[发明专利]一种高温矿井运煤巷风流与煤流传热耦合计算方法

权利要求书

1.一种高温矿井运煤巷风流与煤流传热耦合计算方法，其特征在于，所述耦合计算方法相关设施包括运煤巷(01)、进风风流(02)、传送带(03)、煤流(04)、巷道围岩(05)、采煤工作面(06)、采空区(07)、回风风流(08)、回风顺槽(09)；所述计算方法以运煤巷(01)煤流(04)出口断面至采煤工作面(06)风流入口断面之间的热力系统为研究对象,简化传送带(03)上煤流(04)堆积断面形状，并采用集总参数法忽略煤流(04)内部导热热阻，依据能量守恒定律对进风风流(02)、巷道围岩(05)以及煤流(04)三者之间的耦合热湿交换关系进行分析，分别建立进风风流(02)以及煤流(04)的热平衡方程，利用有限差分法分别对进风风流(02)和煤流(04)的热平衡方程进行数值离散求解，最终获得运煤巷(01)内沿程不同位置处风流和煤流的温度；所述耦合计算方法具体实施步骤包括如下：

以运煤巷(01)煤流(04)出口断面位置A为坐标原点，采煤工作面(06)风流入口断面位置B为坐标终点，沿巷道中心线为x轴，并以进风风流(02)方向作为x轴正方向，在A-B断面之间任取一微元段dx，该微元段风流温度变化为dT，分别列出进风风流(02)和煤流(04)的能量平衡方程，得到

(1)煤流(04)热平衡方程

M_mdi_m＝M_mC_mdT_m＝h(T_f-T_m)udx

(2)进风风流(02)热平衡方程

M_fdi_f＝h(T_m-T_f)udx+k_τU(T_gu-T_f)dx-M_fgsinθdx

式中：M_m、M_f分别为煤流(04)和进风风流(02)的质量流量，kg/s；i_m、i_f分别煤流(04)和进风风流(02)的比焓，KJ/kg；T_m、T_f分别煤流(04)和进风风流(02)的温度，℃；C_m为煤流(04)的比热，KJ/(kg·℃)；h为煤流(04)与进风风流(02)之间的对流换热系数，KW/m²·℃；u为煤流(04)堆积的上表面周长，m；k_τ为巷道围岩(05)不稳定换热系数，KW/m²·℃；T_gu为巷道围岩(05)原始岩温，℃；U为巷道围岩(05)断面周长，m；g为重力加速度，m²/s；θ为巷道围岩(05)开采倾角

(3)根据相关热力学知识，将进风风流(02)相对湿度、含湿量、焓以及与风流温度有关的参数分别代入进风风流(02)热平衡方程式中：

式中：C_p为干空气的定压比热容，取C_p＝1.005KJ/(kg·℃)；r为水蒸汽的汽化潜热，取r＝2501KJ/kg；为进风风流(02)始端相对湿度；为进风风流(02)相对湿度变化率；b、ε′以及p_m为与风流温度有关的常数

为便于分析，令：

Z₂＝hu

Z₃＝k_τU

则方程式可表示为：

(4)热平衡方程边界条件

式中：T_fin为进风风流(02)入口风流温度，℃；T_min为煤流(04)入口温度，℃

上述完成了对进风风流(02)和煤流(04)物理模型和数学模型的描述；

采用有限差分法对数学模型方程进行离散求解，假定A-B断面之间的距离为L，将其之间的巷道围岩(05)以及煤流(04)均等分为n-1段，则每段长度为Δx＝L/(n-1)，令进风风流(02)节点编号i均为奇数，煤流(04)节点编号j均为偶数，依据有限差分法，分别得到进风风流(02)以及煤流(04)热平衡方程的离散方程

(5)进风风流(02)离散后热平衡方程

式中：T_i-2,T_i-1,T_i,T_i+1代表进风风流(02)对应节点温度值

(6)煤流(04)离散后热平衡方程

式中：T_j-1,T_j,T_j+1,T_j+2代表煤流(04)对应节点温度值

即上述分别完成了进风风流(02)和煤流(04)计算模型的建立和模型方程的数值离散，通过求解可得到进风风流(02)以及煤流(04)各个节点处的温度，从而实现对高温矿井运煤巷(01)内风流温度以及煤流温度的计算预测。