представляют следующие физические процессы [2, 3]:

• аэродинамические, характеризуемые полями скоростей и давлений на участках сложной геометрии вентиляционных сетей шахт и рудников;
• термодинамические и теплообменные, характеризуемые полями температур, тепловых полей и фронтов фазовых переходов в рудничной атмосфере и горном массиве;
• массообменные, характеризуемые полями концентраций и диффузионных потоков аэрозольных и газовых примесей, распространяющихся в рудничной атмосфере и горном массиве.

Кроме того, основные элементы систем вентиляции, подготовки и кондиционирования воздуха являются очень энергоемкими — суммарные мощности достигают нескольких десятков мегаватт и составляют значительную часть (до 70%) от конечной себестоимости добытого полезного ископаемого [6, 7]. В связи с этим наиболее актуальной сегодня является задача разработки минимизации энергопотребления наиболее ресурсоемких элементов систем, что требует математического моделирования аэрогазо­ и термодинамических процессов.

До недавнего времени количественный анализ перечисленных процессов проводился либо аналитическим, либо экспериментальным путем [8]. К недостаткам аналитического анализа можно отнести его сложность и введение существенных ограничений, ­сужающих область применения его результатов. Недостатками экспериментального анализа являются трудоемкость и сложность проведения, невозможность охватить явление в целом — исследовать картину зависимости полученных результатов от того или иного параметра задачи.

Горная инженерная практика в России и странах СНГ традиционно опирается на проведение экспериментальных исследований, что при их правильном планировании обычно обеспечивает высокую надежность. Единственный, но существенный в современных условиях недостаток таких исследований — их высокая стоимость и необходимость достаточно большого количества времени на подготовку и проведение таких исследований.

С учетом современных достижений вычислительной математики и техники широкое распространение получает анализ физических процессов при помощи численного моделирования. В частности, в области рудничной аэрогазодинамики все большее распространение получают так называемые CFD?*­методы.

Естественно, расчеты должны выполняться с помощью оптимального программного обеспечения, то есть базирующихся на достаточно адекватных учитываемым физическим явлениям математических моделях и обеспечивающих выполнение всей совокупности необходимых расчетов за приемлемое количество времени с достаточной точностью.

Как показал опыт решения задач в области проветривания шахт и рудников в лаборатории аэрологии и теплофизики (АТ) ГИ УрО РАН совместно с кафедрой разработки месторождений полезных ископаемых ПермГТУ, таким программным обеспечением является ANSYS CFX, позволяющий решать всё многообразие задач рудничной вентиляции практически в сколь угодно сложной постановке. Ускоренное освоение и внедрение данного программного инструмента стало возможным благодаря качественному обучению, проведенному официальным представителем ANSYS, Inc. на территории РФ — компанией «Делкам­Урал»?*. 

Примеры применения CFD­методов

Минимизация местных аэродинамических сопротивлений

Аэродинамические сопротивления по характеру создаваемого падения давления принято разделять на два вида: линейные (потери, распределенные по длине выработки) и местные (локальные, резкие падения давления). Последние возникают в характерных участках вентиляционной сети — в местах сужений­расширений, поворотов и смешиваний потоков воздуха, а также при процессах обтекания тел. Сегодня при расчетах воздухораспределения в рудничных вентиляционных сетях местные сопротивления не учитывались или учитывались косвенно, как некоторая часть линейных сопротивлений выработок. И это можно считать оправданным, так как чаще всего их величина, по сравнению с величинами сопротивлений по длине, невелика, а кроме того, это в значительной мере упрощает расчеты. Однако ситуация может изменяться, если имеются выработки большого сечения или же участки вентиляционной сети с большими скоростями движения воздуха, так как потери давления на местных сопротивлениях пропорциональны квадрату скорости движения воздуха. К таким участкам практически всегда относятся выработки, соединяющие главную вентиляторную установку (ГВУ) с остальной частью шахтной вентиляционной сети (канал ГВУ, вентиляционный ствол при всасывающем способе проветривания, сопряжения выработок со стволом). Эти выработки также имеют характерные местные сопротивления. Так, выход канала ГВУ в атмосферу происходит из диффузора с предварительным резким поворотом. Падение давления (депрессия), происходящее на таком местном сопротивлении, с учетом больших скоростей движения воздуха может достигать значительных величин относительно всей величины общешахтной депрессии, тем самым увеличивая энергозатраты на проветривание рудника в целом. Поэтому задача минимизации местных аэродинамических сопротивлений в рудничных вентиляционных сетях является актуальной.

При проектировании существующих рудников проектные организации не имели арсенала современных программных продуктов. Применяемые сегодня методы — метод вариантов, экспериментальные работы А.А. Харева, И.Е. Идельчика и др. — не позволяют в полной мере учитывать влияние геометрических показателей на энергетические характеристики ГВУ.

Рис. 1. Результаты расчета температурного и скоростного полей в системе «надшахтное здание — калориферная — ствол»

В настоящее время в лаборатории аэрологии и теплофизики Горного института Уральского отделения Российской академии наук (АТ ГИ УрО РАН) для решения этой задачи осуществляется комплексный подход, включающий органичное сочетание большого числа существующих теоретических и экспериментальных результатов по местным аэродинамическим сопротивлениям с современными разработками в области аэрогазодинамики.

Важнейшим и окончательным этапом представленной задачи является проведение численного эксперимента с использованием современных программно­вычислительных комплексов. Это дает ряд преимуществ — в первую очередь обеспечивает точность расчетов и возможность моделирования аэродинамических сопротивлений любой геометрии и сложности. В итоге, на основании результатов численных экспериментов методом сравнения вариантов выбирается тот, который показал наименьшее значение аэродинамического сопротивления. Он и предлагается к разработке.

Описанным алгоритмом в лаборатории АТ ГИ УрО РАН были оптимизированы местные сопротивления на рудниках ПО «Беларуськалий» и «Уралкалий». Например, на 4 РУ ПО «Беларуськалий» была проведена оптимизация параметров вентиляционного канала и диффузора, которая заключалась в подборе оптимального угла раскрытия диффузора, перехода от внезапного поворота к плавному на участке перехода вентиляционного канала в диффузор, а также непосредственно угла этого поворота и позволила снизить величину аэродинамического сопротивления всего участка на 62%. Экономический эффект от проведенных мер составляет 1,7 млн руб. в год [7].

Показателен пример Красно­слободского рудника. Так, согласно проведенным исследованиям по оптимизации участков элементов вентиляционной сети, при наличии на вентиляторе частотного регулятора, в случае с благоприятными аэродинамическими характеристиками сопряжений, можно произвести снижение частоты вращения рабочего колеса вентилятора. При этом в зависимости от вариантов геометрии сопряжения снижение затрачиваемой мощности на проветривание рудника может достигнуть 150 кВт, что при пересчете на годовое потребление составит почти 1,4 млн кВт. Экономическая эффективность при выборе оптимальных геометрических параметров сопряжений в приведенном примере Краснослободского рудника составляет 4 млн руб. в год [1, 4].

В результате проведенных расчетов и анализа результатов численных экспериментов можно сделать вывод, что применение программного модуля CFX при проектировании систем вентиляции позволяет более эффективно подобрать геометрические парамет­ры важных узлов вентиляционной сети рудника и минимизировать энергопотребление ГВУ.

Моделирование и расчет энергосберегающих систем воздухоподготовки для рудников

Большинство существующих систем обогрева шахтных стволов имеет значительный процент износа и требует полного капитального ремонта. Однако восстановление таких систем воздухоподготовки с запроектированными в 50­е годы технологиями нагрева и подачи воздуха в ствол абсолютно бессмысленно. Дело в том, что принципы, на которых основывался подход к разработке калориферных установок, сегодня являются морально устаревшими и слабо проработанными как в научном, так и в проектном планах. Нормативная документация и пособия по калориферам содержат много спорных положений.

Основной целью реконструкции систем воздухоподготовки должна быть разработка принципиально новых схем и технологий подготовки атмосферного воздуха и управления микроклиматическими параметрами рудничного воздуха для обеспечения здоровых и безопасных условий труда в воздухоподающих стволах, околоствольных дворах и прилегающих к ним горных выработках. Для этого необходимо грамотное моделирование и расчет как отдельно каждого технологического узла в системе воздухоподготовки, так и всей системы в целом.

Под расчетом основных технологических узлов следует понимать:

• расчет теплогенерирующего оборудования (калориферов, газовых теплогенераторов и т.д.);
• расчет распределения воздушных потоков в помещении калориферной, образующихся между калориферами и теплогенераторами с учетом гидростатического давления;
• расчет калориферных каналов или группы вертикально или горизонтально расположенных каналов с учетом конвективных воздушных потоков;
• расчет копра и средств его герметизации с учетом технологии оборудования подъема;
• расчет надшахтного здания с определением возможных теп­ловых утечек и способов их сокращения;
• расчет влияния технологического оборудования ствола (скипов, клетей и т.д.) на качество работы системы воздухоподготовки;
• расчет мест слияния воздушных потоков с различными термодинамическими параметрами, определение качества перемешивания этих струй и эффективности обогрева шахтного ствола.

Для расчета каждого технологического узла системы воздухоподготовки в нашей лаборатории разработаны соответствующие методики расчета [6].

Однако все названные нами методики имеют двумерную постановку задачи, поэтому с целью окончательной детальной проработки с учетом всех геометрических особенностей предлагаемой системы выполняется трехмерное моделирование и численный эксперимент при помощи программного модуля ANSYS CFX.

Так, для построения трехмерной модели с целью подтверждения аналитических расчетов и предложенных технических решений в программном пакете CFX был выполнен аэродинамический расчет системы воздухоподготовки ствола № 1 рудника БКПРУ­4. В результате расчетов были получены трехмерные поля температур и скоростей (рис. 1).

Результаты, полученные в результате численного моделирования, позволили оценить качество принятых и рассчитанных аналитическим путем технологических решений и эффективность работы проектируемой системы воздухоподготовки в целом [5, 6].

Рис. 2. Распределение движения метана, выделяемого из забоя при различных способах проветривания тупикового забоя горной выработки

Проветривание тупиковых забоев

Проветривание тупиковых забоев заключается в подаче в забой свежего воздуха по выработке на расстояние в несколько десятков, а иногда и сотен метров, причем одна и та же выработка служит и для подачи, и для отвода воздуха. Свежий воздух должен обеспечивать удаление вредных и опасных примесей из призабойного пространства и из внутреннего объема выработки в целом, обеспечивая безопасные и комфортные условия труда горнорабочих в горных забоях. В противном случае возможно образование очагов скопления вредных и горючих газов.

Численное решение задачи было выполнено методом конечных объемов в программном комплексе вычислительной гидродинамики ANSYS CFX. В расчете применена тетраэдральная сетка с призматическим слоем, построенная с помощью CFX­Mesh, физическая среда моделировалась бинарной смесью несжимаемого воздуха с идеальным газом СН4, при расчете была принята модель турбулентности SST (Shear Stress Transport). Для моделирования процесса выноса пыли из забоя горной выработки была принята модель переноса Лагранжевых частиц.

Некоторые полученные результаты расчетов приведены на рис. 2.

Основные полученные результаты можно сформулировать следующим образом:

• выявлены зоны интенсивного массообмена и установлены основные зависимости парамет­ров этих зон от условий проветривания;
• определены параметры провет­ривания тупиковых забоев при применении нагнетательного и всасывающего способов, обеспечивающие наибольшую эффективность выноса вредных примесей из тупикового забоя горной выработки;
• аэродинамические особенности применения всасывающего и комбинированного (то есть нагнетательно­всасывающего) способов проветривания тупиковых выработок.

Таким образом, численное моделирование процессов выноса вредных примесей рудничной атмосферы при проветривании тупиковых выработок значительно расширяет возможности изучения аэрогазодинамических процессов при проветривании тупиковых забоев, что позволяет более эффективно подбирать схемы и способы провет­ривания с учетом геометрических и горно­геологических условий [8].

Выводы и направления дальнейших исследований

В перспективе представляется целесообразным продолжение исследований процессов, происходящих в рудничной атмосфере и горном массиве, при помощи программного модуля CFX, и проведение дальнейшего анализа и сопоставления получаемых результатов с результатами экспериментальных исследований.

В перспективе целесообразно выделить следующие направления научных исследований:

• создание методики совместного использования натурных и численных экспериментов с применением современных средств создания моделей и новейшей измерительной аппаратуры для решения научно­производственных задач в области горного дела;
• совершенствование методологических основ использования программного модуля CFX с учетом специфики условий и задач горного дела;
• применение и оценка возможностей использования суперкомпьютеров для решения задач оптимизации параметров элементов систем вентиляции шахт и рудников.

Список литературы

1. Газизуллин Р.Р. Исследование влияния геометрических характеристик вентиляционного канала на энергетические характеристики ГВУ // Проблемы освоения недр в XXI веке глазами молодых ученых и специалистов: сборник докладов. Москва: ИПКОН. 2009;
2. Казаков Б.П. Структурно­классификационный анализ вентиляционных сетей по типу протекающих в них аэрологических процессов // Стратегия и процессы освоения георесурсов. 2009;
3. Казаков Б.П. Современное состояние и направления развития исследований в рудничной аэрологии // Стратегия и процессы освоения георесурсов. 2010. С. 186­189;
4. Круглов Ю.В., Газизуллин Р.Р. Использование CFD­методов при исследовании аэрогазодинамических процессов в рудничной аэрологии // Горный информационно­аналитический бюллетень. 2011. № 4;
5. Левин Л.Ю. Моделирование и расчет систем обогрева шахтных воздухоподающих стволов // Горный информационно­аналитический бюллетень. 2008. № 10. С. 49­54;
6. Левин Л.Ю. Теоретические и технологические основы ресурсосберегающих систем воздухоподготовки рудников: дис… д­ра техн. наук. Пермь, 2010;
7. Левин Л.Ю., Газизуллин Р.Р., Зайцев А.В. Современные тенденции в области минимизации местных аэродинамических сопротивлений в рудничных вентиляционных сетях // «Деформирование и разрушение материалов с дефектами и динамические явления в горных породах и выработках»: сборник докладов. Украина, Крым, Симферополь. 2010;
8. Левин Л.Ю., Исаевич А.Г., Газизуллин Р.Р. Численное моделирование процессов выноса вредных примесей рудничной атмосферы при проветривании тупиковых забоев различными способами // Научные исследования и инновации. т. 5, № 2. Пермь: ПГТУ. 2011.

*Вычислительная гидродинамика (от англ. Computational fluid dynamics).

*Подробнее о компании и программных продуктах ANSYS — на сайтах: www.ansys.ru, www.ansysclub.ru.

САПР и графика 10`2011