1、附录A复杂矿井相关参数的敏感性分析摘要基于5个矿井通风系统对分枝数，节点数，计算精度，气流速度，迭代初步价值等参数关系的研究，应用计算机数值试验方法分析矿井通风网络收敛性。结果表明，较高的计算精度大大影响了迭代次数。当解决一个复杂矿井的通风网络的精度高达10-6m3/s时，虽然运用高性能计算机但运行时间却很长。气流初始值在1-1000m3/s时，对迭代次数的影响很小。除此之外，网络结构对于迭代次序也有很小的影响。关键词：矿井通风；敏感性分析；数值试验；参数调整引言经过几十年的发展和应用，矿井通风网络分析已成为一项成熟可靠的技术。然而，在矿井通风系统中，一些重要参数的定量分析仍处于极端而没有被解
2、决。例如，当给出了计算的硬件、软件和它的计算方法时，改变一些参数如准确性，气流速度，树枝，节点数量和分支的阻值，并让它们处于最高和最低之间，其中像迭代次数，计算时间和网络分析这些参数之间的关系衔接方面都没有发现系统性的文献检索。解决这些问题对于网络分析，网络优化设计及矿井通风网络系统的调整无论在理论上还是在实践上都有重要的意义。一方面，如果初始的气流速度值的大小对网络分析影响不大，那么网络分析之前的工作可以简化。另一方面，在矿井通风的数字模型中，如果充分的重视分支阻力，而且网络分析可以照常工作，那么有可能把所有不确定的数据（包括一些未被发掘的不确定数据）放入电子文件中而且能够充分重视到未被发掘
3、的分支阻力。当这些不确定的因素被发掘，就有必要去修改他们以减少其在电子文件中的抗性。1 方法和调查事实1.1 计算条件为了探讨上述问题，选择了五个矿井的通风网络作为分析对象。在数字测试中，计算机、软件和计算方法的条件如下：(1)电脑和作业系统：普通的能兼容IBM的电脑，windows98系统。(2)迭代算法：哈代-交叉迭代。在哈代克洛斯的算术方法中，一些基本规律例如节点流量平衡、路端失衡、阿特金森定律等呗应用。迭代的运算公式可以写成如下形式：(1)这里Qk是每个封闭回路分支的风流速度误差值，单位为m/s；Ri是每个封闭回路分支的风阻，单位为NS2m-8；Qai是每个封闭回路中分支的风流流量，单
4、位为m3/s；Pfk是每个回路中的风压值（当风流方向为顺时针时为正值，否则为负值），单位为Pa；pvpk是一个封闭回路的自然风压，单位为Pa。ak是风流速率，经过对风机特性曲线求导而得出，k=1,2，M。M是独立回路的个数。b是一个封闭回路中的分支数目。1.2 网络分析软件及案例矿井网络分析软件是由笔者开发的。程序是用C+语言编写的。它的功能如下：数据处理、模拟风机特性曲线、错误信息提示、标明每个分支的风速、选择最小阻力路线、形成独立回路、进行风流速率迭代、计算每条分支的最大损失、处理漏风量、输出所有的计算结果和形成通风系统图。测试了五个实际的矿井通风网络技术参数，如表1。2测试数据结果影响通
5、风网络计算过程中迭代次数的因素有很多，如精度要求、网络的复杂程度、分之阻力的大小和已知的风速值。下面是主要数值测试结果的说明。表1 五个矿井通风网络参数的实测值Tab.1 Parameters of 5 mine ventilation networks for numerical test矿名分支个数节点数独立回路个数风机个数主扇压力/pa主扇风量/m3s-1等积孔面积/m2铜绿山矿417244174288471.32.85凤山铜矿189144762204659.11.55唐家湾矿12870591111796.53.44安庆铜矿100633832338131.73.24凡口矿10238454
6、7931602186.25.542.1 计算精度对迭代次数的影响因素凤山矿以通风网络数据为基础，通过改变计算精度，可以得到最小迭代次数。在计算过程，分析对象作为单一参数，试结果见表2，从中可以看出最大和最小的分支阻力分别为20和0.0056 NS2m-8。表2 风流量计算的准确性和迭代次数的关系Tab.2 Relationship between computation accuracy of airflow rate and iteration numberQ/m3s-1节点实际风流误差/m3s-1回路风流实际误差/m3s-1实际风压误差/pa实际迭代次数1.0000000.9809000.
7、8914006.551000190.1000000.0976600.0937603.390000440.0100000.0097620.0093040.036370720.0010000.0007100.0009660.0223501000.0001000.0000880.0001000.0006791420.0000100.0000100.0000100.000081830.0000010.0000040.0000180.00004710000从表2中可以得出以下结论：当风速度的精度要求不是太严格时，随着迭代次数的增加，风流速度的计算误差和压力损失随之减小。但是，当风流流速精度要求非常高(高
8、达10-6m3s-1)时，一个不寻常的现象就发生了，每个回路的迭代次数将会急剧增加（高达1000次）。对于非常复杂的通风网络，运行时间就会变得特别长，令人难以接受。与此同时，当Q10-5m3s-1时，所有节点的风流流量误差满足精度要求。根据实际需求，当实际风流流量的计算精度等于10-5m3s-1时，是一个考虑的误差传递合适的选择。它可以满足实际需求并且确保整个网络分析的运行速度。压力损失误差是所有参数中最大的，这是由于误差的传递和积累造成的。根据实验数值结果显示，Q对迭代次数的影响是显而易见的。2.2 气流速度对迭代次数的影响通过对网络计算的数值测试，不同气流速度的迭代次数列于表3。从表3中可
9、以看出，起初的风流速率对迭代次数的影响是非常微弱的。因此，任何给定的风流值除零之外，都可以应用，没有必要对风流的起初值进行谨慎的选择。2.3 通风网络复杂程度对迭代次数的影响通风系统的复杂程度可以表现为一些参数，例如节点数、分枝数、独立回路数、主扇数和矿井通风系统的构建情况。一个红系统中，节点数越多那么分支和独立回路数就越多，这个系统就越复杂。于此同时，随着限制条件的增加，迭代次数也随之增加。为了明确节点数、分支数和迭代次数之间的关系，进行了大量的数值测试（见表一）。表3 风流速度的初始值和迭代次数的关系Tab.3 Relationship between preliminary value
10、of airflow rate and iteration number风流初始值/m3s-1-5-1015100迭代次数187192无意义188180211为了比较实验结果中的所有元素，在数值测试中每个参数分别给出相同的数值。在给定的条件下（迭代次数为1000、迭代精度为10-5m3/s、初始气流速度为10.0m3/s）计算结果列于表4通过分析表4中的数据，我们可以得出一些结论。在给定参数条件下，网络计算结果满足的计算精度的要求，这表明该网络的计算是可行的，其结果满足工程要求。从迭代次数的观点，结果几乎与设计值相同，这表明同一给定参数，网络越复杂，迭代次数越多。凡口铅锌矿的通风网络是最复杂的
11、，分枝数超过了1000。实际节点风流误差仍然满足要求，但是实际回路风流速率和压力误差要比实际节点气流速率的误差要小。表4 5个矿的矿井通风网络计算Tab.4 Computation results of 5 mines ventilation networks矿名分支个数节点数实际迭代次数实际节点风流误/m3s-1回路风流误差/m3s-1回路压力损失误差/Pa安庆矿100631740.858 310-50.976 710-50.152 610-4铜绿山矿4172449720.953 710-50.986 810-50.207 310-3凤山矿1891441860.953 710-50.953
12、410-50.115 410-3唐家湾矿128701330.882 110-50.971 310-50.118 010-4凡口矿132384520000.953 710-50.221 510-20.456 710-2通过对表4中的数据的进一步分析，可以发现，对于一个实际的通风系统，网络里面的节点和分枝数越多，系统中的独立回路数就越多。然而，有一个异常情况，安庆矿的节点和分支数比唐家湾的要少，但是其迭代次数要多于后者。它可以由网络拓扑关系来解释。拥有相同的节点和分支数，而网络拓扑关系不同，那么网络的差别是巨大的。这无疑影响了网络计算的迭代次数。图一中给出了由六个分支和五个节点组成的几种不同形式的
13、网络结构。从图1中可以看出，对于一个只有六个分支和五个节点的简单的网络图，只对一个分支进行修改便派生出九个不同的网络图。随着分支和节点数目的增加，出现数以千计的网络结构，这将不可避免的影响到网络计算的迭代次数。图1 六个分支和五个节点组成的网络形式Fig.1 Patterns of network with 6 branches and 5 nodes3结论1)在做矿井通风网络分析时，每个分支的气流初始值（除零之外）对计算迭代次数的影响不大，通常情况下推荐的数值为10 m3s-1。2)在矿井通风网络分析中，给定的风流速率的计算精度对迭代次数影响比较大。当计算精度高达10-6m3s-1时，即使使
14、用高配置个人电脑，计算过程也无法再短时间内完成。推荐的气流速度是10-5m3/s。附录BSensitivity analysis of relevant parameters in complicated mine ventilation network by numerical testAbstractDepending on the numerical test approach on a computer, the relationships among relevant parameters,eg branch number, node number, mesh number, com
15、putation accuracy,preliminary value of airflow rate, iterationnumber, computation time and convergence in a mine ventilation network analysis, were investigated based on 5mine ventilation systems. The results show that a higher computation accuracy greatly influences the iteration num-ber. Whe n the accuracy reaches 10-6m3s-1for solving a complicated mine
