Pomiar prędkości powietrza przepływającego przez laboratoryjny model skrzyżowania ściany z chodnikiem nadścianowym dla potrzeb walidacji kodów CFD

Abstract

In this study results of the experimental and numerical research of the air flow through a system of T- -shape ventilation ducts have been presented. The laboratory model is a certain simplification of the system of the intersection of the long wall and the ventilation gallery. Simplifications refer both to the object's geometry such as the rectangular shape of the cross-section of the workings as well as the lack of elements constituting the long wall and heading equipment along with the air flow conditions such as the lack of air inflow from the goaf domain. The laboratory model consists of the inlet channel (the final part of the long wall), the cavity and the outlet channel (the ventilation gallery) at the end of which a fan has been installed. The aim of the conducted research is an attempt to evaluate the accuracy with which numerical simulations map the real flow. Velocity measurements have been conducted using the PIV method (Particle Image Velocimetry). The point of the measurement lies in the introduction of marker particles to the flowing fluid. Their movement is monitored by a CCD camera perpendicular to the illuminated plane. Digital registration and image correlation allows for the determination of the velocity vectors in the whole flow area. Numerical simulation of the air flow for identical conditions such as during experimental research has been carried out with the CFD methods (Computational Fluid Dynamics) and with the use of the FLUENT software. In the study two turbulence models have been tested: standard k-epsylon and the RNG k-epsylon model. Measurements have been conducted for an average flow velocity equal to 9,85 m/s, and so for Reynolds number equal to 148 600. The experimental results have been compared to the results of numerical simulations. The conducted research allows for evaluation of accuracy with which the numerical simulations map the real flow. The greatest differences between the measured and calculated velocity field occur in the cavity zone. In this part of the flow domain the standard k-epsylon model imitates the conditions of the real flow better than the RNG k-epsylon model. The velocity field at the beginning of the outlet channel is calculated with satisfactory accuracy, however, in the zone of the secondary flow differences between the measurements and calculations are meaningful. In this part of the flow domain the consistency of measurements and calculations is arrived at with the use of the RNG k-epsylon model.W pracy prezentowane są wyniki badań eksperymentalnych i numerycznych przepływu powietrza przez układ przewodów wentylacyjnych (wyrobisk) w kształcie litery T. Model laboratoryjny jest pewnym uproszczeniem układu wyrobisk skrzyżowania ściany z chodnikiem wentylacyjnym. Uproszczenia dotyczą zarówno geometrii obiektu jak i warunków przepływu. Stanowisko laboratoryjne składa się z kanału dolotowego (końcowy fragment ściany), wnęki i kanału wylotowego (chodnik wentylacyjny) na którego końcu zainstalowano wentylator pracujący w trybie ssącym. Celem przeprowadzonych badań jest próba oszacowania dokładności z jaką symulacje numeryczne odwzorowują przepływ fizyczny. Pomiary prędkości wykonywano metodą PIV (Particle Image Velocimetry). Istota pomiaru polega na statystycznym oszacowaniu ruchu cząstek wskaźnikowych wymieszanych z powietrzem, których ruch rejestrowany jest przez kamerę cyfrową. Cyfrowa rejestracja i korelacja obrazów cząstek umożliwia określenie składowych wektora prędkości w całym obszarze przepływu. Symulację numeryczną przepływu powietrza, dla warunków identycznych jak w badaniach eksperymentalnych wykonano metodą CFD (Computational Fluid Dynamics) przy użyciu programu FLUENT. W pracy testowano dwa modele turbulencji: standardowy k-epsilon i jego modyfikację model RNG k-epsilon. Pomiary wykonano dla średniej prędkości przepływu równej 9,85 m/s czyli przy liczbie Reynoldsa wynoszącej 148 600. Wyniki eksperymentalne porównano z wynikami symulacji numerycznych. Wykonane badania pozwalają na ocenę dokładności z jaką symulacje numeryczne odwzorowują przepływ rzeczywisty. Największe różnice między zmierzonym i obliczonym polem prędkości występują w strefie wnęki. W tej części obszaru przepływu model k-epsilon lepiej niż RNG k-epsilon przybliża warunki rzeczywistego przepływu. Pole prędkości w kanale dolotowym jak i na początku kanału wylotowego obliczane jest z zadawalającą dokładnością jakkolwiek w strefie przepływu wtórnego różnice pomiędzy pomiarami i obliczeniami są znaczące. Dobrą zgodność pomiarów z obliczeniami w tym fragmencie obszaru przepływu uzyskuje się przy użyciu modelu RNG k-epsilon