Zoned Analytical Model for Airflow Temperature Rise in Spray- Insulated Three-Centered Arch Roadways with an Exposed Floor
تطور هذه الدراسة ويتحقق من صحة نموذج تحليلي مقسم إلى مناطق يتنبأ بدقة بارتفاع درجة حرارة تدفق الهواء في الأنفاق ذات الأقواس ثلاثية المركز المعزولة بالرش مع أرضيات مكشوفة، وذلك من خلال نمذجة مسارات انتقال الحرارة غير المتماثلة بشكل منفصل، مما يتيح الفرز السريع لمخططات التهوية والعزل رغم القيود المتمثلة في عدم القدرة على تمييز الفروق الطفيفة في الأداء بين تكوينات عزل محددة.
ملخص تقني: نموذج تحليلي مجزأ لارتفاع درجة حرارة تدفق الهواء في الطرق المفتوحة ذات القوس ثلاثي المركز والمعزولة بالرش
بيان المشكلة في المناجم المعدنية العميقة، تؤدي التدرجات الحرارية الجيولوجية العالية المدمجة مع الانبعاثات الحرارية من المعدات والأفراد إلى مخاطر حرارية شديدة، مما يقلل من كفاءة العمل ويزيد من مخاطر السلامة. وبينما يُعد العزل المطبق بالرش على جدران الطريق استراتيجية معترف بها لـ "تقليل الحرارة أولاً"، فإن قيود الإنشاء العملية غالباً ما تترك أرضية الطريق مكشوفة بسبب تحميل المركبات، وتجمع المياه، وأعمال الصيانة. تفشل النماذج الحرارية التقليدية عادةً في تمثيل ظروف الحدود غير المتماثلة للطرق الحقيقية (الأسقف والجدران الجانبية المرشوشة مقابل الأرضية المكشوفة)، حيث تفترض هذه النماذج تبادلاً حرارياً منتظماً عبر المحيط الكامل أو عزلاً كاملاً للمقطع العرضي. وهذا يؤدي إلى احتمال المبالغة في تقدير فوائد التبريد التي يمكن تحقيقها عن طريق العزل بالرش. وهناك نقص في النماذج التحليلية المجزأة القادرة على التحديد المنهجي لعنق الزجاجة في انتقال الحرارة الناتج عن الأرضية المكشوفة.
المنهجية تطور هذه الدراسة نموذجاً تحليلياً مجزءاً لارتفاع درجة حرارة تدفق الهواء في طريق ذي قوس ثلاثي المركز. يدمج هذا النهج العناصر التالية:
التكافؤ الهندسي: يتم تبسيط المقطع العرضي المعقد للقوس ثلاثي المركز إلى هندسة مكافئة هندسياً (قسم مستطيل سفلي وقوس دائري علوي واحد) لتحديد مساحة التهوية، والقطر الهيدروليكي، ومحيطات انتقال الحرارة المتميزة للمنطقة المرشوشة (السقف والجدران الجانبية) والأرضية المكشوفة.
آلية انتقال الحرارة المجزأة: يعامل النموذج المنطقة المرشوشة والأرضية المكشوفة كمسارات متوازية لانتقال الحرارة.
المنطقة المرشوشة: يتضمن انتقال الحرارة فيها التوصيل العابر في الكتلة الصخرية شبه اللانهائية، والتوصيل عبر طبقة العزل، والحمل الحراري عند الجدار.
الأرضية المكشوفة: يتضمن انتقال الحر الحر فيها فقط توصيل الصخور العابر وحمل الجدار، ويفتقر إلى مقاومة العزل.
معادلة الطاقة: تمت صياغة معادلة طاقة تدفق الهواء أحادية البعد، والتي تدمج مصادر الحرارة الخطية الإيجابية الموزعة (المعدات، الأفراد)، ومصادر الحرارة الخطية السالبة (الحرارة الكامنة للتبخر).
الحل التحليلي: من خلال ربط المقاومة الحرارية المعتمدة على الزمن للصخور مع توازن طاقة تدفق الهواء شبه المستقر، تستنتج الدراسة حلاً تحليلياً مغلق الصيغة لدرجة حرارة تدفق الهواء على طول المسار.
التحقق من الصحة: تم التحقق من صحة النموذج مقابل قياسات ميدانية من طريق منجم معدني بعمق 100 متر تحت ثلاث ظروف حدودية: عدم وجود عزل، رش السقف/الجدران الجانبية (الأرضية مكشوفة)، والرش بكامل المحيط.
النتائج الرئيسية
دقة النموذج: يعيد النموذج التحليلي إنتاج اتجاهات درجة الحرارة على طول المسار بدقة تحت جميع الظروف الحدودية الثلاثة. تتراوح قيم جذر متوسط مربع الخطأ (RMSE) للتنبؤ بدرجة الحرارة بين 0.062 درجة مئوية و0.097 درجة مئوية. كما يتنبأ النموذج بمساهمة الأرضية المكشوفة في إجمالي التدفق الحراري بانحراف قدره 1.8 نقطة مئوية فقط مقارنة بالبيانات الميدانية.
عنق زجاجة الأرضية المكشوفة: في ظل الحالة المرجعية (رش السقف/الجدران الجانبية)، تساهم الأرضية المكشوفة بنحو 67.9% من إجمالي تدفق الحرارة من الصخور المحيطة، لتصبح المسار الحراري المهيمن. وبناءً على ذلك، يحقق مخطط رش السقف/الجدران الجانبية 70.1% فقط من فائدة التبريد التي يوفرها الرش بكامل المحيط.
حساسية المعلمات: يصنف تحليل الحساسية العوامل المؤثرة على درجة حرارة المخرج كالتالي: سرعة تدفق الهواء > معدل تبخر الماء > طول الطريق > الموصلية الحرارية لمادة العزل > سمك الرش. يؤدي زيادة سرعة تدفق الهواء من 0.5 إلى 3.0 م/ث إلى خفض درجة حرارة المخرج بمقدار 4.482 درجة مئوية، وهو تأثير أكبر بكثير من التباينات في معلمات العزل.
العوائد المتناقصة: يؤدي زيادة سمك العزل أو خفض الموصلية الحرارية إلى عوائد هامشية متناقصة بمجرد أن تهيمن الأرضية المكشوفة على الحمل الحراري. على سبيل المثال، أدت زيادة سمك العزل من 5 سم إلى 20 سم إلى خفض درجة حرارة المخرج بمقدار 0.100 درجة مئوية فقط في ظل الظروف المرجعية.
محددات التحقق الميداني: بينما أكد النموذج آلية إعادة توزيع التدفق الحراري، أظهرت القياسات الميدانية أن الفرق في درجات الحرارة بين مخطط رش السقف/الجدران الجانبية ومخطط الرش بكامل المحيط كان أصغر من دقة جهاز قياس الحرارة. وبالتالي، بينما يدعم النموذج الآلية النظرية، فإن البيانات الميدانية وحدها لم تستطع تحديد الترتيب الدقيق لهذين المخططين دون قياسات متكررة وتحليل محدد لعدم اليقين.
الأهمية والادعاءات يدعي البحث توفير إطار نظري وأدلة مقاسة للتنسيق بين الرش العازل وتحسين التهوية في الطرق العميقة. وتكمن أهميته الأساسية في:
تمثيل واقعي للحدود: تجاوز افتراضات المحيط الكامل لنمذجة ظروف انتقال الحرارة غير المتماثلة بدقة، وهي الظروف الشائعة في الممارسات التعدينية.
أداة فحص سريعة: تقديم حل مغلق الصيغة يهدف إلى الفحص السريع للمخططات وتحليل حساسية المعلمات، بدلاً من التنبؤ عالي الدقة بمجالات الحرارة والرطوبة المحلية.
توجيه هندسي: إثبات أنه بينما يوفر رش السقف والجدران الجانبية جزءاً كبيراً من إمكانات التبريد، فإن الأرضية المكشوفة تعمل كعنق زجاجة حراري حرج. وتقترح الدراسة أن التصميمات الهندسية لا ينبغي أن تسعى بشكل أعمى وراء مواد ذات موصلية منخفضة للغاية أو سمك مفرط، بل يجب أن تأخذ في الاع الاعتبار تكاليف دورة الحياة والدور المهيمن لمسار حرارة الأرضية.
التصميم المنسق: التأكيد على ضرية وجوب تنسيق تحسين التهوية (سرعة تدفق الهواء) وتصميم العزل، حيث أن سرعة تدفق الهواء لها التأثير الأكثر مباشرة على ارتفاع درجة الحرارة، بينما يعمل العزل على تقليل الحمل الحراري للصخور عند المصدر.
يخلص المؤلفون إلى أن النموذج يعد أداة عملية للاختيار الأولي للمخططات وفهم آلية التدفق الحراري المجزأ، رغم أنه يعتمد على معلمات مرجعية محددة ويتطلب إعادة معايرة لظروف المشاريع المحددة.