Computer simulation of flow of air and methane mixture in the longwall- return crossing zone

This paper investigates how the positions of jet fans, installed at the outlet ITom the longwall region, should affect the efficiency of methane rarefaction and removal ITom the area. The adequacy of the suggested solution is verified by numerical simulations supported by the programme FLUENT 6.1. The flow region comprising two crossing headings (Iongwall end section with the return airway) is shown in Fig. I. Methane inflow ITom the rock strata is modelled by assuming the appropriate boundary condition on one of the walls restricting the flow region. The potentials to reduce methane hazards by the use of free jet fans are explored. The fan WLE-603B is installed in the inlet cross-section of the niche (x = 5 m), in three positions: a) half-way the section width, 0.5 m from the roof b) in the upper corner ofthe inlet cross-section c) in the lower corner of the inlet cross-section and d) underneath the roof, at the distance x = 4 m from the niche front e) underneath the roof, at the distance x = 6 m from the niche front Fig. 5-6 and 7-8 show velocity fields and distributions of mass fractions of methane at selected cross-sections. The most favourable variants are those designated as b (Fig. 5, 7) and c and e, where the fan is positioned in the upper or lower corner of the inlet cross-section or when it is pushed into the through-flow stream. Registered differences between these solutions are minor and prove to be negligible in practical applications.

---

W pracy analizowano wpływ rozmieszczenia wentylatorów pomocniczych, instalowanych na wylocie ze ściany na możliwość rozcieńczania i usuwania metanu z tego rejonu. Skuteczność projektowanego rozwiązania oceniano drogą symulacji numerycznej. Obliczenia wykonano przy użyciu programu FLUENT 6.1. Obszar przepływu, składający się z dwóch krzyżujących się wyrobisk (sekcja końcowa ściany z chodnikiem nadścianowym) przedstawiono na rys. 1. Dopływ metanu z górotworu modelowano poprzez przyjęcie odpowiedniego warunku brzegowego na jednej ze ścian ograniczających obszar przepływu. Założono, że mieszanina powietrzno-metanowa jest gazem doskonałym i ściśliwym, dla którego znajduje zastosowanie równanie Clapeyron'a. Ruch mieszaniny jest ustalony zaś proces przebiega w warunkach izotermicznych. Rozważany problem opisany jest układem równań ciągłości (2) oraz Naviera-Stokesa, modelu k-E: i transportu składników chemicznych o postaci ogólnej (3) (FLUENT Inc., 2005). W otworach wlotowych zadawano stały strumień masowy zarówno dla powietrza jak i metanu. Kinetyczną energię turbulencji i szybkość dyssypacji tej energii wyliczano przy założeniu 10% intensywności turbulencji na wlocie. Udziały masowe poszczególnych składników mieszaniny gazowej wynosiły dla powietrza y Nz = 0.76; y Oz = 0.23 i Y HzO= 0.01 natomiast dla wlotu metanu Y c~ = 1.0. W przekroju otworu wylotowego zakładano, że ciśnienie jest wielkością stałą natomiast dla pozostałych zmiennych przyjmowano, że w kierunku przepływu at; = o . Przy opisie warunków przyściennych korzystano z klasycznego modelu ax funkcji ściany. W prezentowanych przykładach analizowano możliwość zmniejszenia zagrożenia metanowego przy użyciu wentylatora wolnostrumieniowego. Wentylator WLE-603B usytuowano w przekroju wlotowym do wnęki (x = 5 m) w trzech położeniach: a) w połowie szerokości w odległości 0.5 m od stropu, b) w górnym narożu przekroju wlotowego, c) w dolnym narożu przekroju wlotowego oraz d) pod stropem w odległości x = 4 m od czoła wnęki, e) pod stropem w odległości x = 6 m od czoła wnęki. Na rysunkach 5+6 i 7-8 przedstawiono odpowiednio obrazy pól prędkości oraz rozkłady udziałów masowych metanu w wybranych przekrojach. Najkorzystniejszymi rozwiązaniami z uwagi na możliwość rozcieńczania i usuwania metanu z rozważanego obszaru są warianty b (rys. 5,7), c i e, w których wentylator znajduje się w górnym lub dolnym narożu przekroju wlotowego bądź też przesunięto go w głąb strumienia obiegowego. Odnotowane różnice między tymi rozwiązaniami są nieznaczne a dla praktyki nieistotne. Najwyższe stężenia metanu występują gdy wentylator znajduje się we wnęce (wariant d, rys. 6, 8) jak również wtedy gdy jest zainstalowany pod stropem w połowie szerokości wnęki (wariant a). Obliczenia numeryczne odwzorowują również strefę przepływu wtórnego związaną ze zmianą kierunku przepływu prądu obiegowego a powstającą w wyniku oderwania strugi na krawędzi przecięcia się calizny ściany i ociosu chodnika nadścianowego.