煤仓清堵空气炮喷爆关键参数数值模拟

作者:金永飞;赵先科;李海涛;葛向丽 刊名:煤矿安全 上传者:王康

【摘要】为了确定煤仓清堵过程中空气炮最佳初始压力,建立了空气炮喷爆数学模型,针对不同工况确定了相应的边界条件和初始条件;采用Fluent软件对初始压力0.4~0.8 MPa下的喷爆过程进行数值模拟,得到了空气炮开启后不同时刻压力、速度云图及变化曲线。分析结果表明:在系统承压范围内,初始压力越高,空气炮的冲击力越大,清堵效果越明显。当工作压力为0.8MPa时,清堵效果最好。

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井下煤仓是联系各生产环节的重要枢纽,一旦发生故障会造成整个工作面或采区甚至全矿井的停产。煤仓在使用中最主要的故障是堵塞事故,处理起来耗工费时[1]。近年来随着空气炮的研究与开发[2-7],逐渐成为煤仓清堵的首选。但是,目前对于空气泡的喷爆过程尚未涉及。空气炮是在0.4~0.8MPa的初始压力下以突然喷出的强烈气流,以几马赫的速度直接冲击静止的物料层。因此,从压缩气体膨胀的原理出发,采用Fluent软件对0.4~0.8MPa的各个工作压力下的高度压缩流体的复杂流动进行模拟,将模拟结果对比分析后得到空气炮最佳工作压力。1空气炮喷爆过程数学模型空气炮喷爆过程可视为理想气体在喷管内的绝热流动过程[8],满足能量守恒方程、动量守恒方程和湍流方程[9]。1)能量守恒。空气炮喷爆时,喷爆口空间足够大,因而空气炮内流体阻力损失可以忽略,假设空气炮内气体密度恒定,根据流体力学可知,喷爆气体流动过程满足可压缩空气的绝热变化能量方程:Kk-1p11+v212g=kk-1p22+v222g(1)式中:p1,p2分别为空气炮内的气体压力和大气压力;1,2分别为空气炮内压缩气体密度和空气密度;K为空气的绝热常数;v1、v2分别为空气炮内和喷管的出口速度;g为重力加速度。2)动量守恒。空气炮的喷爆过程满足牛顿第二定律,根据这一定律可推出x、y方向上的动量方程分别为:(ux)t+(uxu)=-px+xxx+yxy+fx(uy)t+(uyu)=-py+xyy+yyy+fy(2)式中:fx、fy分别为x、y方向上的单位质量力;ux、uy分别为x、y方向上珗u的速度分量;p为流体微元的压强;xx、xy分别为微元表面上黏性力的分量;为流体密度。3)湍流方程。空气炮喷爆气体的流动过程为湍流,满足湍流动能输送方程:t(k)+xi(kui)=xj[(u+uk)kxj]+ck+cb--ym+sk(3)湍流耗散率输送方程:t(k)+xj(ui)=xj[(u+u)xj]+c1k(ck+c3cb)-c22k+s(4)式中:为流体密度;k为湍动能;为耗散率;u为湍流流体速度;ck、cb分别为由层流速度梯度产生的湍流动能和由浮力产生的湍流动能;ym为可压缩湍流中过渡的扩散产生的波动;c1、c2、c3为常量,k、分别为湍动能和耗散率对应的prandtl数;sk、s为自定义源项。2物理模型与边界条件2.1物理模型选用KT-75-D型空气炮,容量75L,炮体长980mm,空气炮内径412mm,喷管通径100mm。该型空气炮可以看作是圆柱形的对称结构,因此只需建立二维空气炮模型。用AutoCAD软件建立空气炮二维物理模型如图1,导入Gambit软件后采用希尔伯特网格划分,划分结果如图2。图1二维物理模型图2模型网格划分2.2边界条件在此空气炮喷爆模拟试验中定义空气炮炮管出口外部分为压力出口边界,设置为大气环境0.1MPa。当出现回流时,使用压力出口边界条件来代替质量出口条件。空气炮的喷爆过程属于非定常流动,同时也是一个功能转换过程。空气炮喷爆时内部气体处于湍流状态,选择K-epsilon模型。3数值模拟结果与分析空气炮的喷爆过程极短暂,保存时间间隔为1ms。用Fluent软件计算得到空气炮在0.4~0.8MPa初始压力下,阀门开启后距喷爆口50mm处压力和速度随时间变化趋势及变化曲线,如图3、图4。3.1不同压强下空气炮喷爆后系统压强分析由图3(a)可知,当充气压力一定时,清堵区域压力随时间变化呈现3个阶段:起爆阶段(0~5ms),清堵区域压力短时间内急剧增大,由于空气炮开启后内部气体短时间内在巨大冲击作用下进

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