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第一篇 矿井通风三维仿真理论与矿用空气幕理论发展1

0矿井通风仿真理论与矿用空气幕理论发展概述1

0．1矿井通风仿真技术发展1

0．1．1矿井通风仿真的基本内涵1

0．1．2矿井通风仿真系统国内外研究现状2

0．1．3矿井通风仿真系统可视化技术发展2

0．1．3．1可视化技术简介2

0．1．3．2可视化技术发展现状3

0．1．4基于仿真系统的通风技术研究现状4

0．1．4．1网络自然分风研究现状4

0．1．4．2网络调节与通风系统优化研究现状4

0．1．4．3固定半割集条件下的按需分风5

0．1．4．4风网特征图研究现状5

0．1．4．5角联结构研究现状5

0．2矿用空气幕技术理论研究与应用现状概述6

0．2．1矿井风流控制技术研究现状6

0．2．2矿用空气幕技术研究现状10

第二篇 矿井通风三维仿真理论与应用15

1金川矿井通风仿真数学模型15

1．1矿井风流状态仿真数学模型15

1．2矿井通风网络仿真数学模型16

1．3通风网络风流分配仿真数学模型17

1．4通风网络优化调节仿真数学模型17

1．4．1网络优化调节仿真目标函数17

1．4．2矿井功耗最小调节仿真数学模型18

1．5角联风路自动识别仿真数学模型19

1．6通风网络简化仿真数学模型21

1．7最大通风能力仿真数学模型22

1．7．1单一源汇网络与半割集22

1．7．2极值流目标函数23

1．7．3基于最大通风能力的独立通路法与通路法23

1．7．3．1基于最大通风能力的独立通路的概念及其算法23

1．7．3．2独立通路法确定网络的极值流程序模块24

2矿井通风系统三维仿真总体设计与三维仿真建模26

2．1三维仿真系统发展26

2．1．1计算机图形学的发展26

2．1．2三维计算机图形学方法及应用27

2．1．2．1三维建模技术27

2．1．2．2三维造型技术27

2．1．2．3三维图形变换27

2．2矿井通风三维仿真系统总体设计28

2．2．1系统数据结构设计28

2．2．1．1系统数据模型28

2．2．1．2系统数据流29

2．2．2系统总体功能结构设计29

2．2．3系统主要功能30

2．2．3．1系统的三维自动构建30

2．2．3．2图形的三维显示30

2．2．3．3风流动态模拟31

2．2．3．4图属三维交互查询31

2．2．4矿井通风系统三维仿真构建技术路线31

2．3基于通风仿真的矿井通风系统普查32

2．3．1矿井通风系统普查的目的32

2．3．2矿井通风系统普查的项目32

2．4基于矿井通风仿真的矿井通风系统参数测试33

2．4．1通风阻力系数测试33

2．4．1．1通风阻力系数测试的目的和意义33

2．4．1．2通风阻力系数测试的内容33

2．4．1．3通风阻力系数测试准备34

2．4．1．4通风阻力系数测试步骤34

2．4．1．5通风阻力系数测试模型35

2．4．1．6通风阻力系数测试方法36

2．4．2基于矿井通风仿真的风机性能测试38

2．4．2．1风机性能测试的目的和任务38

2．4．2．2风机性能测试方案和方法40

2．4．2．3风机性能测定数据整理和计算40

2．4．3基于矿井通风仿真的巷道断面与风速、风量测定43

2．4．4矿井通风系统评价指标模型43

2．4．5基于矿井通风仿真的通风构筑物测试44

2．5矿井通风系统三维仿真建模45

2．5．1通风系统三维仿真建模的基本思想45

2．5．2通风网络三维建模45

2．5．2．1建模方法和流程45

2．5．2．2截面形状、草图平面和草图坐标的确定45

2．5．2．3两分支巷道接口问题的研究46

2．5．3通风参数自动标注的方法研究46

2．5．3．1竖井风向箭头的三维建模47

2．5．3．2斜井风向箭头的三维建模47

2．5．3．3巷道风向箭头的三维建模47

2．5．3．4通风参数自动标注模块的实现48

2．6矿井通风系统三维仿真文档创建48

2．6．1矿井通风三维仿真系统数据库设计49

2．6．1．1数据库技术与面向对象技术49

2．6．1．2系统属性数据及管理方式选择50

2．6．1．3程序设计原理50

2．6．2矿井通风三维仿真系统图的录入55

2．6．2．1巷道的录入56

2．6．2．2插入节点57

2．6．2．3绘制构筑物57

2．6．2．4绘制通风动力装置57

2．6．2．5绘制风流方向57

2．6．3三维通风仿真系统图的拓扑关系修改58

2．6．3．1巷道方向的修改58

2．6．3．2系统图简化与取消简化59

2．6．4三维仿真系统图的检验60

2．7矿井通风机应用仿真系统构建62

2．7．1系统组成及功能62

2．7．1．1基础参数设置62

2．7．1．2仿真控制63

2．7．1．3系统性能分析64

2．7．2程序设计65

2．7．2．1数据存取管理设计65

2．7．2．2可视化操作界面设计66

2．7．2．3特性曲线回归分析处理66

2．7．2．4曲线动态绘制66

2．7．2．5同步机制和接口66

2．7．3结论66

2．8网络属性数据查询与编辑67

2．8．1巷道属性数据查询和编辑67

2．8．2节点属性数据查询和编辑67

2．8．3构筑物属性数据查询和编辑67

2．8．4仿真系统中通风动力装置查询和编辑68

3矿井通风三维仿真系统MVSS3．0的主要功能构架70

3．1矿井通风三维仿真模拟系统MVSS3．0主要功能构架设计70

3．1．1矿井通风十二大仿真功能模块设计70

3．1．2矿井通风三维仿真模拟系统MVSS3．0三要素设计模块70

3．1．3矿井通风仿真系统功能设计与其他同类产品的比较71

3．2矿井通风三维仿真系统主要功能构建体系72

3．2．1模拟评价通风系统设计或通风技术改造方案72

3．2．2模拟验证新增或拆除通风设备或通风构筑物情况72

3．2．3模拟通风系统现状或“三区”匹备状况73

3．2．4模拟巷道断面规格、支护类型变化及风路增减阻调节情况73

3．2．5按需调节仿真功能73

3．2．6可视化仿真功能73

3．2．7矿井通风系统综合分析与评价功能73

3．2．8自动生成各种分析报告74

3．2．9鼠标右键功能74

3．2．10其他绘图、辅助工具及帮助功能75

3．3矿井通风仿真系统功能仿真75

3．3．1典型通风仿真系统模型构建75

3．3．2矿井通风仿真系统功能仿真80

3．3．2．1仿真模拟新掘井巷的贯通和报废80

3．3．2．2仿真模拟井巷断面或长度变化81

3．3．2．3仿真模拟巷道冒落、杂物堵塞82

3．3．2．4模拟通风构筑物的个数、位置、调节量83

3．3．2．5模拟通风动力设备的数量、位置和特性，井下多级机站通风84

3．3．2．6网络风流按需分配仿真85

3．3．2．7网络调节节点法87

3．4矿井通风仿真系统MVSS功能模拟举例90

3．4．1原始数据90

3．4．2仿真模拟增加或删除风路对周围风路的影响91

3．4．2．1仿真模拟增加风路对周围风路的影响91

3．4．2．2仿真模拟删除风路对周围风路的影响91

3．4．3仿真模拟机站位置的变化对周围风路的影响92

3．4．3．1拆除地面主扇，在1150水平回风道设井下机站，且不加调节92

3．4．3．2拆除地面主扇，在1150水平回风道设井下机站，并加调节92

3．4．4模拟评价某矿井主回系统通风技术改造方案的可行性93

3．4．4．1技术改造方案93

3．4．4．2仿真模拟93

3．4．5模拟1300m、1350m两机站移位与西主扇停开效果，并从中给出解决方案95

3．4．6仿真模拟矿用空气幕设置方案对通风系统的影响97

3．4．6．1仿真模拟矿用空气幕引射风流替代机站现场方案97

4基于仿真的通风网络拓扑关系的自动构建技术100

4．1矿井通风系统拓扑关系100

4．1．1矿井通风系统拓扑关系的概念100

4．1．2矿井通风系统拓扑关系的表表示100

4．1．3矿井通风系统拓扑关系特点100

4．1．3．1巷道与节点之间的关系直接影响仿真结果101

4．1．3．2巷道与构筑物101

4．1．3．3巷道和通风动力装置101

4．1．3．4巷道与风流方向101

4．2矿井通风系统拓扑关系可视化程序实现机制101

4．2．1巷道与节点101

4．2．2巷道与构筑物和通风动力装置102

4．2．3巷道与风流方向102

4．3拓扑关系可视化程序设计103

4．3．1巷道类与节点类103

4．3．2巷道类和构筑物类或通风动力装置类103

4．3．3巷道类和风流方向类104

4．4通风网络拓扑关系自动建立与维护104

4．5矿井通风网络拓扑分析和数据分析109

4．5．1网络拓扑分析109

4．5．1．1进风井和出风井109

4．5．1．2图的连通性109

4．5．1．3单向回路110

4．5．1．4风流反向巷道110

4．5．2数据分析111

4．5．2．1固定风量巷道111

4．5．2．2测试风量巷道111

4．5．2．3调节风阻巷道112

4．5．2．4最大阻力路线112

4．5．2．5误差分析112

5基于仿真的通风网络自动简化技术与应用114

5．1通风网络自动简化程序设计114

5．1．1通风网络自动简化程序设计框图114

5．1．2通风网络自动简化技术114

5．1．3通风网络自动简化实例116

5．2通风网络简化与参数等效变换117

5．2．1通风网络串联、并联与角联等效参数变换117

5．2．2 ？型与Y型网络的非等效变换118

5．3网络简化实现Q-H平衡图的层次性118

6矿井风机站对旁侧风路的影响研究121

6．1井下机站对旁侧风路的影响原理121

6．2并联网络上的机站容易导致扇风机工况不稳121

6．3用矿井通风仿真系统模拟运算机站对旁侧风路的影响122

6．3．1用模拟运算验证井下机站对旁侧风路的影响122

6．3．2用MVSS3．0模拟运算验证风路风阻对风流方向的影响123

6．4防止旁侧风路风流反向的措施分析124

6．4．1旁侧风路设置机站消除循环风124

6．4．2循环体外设置机站消除循环风125

6．4．3某矿井通风网络旁侧风路风流分析126

7矿井风网特征图数学模型研究127

7．1矿井风网特征图研究现状127

7．2矿井风网特征图的概念127

7．3风网特征图的五线模型128

7．3．1节点线128

7．3．2回路线129

7．3．3通路线129

7．3．4割集线130

7．3．5风阻特性曲线130

7．4风网特征图——平衡图绘制机制130

7．4．1确定网络节点的纵坐标130

7．4．2用深度优先搜索法搜索从源点到汇点的通路131

7．4．3将通路中风量最小的分支的风量定义为该通路的宽度131

7．4．4对通路分支进行着色131

7．4．5通路作交集运算131

7．4．6确定矩形块左下角点坐标131

7．4．7确定矩形块右上角点坐标132

7．4．8以此类推直到所有分支各就各位132

7．5．立体网络的风网特征图132

7．6含有角联分支的通风网络平衡图研究133

7．6．1角联分支的不稳定性133

7．6．2通风网络平衡图研究134

7．7风网特征图的功能135

7．8矿井风网特征图可视化研究137

8基于通风仿真的通风网络风流分配算法及基本定律141

8．1通风网络风流分配研究现状141

8．2基于通风仿真的通风网络——串并联风网特性141

8．2．1串联风网特性141

8．2．1．1串联风网计算模型141

8．2．1．2串联风路等效阻力特性曲线的绘制142

8．2．2基于通风仿真的并联风网特性142

8．2．2．1并联风网计算模型142

8．2．2．2并联风路等效阻力特性曲线的绘制143

8．3基于通风仿真的通风网络解算数学模型144

8．3．1通风网络图的绘制原理144

8．3．2矿井通风网络图及其表示方法145

8．3．2．1矿井通风网络图145

8．3．2．2矿井通风网络图的表示法145

8．3．3通风网络图的绘制、解算和数据管理一体化模块146

8．3．3．1系统的总体模块设计146

8．3．3．2系统中主要功能模块的实现146

8．3．4基于通风仿真的通风网络解算的基本定律147

8．3．4．1矿井风量守恒定律147

8．3．4．2闭合回路能量守恒定律148

8．3．4．3矿井通风阻力定律149

8．3．4．4回路风压平衡定律149

8．3．4．5节点风压法的基本原理149

8．3．4．6拟线性法解法151

8．4基于通风仿真的通风网络风流分配算法152

8．4．1 Barczyk法152

8．4．2 Cross法154

8．5基于通风仿真的分流算法中的一些具体问题156

8．5．1基准分支的拟定与迭代处理156

8．5．2通风机械特性曲线的处理156

8．5．3分流算法评估156

9矿井通风机可视化仿真构建158

9．1矿井通风机可视化仿真的意义158

9．2矿井通风机运行特性158

9．2．1通风机的工作特点158

9．2．2通风机性能模型159

9．2．2．1通风机风压模型159

9．2．2．2通风机风量模型160

9．2．2．3通风机功率模型160

9．2．2．4通风机效率模型161

9．2．2．5空气密度模型161

9．3通风机的特性曲线和网路性能曲线162

9．4矿井通风机可视化仿真的功能162

9．4．1虚拟通风机的建立162

9．4．2通风机个体特性化-参数初始化163

9．4．3通风机性能测试数据处理165

9．4．4风机性能曲线的绘制及相关操作166

9．4．5通风机性能分析和工况分析167

9．4．6仿真控制170

9．5风机可视化程序设计170

9．5．1总体设计170

9．5．2数据存取管理设计170

9．5．2．1数据存取管理方式的选择171

9．5．2．2数据库及访问技术的选择173

9．5．3数据库的设计173

9．5．3．1概念结构设计173

9．5．3．2逻辑结构设计174

9．6特性曲线的自动绘制和性能分析程序设计178

9．6．1坐标系统的建立178

9．6．1．1 VC ＋＋中坐标系统178

9．6．1．2坐标系统的设计179

9．7矿井通风机可视化仿真研究结论180

10通风网络单向回路关键技术182

10．1通风网络单向回路问题的提出182

10．2含有单向回路的通路算法183

10．2．1通路矩阵183

10．2．2无单向回路的通路矩阵算法185

10．2．3含有单向回路的通路矩阵算法存在的问题187

10．3有向图深度优先搜索188

10．3．1有向图中任意两节点之间的正向深度优先搜索188

10．3．2有向图中任意节点的深度优先遍历搜索191

10．3．3搜索策略与退栈策略191

10．4无向图深度优先搜索192

10．5深度优先搜索法确定流体网络的全部通路193

10．6有向宽度优先搜索194

10．7深度优先搜索法确定含有单向回路的通风网络的全部通路195

10．8避免单向回路出现或减少单向回路影响程度的方法探讨197

10．8．1优化矿井机站位置197

10．8．2在旁侧风路或循环体外增设机站197

10．8．3网络优化调节减少循环风的影响197

10．9含有单向回路的风网平衡图绘制方法198

10．10单项回路算法结论199

10．10．1深度优先搜索法确定含有单向回路的通路矩阵200

10．10．2含有单向回路时的流体网络平衡图绘制200

11基于仿真的通风网络角联结构自动识别技术与应用201

11．1角联结构研究现状201

11．2角联通风网络稳定性与利弊分析201

11．2．1角联风路与非角联风路稳定性分析201

11．2．2角联网路的利弊性分析203

11．3角联分支的定义与性质203

11．4角联网络θ结构七元组205

11．5基于通风仿真的通风网络角联结构算法206

11．5．1通路法206

11．5．2路径法209

11．6角联分支的风向判别211

11．7角联分支对通风系统可靠度的影响214

11．7．1角联分支的多少对通风系统可靠度的影响214

11．7．2角联分支可靠度大小对通风系统可靠度的影响214

11．8角联风路自动识别与分析实例215

11．9角联风路治理技术216

11．9．1系统分析216

11．9．2治理步骤和调整方案217

11．9．3角联风路治理技术217

11．10角联结构的可视化218

12基于仿真系统的自然风压研究概论219

12．1自然风压研究的意义219

12．2自然风压研究现状219

12．3自然风压的概念和实质220

12．3．1自然风压的概念220

12．3．1．1自然热位差221

12．3．1．2水平气压差221

12．3．1．3大气自然221

12．3．2自然风压的实质222

12．4基于仿真系统的自然风压分析方法222

12．4．1自然风压分析方法一222

12．4．1．1黏性流体运动模型222

12．4．1．2黏性流体微元流束伯努利方程222

12．4．1．3黏性流体总流的伯努利方程224

12．4．1．4用平均密度求解自然风压227

12．4．2基于仿真系统的自然风压分析方法二228

12．4．2．1热力学第一定律228

12．4．2．2气体稳定流动的能量方程式229

12．4．2．3对流换热模型231

12．4．2．4对水平巷道自然风压能量的研究232

12．4．2．5对存在高差巷道自然风压能量的研究232

12．5某矿井自然风压的计算及其规律235

12．5．1基于仿真系统的自然风压的计算235

12．5．2基于仿真系统的自然风压的变化规律与特性240

12．6自然风压对网络分流的影响241

12．6．1网络分流预处理241

12．6．2有自然风压影响下的计算242

12．7四季自然风压的影响247

12．7．1夏季不稳定分支风流反向判别式247

12．7．1．1 14平硐风流停滞或反向的条件判别式247

12．7．1．2 14平硐和24平硐风流同时反向的判别式248

12．7．2冬季不稳定分支风流反向判别式248

12．7．2．1 24平硐风流停滞或反向的条件判别式248

12．7．2．2 24平硐风流反向，35风流停滞或反向的判别式249

12．8自然风压研究结论249

13矿井通风仿真系统可视化研究251

13．1可视化技术发展及矿井通风系统可视化研究现状251

13．1．1可视化简介251

13．1．2可视化技术研究和应用现状252

13．1．3矿井通风仿真系统可视化发展现状及可视化方法252

13．2矿井通风仿真系统可视化253

13．3矿井通风仿真系统可视化需求分析253

13．4矿井通风仿真系统可视化程序设计原理255

13．4．1对象的划分与类的设计255

13．4．2可视化图形对象类设计256

13．4．3矿井通风仿真系统可视化属性数据设计和管理258

13．4．4程序主框架设计259

13．5矿井通风仿真系统可视化主要实现功能设计原理260

13．5．1矿井通风系统图的录入和修改260

13．5．2矿井通风系统属性数据查询和编辑260

13．5．3通风动力装置可视化260

13．5．4固定宽度双线表示巷道交点坐标自动计算和双线自动消隐261

13．5．5矿井通风网络拓扑关系自动建立和管理261

13．5．6风流分配可视化261

13．6矿井通风可视化系统和仿真系统之间通信262

13．6．1角联风路可视化262

13．6．2按需调节可视化262

13．6．3反向巷道可视化264

13．6．4仿真系统基础数据检查可视化264

13．6．5矿井通风仿真系统分析可视化264

13．6．5．1网络解算误差可视化分析264

13．6．5．2功耗误差分析报告265

13．6．5．3矿井通风系统合理性初步分析265

13．6．6矿井通风系统可靠性和灵敏度仿真266

第三篇 矿用空气幕技术理论研究与应用267

14矿用空气幕的结构及功能267

14．1矿用空气幕的概念与结构267

14．1．1矿用空气幕的概念267

14．1．2矿用空气幕的结构267

14．2矿用空气幕功能267

14．3空气幕安装布置形式及运行取风方式268

14．3．1布置形式268

14．3．2取风方式268

14．4结论269

15矿用空气幕隔断风流替代风门理论模型的研究271

15．1单机空气幕隔断风流有效压力理论模型271

15．1．1单机空气幕隔断风流的理想流体流动模型271

15．1．2单机空气幕隔断风流的实际风流流动模型272

15．1．2．1循环型单机空气幕隔断风流的实际风流流动模型272

15．1．2．2非循环型单机空气幕隔断风流的实际风流流动模型273

15．2多级并联空气幕隔断风流流动模型274

15．2．1多机并联空气幕隔断风流的理想风流流动模型274

15．2．2多机并联空气幕隔断风流的实际风流流动模型274

15．2．2．1循环型多机并联空气幕隔断风流的实际流动模型274

15．2．2．2非循环型多机并联空气幕隔断风流的实际有效压力275

15．2．3空气幕阻隔风流能力的影响因素分析276

15．2．4结论278

16空气幕增阻调节风流替代风窗理论模型研究279

16．1单机空气幕增阻调节风流替代风窗理论模型279

16．2多机并联空气幕增阻调节风流替代风窗理论模型281

17空气幕引射风流替代机站理论模型研究283

17．1单机空气幕引射风流理论模型研究283

17．2多机并联空气幕引射风流理论模型284

17．2．1多机并联空气幕的能量损失284

17．2．2多机并联空气幕引射风流的流动模型284

17．3空气幕引射风流能力的影响因素分析286

17．4结论288

18引射型或隔断型空气幕特性数值分析与试验研究289

18．1空气幕隔断风流理论的数值分析289

18．1．1 ΔH（n）＝f（Qc，n）函数289

18．1．2 ΔH（n）＝f（Qc，Sc）函数290

18．1．3 ΔH（n）＝f（Qc，Rc）函数290

18．2空气幕引射风流理论的数值分析291

18．2．1单机空气幕理论模型处理与分析291

18．2．1．1 Q＝f（ΔH，R）函数291

18．2．1．2 Q＝f（ΔH，Sc）函数292

18．2．2多机空气幕理论模型处理与分析292

18．2．2．1 Q＝f（ΔH，n）函数292

18．2．2．2 Q＝f（ΔH，R）函数293

18．2．2．3 Q＝f（ΔH，Sc）函数294

18．3结论294

19矿用空气幕引射、隔断、增阻三大理论的应用研究296

19．1矿用空气幕隔断风流替代风门的现场应用研究296

19．1．1矿用空气幕隔断风流现场应用条件296

19．1．2空气幕现场应用试验方案及空气幕选型297

19．1．3空气幕现场应用结果与分析298

19．1．3．1试验研究内容及方法298

19．1．3．2现场测试结果与分析298

19．1．4结论300

19．2矿用空气幕引射风流替代机站的现场应用研究301

19．2．1主斜坡道空气幕引射风流替代风机动力的研究301

19．2．1．1基本情况及研究意义301

19．2．1．2试验方案及空气幕选型301

19．2．1．3试验结果与分析302

19．2．1．4本节结论304

19．2．2空气幕替代风机站的现场应用研究304

19．2．2．1技术方案及空气幕选型305

19．2．2．2现场试验研究内容及方法306

19．2．2．3试验结果及分析306

19．2．2．4本节结论308

19．3矿用空气幕增阻替代风窗的现场应用试验研究308

19．3．1现场应用研究的条件及意义308

19．3．2技术方案及空气幕选型309

19．3．3现场试验研究及方法310

19．3．4试验测试结果与分析310

19．3．4．1控制主斜坡道的进风量310

19．3．4．2防止主斜坡道结冰311

19．3．5本节结论311

19．4矿用空气幕现场应用研究总结论311

19．4．1主要结论311

19．4．2主要技术创新点313

参考文献314