Совершенствование средств измерения аэродинамических параметров вентиляционных систем

Актуальность работы.

Проветривание является основным средством нормализации атмосферы при подземных горных работах. Вентиляционная система угольных шахт представляет собой сложную аэродинамическую систему, параметры которой нестационарны во времени и изменчивы в пространстве. При недостаточном проветривании и перемешивании газовоздушных потоков могут возникать взрывоопасные концентрации метана, в то же время увеличение скорости воздуха выше определенного уровня приводит к созданию условий, не удовлетворяющих санитарным требованиям. В связи с этим Правилами безопасности регламентируется систематический контроль параметров вентиляции, в частности, скоростей и расходов воздушных потоков.

В связи со спецификой работы приборов в шахтах к средствам контроля расходов и скоростей воздушных потоков предъявляется ряд требований, таких, как точность, безынерционность, чувствительность, широкий динамический диапазон, надежность работы в шахтной среде и ряд эргономических требований. Анемометры, использующиеся в настоящее время для контроля проветривания шахт, не могут обеспечить контроль, предусмотренный Правилами безопасности в силу противоречивости принципов, заложенных в основе их действия. Поэтому разработка и совершенствование акустического способа измерения скоростей воздушных потоков и новых средств его реализации являются актуальной научной задачей.

Цель диссертационной работы заключается в установлении зависимости акустического давления на приемном преобразователе акустического анемометра от конфигурации анемометрического канала и от параметров шахтной атмосферы для совершенствования акустического анемометра как средства, обеспечивающего надлежащее качество измерения скорости и расхода воздуха в соответствии с требованиями санитарии и безопасности.

Основная идея состоит в том, чтобы путем снятия допущений (о бесконечно тонких стенках), применяющихся в предыдущих моделях аэроакустического взаимодействия в анемометре, разработать модель, учитывающую реальную конфигурацию анемометрического канала.

Основные научные положения, разработанные лично соискателем и новизна.

• Разработанная модель аэроакустического взаимодействия в анемометрическом канале позволяет повысить точность и надежность измерения параметров атмосферы, в значительной мере определяющих возможность обеспечения санитарно-гигиенических нормативов воздуха рабочей зоны.

• Аэроакустическое взаимодействие в реальном акустическом анемометре описывается дифференциальным уравнением в частных производных гиперболического типа с граничными условиями для колебательной скорости на стенках волновода, впервые учитывающими толщину стенок анемометра.

• Акустическое давление на приемном преобразователе анемометра включает в себя значения коэффициентов отражения и трансформации нормальных мод на открытых концах анемометрического канала со стенками конечной толщины при наличии потока. Их величины могут быть с достаточной степенью точности определены, как решение линейной неоднородной системы алгебраических уравнений.

• Использование в алгоритме работы анемометра величин суммы и разности фаз акустических сигналов, распространяющихся по и против контролируемого потока, позволяет исключить зависимость показаний анемометра от изменений параметров шахтной атмосферы (температуры, давления, влажности, газового состава) и, тем самым, повысить точность и надежность измерения скоростей и расходов воздуха в шахтных выработках. Новым является учет модового волноводного распространения акустических волн в анемометрическом канале. • Алгоритмы и программы численного моделирования позволяют оценить влияние толщины стенок на характеристики акустических анемометров и проектировать анемометры, отвечающие требованиям обеспечения безопасности подземных горных работ.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются.

1. совпадением результатов моделирования акустического поля в анемометрическом канале в предельном случае равенства внутреннего и внешнего радиусов с аналогичными результатами, приведенными в работах Л. Вайнштейна и Б. Нобла;

2. совпадением теоретической и экспериментальной временных зависимостей сигнала на приемном преобразователе для импульсного режима работы анемометра (с учетом задержки времени на преобразователях 0.2 мс, расхождение зависимостей в рабочей области не.

• превышает 8%).

Научное значение диссертации заключается в установлении зависимости акустического давления на приемном преобразователе от геометрических параметров анемометрического канала и аэродинамических параметров среды, а также зависимостей коэффициентов отражения и трансформации нормальных мод на конце анемометрического канала, имеющего конечную толщину, от скорости потока и параметров волновода, таких, как внутренний радиус, толщина стенок, длина волны.

Практическая ценность работы заключается в разработке программы, позволяющей моделировать характеристики акустического анемометра, варьируя его параметрыв разработке методики измерения акустическим анемометром скорости и расхода воздушного потока в шахтных условиях.

Реализация выводов и рекомендаций работы.

Разработанная модель аэроакустического взаимодействия в анемометрическом канале использовалась при проектировании экспериментальных образцов акустического анемометра для угольной промышленности типа АПА, выпускающихся Московским заводом измерительной аппаратуры.

Апробация работы.

Основные положения диссертации докладывались на научном семинаре «Приборы и системы безопасности» («Неделя горняка» МГГУ 1999 г., 2001 г.), на Международной научно-практической конференции «Интеллектуальные электромеханические устройства и комплексы» (Новочеркасск, 2000 г.) — обсуждались на научных семинарах кафедры Электротехники МГТУ.

Публикации.

Результаты выполненных исследований опубликованы в 3 печатных работах. Объем работы.

Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы (65 наименований), приложения, содержит 20 рисунков, 119 страниц.

Заключение

.

Диссертация является квалификационной работой, в которой дано теоретическое обоснование и практическое решение актуальной для угольной отрасли задачи разработки и совершенствования акустического способа измерения скоростей воздушных потоков и новых средств измерения параметров вентиляционных систем в соответствии с нормами санитарии и безопасности.

Основные научные выводы и практические результаты заключаются в следующем:

1. Разработано описание аэроакустического взаимодействия в реальном анемометре (с учетом наличия фланцев, т. е. толщины его стенок), представляющее собой дифференциальное уравнение в частных производных гиперболического типа и граничные условия для колебательной скорости на стенках волновода.

2. Получено приближенное аналитическое решение поставленной краевой задачи, позволяющее учесть дифракцию акустического поля на концах первичного преобразователя анемометра с учетом толщины стенок.

3. Получены зависимости, описывающие влияние толщины стенки на • акустическое давление — информативный параметр в анемометрическом канале.

4. Разработаны алгоритмы и программы численного моделирования, позволяющие оценить влияние толщины стенок (до 40% внутреннего радиуса) на характеристики акустических анемометров и проектировать анемометры с заданными свойствами.

5. Предложен метод, позволяющий уточнить влияние скорости звука как функции атмосферных условий в шахте на показания анемометра, тем самым увеличить степень компенсации погрешности, связанной с колебаниями скорости звука, составляющими ±8 м/с, что приводит к уменьшению этой погрешности до 0.1%.

6. Разработана и апробирована методика определения средней скорости потока в выработке с помощью точечных измерений скорости в сечении выработки акустическим анемометром.

7. Использование предложенного устройства — акустического анемометра, разработанного с использованием новой, усовершенствованной модели аэроакустического взаимодействия в анемометрическом канале, позволяет улучшить качество анемометрического контроля, как в диспетчерском, так и в автоматизированном режиме, уменьшить вероятность превышения уровня концентрации метана допустимых Правилами безопасности пределов, а также обеспечить выполнение санитарных норм.