基于CFD的矿用旋流喷嘴结构仿真研究

煤矿降尘喷雾系统的核心部件为喷嘴,喷嘴的雾化效果直接影响降尘的效率和效果,为研究旋流喷嘴的雾化效果,利用Fluent仿真软件对喷嘴导流芯旋流腔圈数及喷嘴出口长径比进行数值仿真模拟,同时对喷嘴局部能量损失提出相应优化。结果显示:旋流状态下流体的平均出口速度可以大大提高,相同进口压力下随着旋流腔圈数的增多,流体出口速度会降低;喷嘴出口长径比对出口湍流动能影响较大,一定条件下增大长径比可以提高雾化效果;出口轮廓会影响喷嘴局部能量损失,收缩角局部设置成流线型能量损失减少。     

旋流芯式喷嘴喷雾降尘数值模拟与现场应用

以燕子山矿8204工作面采用旋流芯式喷嘴喷雾除尘为对象,研究了压力水在喷嘴内部的流动状态和喷嘴喷雾扩散规律及工作面喷雾压力、流量对喷雾降尘效率的影响。旋流芯体是否开槽口会直接影响喷嘴的喷雾效果。旋流芯无槽口的喷嘴喷雾扩散角大、雾化效果好,但是喷雾射程短,对水质要求高。旋流芯开槽口的喷嘴喷雾射程大、抗污染性更强,但是喷雾扩散角较小。喷嘴的口径越大,喷雾扩散角越大,建立了喷雾喷嘴口径与喷嘴喷雾扩散角度的关系式。现场实践表明,使用设计后的喷嘴喷雾降尘平均降尘率达68.95%～75%,提高了降尘效率。     

基于CFD的矿用高压喷嘴数值模拟研究

矿井采煤工作面是最主要的产尘场所之一,目前主要以喷雾的方式进行降尘。为解决雾化效果差的问题,提出一种空心螺旋导流芯式高压喷嘴,利用FLUENT软件对不同喷口直径以及在不同入口流量下的喷嘴内部流场进行数值模拟。仿真结果表明:此旋流状态下流体的平均出口速度大大提高,喷嘴中心出口速度可达到150 m/s,且在一定条件下高速流体出口面积出现峰值,喷雾效果最佳,为矿井降尘中此类旋流喷嘴的设计研究提供了思路。     

基于田口方法的钻割一体化喷嘴结构参数优化

为解决钻割工艺中喷嘴易堵死的难题,采用田口方法,在单因素实验的基础上,优化适合松软煤层的大直径喷嘴几何参数,以期为喷嘴设计提供参考依据。研究结果表明:出口直径、出口圆柱段长度、收缩角对出口轴心速度影响的显著性:收缩角>出口直径>出口圆柱段长度。出口直径与出口圆柱段长度、收缩角与出口圆柱段长度均存在较强的交互作用。优化后喷嘴性能得到显著改善,田口方法结合有限元方法能在较短时间内,通过少量实验,为喷嘴结构参数优化提供一种经济、可靠的解决方案。     

喷嘴螺旋倾角对雾化性能影响的试验研究

通过试验研究以理解螺旋喷嘴的雾化性能。利用激光粒度分析仪和高速摄像机试验研究了喷雾锥角,喷嘴流量,喷雾射程,粒子速度,雾滴的平均直径(SMD)等性能参数。结果表明,在同一喷射压力下,液体的喷射距离、喷嘴出口雾化角和雾粒的轴向速度都随着喷嘴螺旋倾角的增大而减小,然而,喷嘴流量和雾粒SMD随着喷嘴螺旋倾角的增大而增大。在系统喷射压力为2 MPa时,螺旋倾角对喷嘴流量的影响最小,其减小幅度仅为0.004 L/s;且在距喷嘴口25 cm处,30°螺旋喷嘴在系统压力为3 MPa时,雾粒SMD最小,最小为30.04μm;在系统喷射压力为3 MPa时,螺旋倾角对雾粒轴向速度的影响最大,其速度变化幅度为10.3 m/s。     

内混式空气雾化喷嘴雾化特性及降尘效率研究

为了掌握内混式空气雾化喷嘴喷雾特性及降尘性能,借助自主研发的喷雾降尘实验平台,对内混式空气雾化喷嘴与X旋流型压力喷嘴流量、雾化角、射程、雾滴体积分数、雾滴粒径、雾滴速度等喷雾特性参数及降尘效率进行了实测,并对实验结果作对比分析。结果表明:随着供水压力的增加,内混式空气雾化喷嘴水流量和气流量分别呈指数形式递增和递减,气液质量流量比不断下/2次方成正比。随着供水压力的增加,2种喷嘴的雾化射程、雾滴体积分数及雾滴速度均增大。X旋流型压力喷嘴雾化角明显大于空气雾化喷嘴,其喷雾作用范围更宽;随着供水压力的不断提高,空气雾化喷嘴雾化角呈现先增大后减小的变化规律,而压力喷嘴则一直以较小的幅度不断减小。空气雾化喷嘴由于有压缩空气作为助力,在供水压力较低时能获得较为理想雾滴粒径,且随着供水压力的增大,雾滴粒径不断增大;普通压力喷嘴的雾化粒径随着供水压力的提高而减小,且需在较高的供水压力下才能获得理想的雾滴粒径。在相同的供水压力下,空气雾化喷嘴雾滴粒径和水流量均小于压力喷嘴,而雾滴体积分数、雾滴速度及降尘效率均高于压力喷雾。气水喷雾较压力喷雾具有明显的优势,获得相同的降尘效率,气水喷雾耗水量仅约为压力喷雾的一半。     

内混式空气雾化喷嘴内部流动状况对喷雾效果的影响

为了提高内混式空气雾化喷嘴的喷雾效果,采用数值模拟方法分析喷嘴内部流动状况对下游雾化效果的影响,并通过实验验证。结果表明:随气液压力比增大,液核长度明显缩短,液体一次雾化效果更好,并且喷嘴出口气液混合物的速度也更大,喷嘴内部流动状况更好;随气液压力比增大,喷嘴雾化锥角也较大,雾滴覆盖范围更广;喷嘴内部流动状况越好,实验测得的雾滴粒径也越小,由此可以看出喷嘴内部流动状况对于下游喷雾发展具有较大影响。     

X旋流压力喷嘴雾化锥角实验研究

为研究X旋流压力喷嘴的性能和参数,基于自行设计的喷雾实验系统,采用高速摄像仪成像方法,设计了5种不同喷嘴直径分别对应8种不同喷嘴供水压强的喷雾实验。实验结果表明:当X旋流压力喷嘴直径小于1.5mm时,喷雾雾化锥角随着喷嘴供水压强的上升而上升;当喷嘴直径大于1.5mm时,喷雾雾化锥角随着喷嘴供水压强的增加而减小;在相同供水压强下,喷雾雾化锥角随着喷嘴直径的增大而增大,且增大的幅度随着直径的增大而减小。     

不同结构喷嘴内外流场的数值模拟分析

选择矿井喷雾除尘常用的锥直型喷嘴和离心式喷嘴,利用FLUENT软件,基于VOF方法对不同结构的喷嘴以及喷嘴在不同进口压力下喷雾的内外流场进行数值模拟。模拟结果显示,锥直型喷嘴的出口速度大,离心式喷嘴的覆盖范围广;对于锥直型喷嘴,不同长径比下喷嘴处形成的负压区不同;同一种喷嘴的进口压力越大,其喷雾的出口速度越大,雾化效果越好,而进口压力对喷嘴附近的压力及雾化锥角影响较小。     

出口直径对压力旋流喷嘴雾化特性的影响

为了掌握喷嘴出口直径对压力旋流喷嘴雾化特性的影响规律,采用数值模拟的方法进行仿真研究。研究结果表明:在同等入射压力下,喷嘴直径较大时,雾滴粒径D32和速度也相对较大;喷嘴直径较小时,颗粒之间的碰撞相对较大,当其直径变化时对粒径分布影响较大,而当直径较大时,其直径变化对其粒径分布影响较小,雾化效果区别不明显。在实际工况中和对环境有益的情况下,在煤矿喷雾降尘的时候,应该选用直径为1.2 mm的喷嘴进行喷雾降尘。     

出口直径对内混式空气雾化喷嘴雾化特性及降尘性能的影响

为了掌握喷嘴出口直径对气水喷雾降尘的影响,基于自行设计的气水喷雾降尘实验平台,对不同出口直径的空气雾化喷嘴流量、雾化特性及降尘性能进行了实测,并对实验结果作对比分析。研究结果表明:随着出口直径的增加,喷嘴耗水量几乎保持线性增长,而耗气量呈现指数增长的变化趋势;喷雾射程和雾滴体积分数均随着出口直径的增大不断增大,而雾化角先增大后减小;出口直径为2. 0 mm的喷嘴雾化质量最好,所形成的雾滴索太尔平均直径D[3,2]最小,且雾滴粒径呈现正态分布,雾滴尺寸较为集中;雾滴速度沿喷嘴轴线方向不断衰减,且喷嘴直径越大雾滴速度衰减越缓慢;随着喷嘴直径的增加,雾滴速度呈现先增大后减小的变化规律;全尘和呼吸性粉尘降尘效率随着喷嘴出口直径的增加均有所提高,但增幅较小;综合考虑喷嘴降尘性能、耗水量和耗气量等因素,在采掘作业场所进行气水喷雾降尘时,选择出口直径为2. 0～3. 0 mm的空气雾化喷嘴较为合适。     

煤矿喷雾降尘系统雾化喷嘴的CFD数值仿真研究

矿井采煤过程中会产生大量的粉尘,目前主要以喷雾降尘为主。为深入研究入射水压和喷嘴口径对喷嘴内部流场和雾化效果的影响。笔者利用FLUENT软件对常用的带旋流芯的喷嘴在不同入射水压下内部流场进行了数值模拟仿真,得出了喷嘴内部的速度场在不同入射压力下的分布规律,以及在同一入射压力(1 MPa)下,不同口径喷嘴内部流体运动规律。并得出在一定范围内,喷嘴入射压力越大,雾化效果越好;喷嘴口径越大,雾化效果越好这一结论。     

煤层水力割缝喷嘴特性的数值研究

针对圆锥收缩型喷嘴内的液固两相流动,采用标准k-ε湍流模型和分散颗粒群模型对喷嘴内的流场进行三维数值模拟。分析了喷嘴内液固两相的加速过程,并研究了出口直径为1.6 mm的喷嘴结构参数（圆柱段长度、收缩角）对磨料加速效果的影响。计算结果表明：圆锥收缩段与圆柱段交界处附近沿轴线方向的压力梯度可高达1 GPa/m,是高压流体和固体颗粒加速的重要区域;为了使磨料颗粒获得较好的加速,圆柱段长度应不小于8.75倍喷嘴出口直径,收缩角应取10°左右。     

水力冲孔喷嘴流场的数值模拟分析

用Fluent软件对喷嘴的各个结构参数对射流流场的影响进行了数值模拟,模拟发现:在圆锥段收缩角为13°左右、喷嘴出口圆柱段的长径比为3左右时,射流核心段上的速度最大。数值模拟结果与理论结果完全一致。     

基于有限元仿真分析的高压雾化喷嘴设计及参数优化

为解决高压喷雾用喷嘴的耗水量大、堵塞和使用寿命短的问题,设计了一种利用导流孔实现水流螺旋混流的新型喷嘴,提出了影响喷嘴雾化效果的关键参数：水流入射角度、喷嘴腔体长径比和喷嘴出流直径,运用有限元仿真分析的方法对以上参数的影响效果进行了仿真研究。仿真结果表明:出流直径对雾化效果影响最大,减小出流直径可显著提高雾化效果;水流入射角度和腔体长径比两者合理配合可有效提高喷嘴的雾化能力,同时也影响了雾化的角度。以优化后的参数加工喷嘴进行试验,结果表明最低雾化压力为2 MPa,雾化角度和喷射距离等达到了设计要求,降低了对水质的要求,达到了节水耐用的目的。     

前混合水射流喷嘴结构参数及流场数值模拟

应用FLUENT软件,对影响前混合水射流喷丸喷嘴出口10 mm处离散相轴向速度的喷嘴几何参数中圆柱段长度、收敛角和扩散角进行正交试验,并对喷嘴内外流场中连续相和离散相的运动规律进行了系统分析。结果表明:影响离散相在喷嘴出口10 mm处轴向速度的主次因素排序为:圆柱段长度、扩散角、收敛角;连续相和离散相具有相似的运动规律,在内流场,两者轴向速度分为3个加速段和1个减速段;在外流场,核心段连续相轴向速度基本不发生改变,离散相下降缓慢,此段为喷丸最佳靶距范围;此后连续相和离散相轴向速度近似均匀下降,下降速率明显大于核心段。     

旋流离心喷嘴结构参数对雾化特性影响现状分析

影响旋流离心喷嘴雾化特性的因素很多,其中旋流离心喷嘴结构参数对喷嘴雾化特性影响复杂、多样,得到很多学者关注,并开展了大量的研究。归纳与分析整理了以往学者的研究成果,对旋流离心喷嘴雾化锥角、液滴速度、液滴直径的影响因素及研究现状进行了较全面的评述,并总结得出了有待进一步研究的问题,为今后的研究方向提供了参考。     

超音速喷嘴与传统喷嘴喷雾对比分析

在分析喷嘴喷雾机理的基础上,确定了超音速喷嘴的结构参数,采用数值模拟方法分析了基于拉瓦尔效应的气水超音速喷嘴与传统压力旋流喷嘴的喷雾性能。结果表明,在喷雾外流场中,超音速喷嘴雾滴颗粒速度与扩散角都要大于传统压力旋流喷嘴;同一喷雾截面,超音速喷嘴的雾滴颗粒直径上小于压力旋流喷嘴,随喷雾距离的增加两种喷嘴的雾滴粒径均呈现增大的趋势。超音速喷嘴的雾化性能优于传统压力旋流喷嘴。     

煤层割缝喷嘴结构优化与试验

高压水射流割缝增透技术是一项新型的瓦斯抽采技术,其中喷嘴是切割的执行元件。影响喷嘴切割性能的结构因素有喷嘴稳定段长度、收缩角和直线段长度,3因素相互制约,且存在一个最优值。应用正交设计的方法对不同参数组合下喷嘴出口流场进行了模拟,模拟结果表明:稳定度长度为0 mm、收缩角为30°、直线段长度为9 mm的割缝喷嘴具有最佳的喷射性能。在室内对其切割性能进行测试,结果表明:优化后的喷嘴切割能力为原喷嘴的1.5倍。     

水力割缝喷嘴优化及瓦斯抽采应用

通过数值模拟,验证了水力割缝对煤体卸压、增加了瓦斯流通通道;得到了最优的喷嘴出口压力为30 MPa;试验得到喷嘴直径准2 mm、收缩段长度10 mm、直柱段长度8 mm、内锥角13°的圆锥形喷嘴为最优参数。水力割缝在突出矿井瓦斯抽采现场应用表明:水力割缝影响半径范围内的钻孔瓦斯抽采的瓦斯流量、瓦斯浓度、瓦斯抽采量明显提高,强化抽采效果好。