Validation of the Heat and Mass Transfer Model in the Atmosphere of a Horizontal Mine Working in the Presence of an Intense Heating Source

The paper describes a laboratory setup developed by the authors, which is a reduced physical model of a mine working and is intended to study the patterns of heat and mass transfer in horizontal and inclined mine workings in the presence of intense heating sources (exogenous fires). The parameters of the setup were substantiated based on scaling according to the Froude similarity criterion. The experimental measurements of the air flow parameters on the setup under the action of an intense heat source were used to validate the mathematical model of heat and mass transfer in a mine working. The mathematical model was based on the Reynolds-averaged continuity equations, Navier-Stokes, energy balance, and ideal gas state. The Realizable k-epsilon turbulence model was used to close the system of equations. The numerical implementation of the model was carried out in the Ansys Fluent software package using the finite volume method and the Simple algorithm for linking the velocity and pressure fields. A comparative analysis of the theoretical calculation results using the proposed model and the obtained laboratory experiment data showed acceptable agreement both at the qualitative and quantitative levels. In addition, the paper provides a comparative analysis of the heat and mass transfer calculation results in a mine working using the Realizable k-epsilon turbulence model with the calculations performed using two other turbulence models based on Reynolds averaging of air flow characteristics – SST k-omega and Reynolds stress model (RSM). It is shown that the Realizable k-epsilon and SST k-omega models are equally applicable for the theoretical analysis of heat and mass transfer processes in the laboratory setup under consideration, while the more complex RSM model has significant differences from the calculation data using the Realizable k-epsilon and SST k-omega models, as well as from the laboratory experiment data.

Валидация модели тепломассопереноса в атмосфере горизонтальной горной выработки при наличии интенсивного источника нагрева

Описан разработанный авторами лабораторный стенд, представляющий собой уменьшенную физическую модель горной выработки и предназначенный для исследования закономерностей тепломассопереноса в горизонтальных и наклонных горных выработках в условиях наличия интенсивных источников тепловыделения (экзогенных пожаров). Проведено обоснование параметров стенда, исходя из масштабирования по критерию подобия Фруда. Проведенные экспериментальные измерения параметров воздушного потока на стенде в условиях действия интенсивного источника тепловыделения использованы для валидации математической модели тепломассопереноса в горной выработке. Математическая модель основана на усредненных по Рейнольдсу уравнениях неразрывности, Навье – Стокса, баланса энергии, состояния идеального газа. Для замыкания системы уравнений использована модель турбулентности Realizable k-epsilon. Численная реализация модели осуществлялаcь в программном пакете Ansys Fluent с использованием метода конечных объемов, а также алгоритма Simple для связывания полей скорости и давления. Сравнительный анализ результатов теоретических расчетов на предложенной модели и полученных данных лабораторных экспериментов показал приемлемое соответствие как на качественном, так и на количественном уровнях. В дополнение к этому в работе проведен сравнительный анализ результатов расчета тепломассопереноса в горной выработке в рамках модели турбулентности Realizable k-epsilon модели с расчетами, выполненными в рамках двух других моделей турбулентности, основанных на усреднении характеристик воздушного потока по Рейнольдсу – SST k-omega и Reynolds stress model (RSM). Показано, что модели Realizable k-epsilon и SST k-omega в равной степени применимы для теоретического анализа процессов тепло- и массопереноса в рассматриваемом лабораторном стенде, в то время как более сложная модель RSM имеет значимые различия с данными расчетов на моделях Realizable k-epsilon и SST k-omega, а также с данными проведенного лабораторного эксперимента.