掘进工作面附壁射流紊动特性的LDA实验

掘进工作面附壁射流具有置换和掺混双重作用,体现为流场的时均和紊动特性。射流的紊动在瓦斯粉尘的迁移扩散中起着关键性作用,如工作面粉尘的悬浮运动完全靠风流的紊动得以维持。由于紊动本身的复杂性以及实验设备的限制,以往对独头巷附壁射流的研究一般停留在时均量上,对紊动量的认识还不够深入。为此,采用三维激光多普勒测速仪,在独头巷射流通风实验模型内,对三维脉动风速进行了测量。根据紊流统计理论,分析得到了风流的各向紊动强度,并对紊动强度的分布规律和量级进行了研究。结果表明:受限条件下,由于回流存在,射流的紊动在射流区和回流区都很剧烈,3个方向的紊动强度具有量级相同和各向异性的特点。在射流剪切层内,紊动强度从射流轴线到射流边界呈先增后减趋势;在射流剪切层以外的回流区,紊动整体变化不明显,始终维持着与平均风速大小相当的强度。流场内较大的速度梯度导致流层之间剪切失稳是形成剧烈紊动的重要原因。由于紊动具有与平均风速相近的强度,在研究独头巷风流排污效率、瓦斯粉尘运移规律等问题时,无论理论分析还是数值计算,都应对运动方程中的速度脉动项给予充分重视。     

插板式进气畸变对对旋风机内流特性的影响

为了研究插板式进气畸变对风机内部瞬态流场的影响,采用SST k-ω湍流模型对包括进气风道在内的矿用对旋主通风机装置全流道内的三维流动进行数值模拟,详细分析了插板式进气畸变条件下对旋风机的内流特性。结果表明：与均匀进气型式相比,插板式进气畸变恶化了对旋风机上游进气风道内的流场,导致畸变区内叶轮进口相对气流角减小,叶片通道堵塞,严重时风机将发生旋转失速;由插板式进气畸变所诱导的位于通道下方的涡对,使得位于同一畸变区内的两个叶片的静压载荷分布具有明显差异,严重影响叶轮、叶片的工作状态;沿整个叶片高度方向,插板式进气畸变对叶尖区域的影响显著。     

水-洗煤输送泵内高浓度固液两相湍流的数值模拟

以FLUENT软件为工具,应用多流体k-ε湍流模型模拟离心泵内全三维高浓度水-洗煤固液两相湍流,计算包括导入管、叶轮及泵壳整个离心泵系统。结果显示,固液两相流体质点主要流经叶轮叶片工作面一侧射流区。     

内外二次风量比对逆喷旋流燃烧器特性的影响

逆喷旋流燃烧器是一种同时将逆向射流稳燃技术和旋流稳燃技术耦合的适用于烟煤的低氮燃烧器,具有良好的节能减排效果,但是,目前该燃烧器的稳燃机理研究不深入限制了其进一步推广应用。其中内外二次风量比、逆向一次风率、旋流强度等是影响逆喷旋流燃烧器基本性能的关键因素。为了探究不同内外二次风量比对该燃烧器流场特性和燃烧特性的影响,通过等温模化原理,建立与原14 MW逆喷旋流燃烧器比例为1∶2的燃烧器模型,使用飘带网格方法测量了耦合回流区边界,使用Dantec Multichannel热线风速仪测量了平均速度分布和RMS(Root-Mean-Square)速度分布,根据耦合回流区边界和平均速度计算得出相对回流率,然后在燃用神府东胜烟煤的14MW逆喷旋流燃烧器上使用Testo 340烟气分析仪测量了预燃锥内沿程气体中NOx质量浓度和O₂体积分数分布。试验结果表明:随着内外二次风量比增加,耦合回流区的面积增大,长度不变,最大直径从0.67 D增加到0.87 D,相对回流率峰值从0.83增加到1.23,测量截面b的O₂体积分数增大,靠近预燃锥壁面附近NO_x质量浓度降低;在0.3≤X/D≤0.8的耦合回流区内平均速度较低但是湍动强烈,内外二次风量比2∶5在截面X/D=0.8附近脉动速度峰值达到最大,内外二次风量比10∶23和内外二次风量比10∶28均在截面X/D=0.75附近火焰稳定且强度较高,因此从流场特性和燃烧特性2个角度均表明,耦合回流区内0.3≤X/D≤0.8的区域起到稳定火焰的作用;靠近预燃锥壁面附近形成一个高速低湍流的空气保护层,且该区域O₂体积分数均大于7%,有利于防止壁面出现高温腐蚀现象。     

煤与瓦斯突出冲击气流形成及传播规律

为充分认识煤与瓦斯突出冲击气流的形成机理及其传播特征,基于气-固耦合作用下的煤与瓦斯突出物理模拟试验结果,结合气体动力学理论,建立冲击气流的形成及其运移模型,并应用于煤与瓦斯突出冲击气流数值模拟分析.结果 表明:煤层瓦斯压力和应力下降过程中皆存在阶段性平稳或回升现象,说明能量的释放是分阶段完成的;煤层应力的变化主要集中...     

不同自然风速下人工通风对深凹露天矿风流场的影响

为研究不同自然风速下人工通风对深凹露天矿风流场的影响，利用FLUENT对某深凹露天矿内的风流场进行了模拟研究。研究结果表明：当自然风速为2 m/s时人工通风前后坑内复环流体积减少不太明显；当自然风速为5 m/s时封闭圈以下复环流影响范围小，因此复环流体积减少也不明显；而当自然风速为3 m/s和4 m/s时，靠近背风坡的低压区和低速区显著变化，复环流体积减少明显。在自然风速较低或无风时空气交换率缓慢增加；当自然风速≥2 m/s时空气交换率均显著增加。与复环流的体积变化趋势基本一致，验证了人工通风方案的可行性，采取人工通风措施后深凹露天矿内的风流场均得到显著改善。     

重介质旋流器流场的计算流体力学模拟

介绍了目前常用的计算流体力学软件 ,给出了 CFD常用的三个基本方程和用于重介质旋流器流场数值模拟的湍流基本方程。采用 Fluent软件对 DSM型旋流器三维速度场 (轴向、切向和径向 )进行了数值模拟 ,并与采用 LDV的相同边界条件的测量结果进行了对比。结果表明 ,选用 RSM模型可以对旋流器流场较好地进行模拟。     

KYF浮选机叶轮-定子区流场分析

叶轮和定子是影响浮选机分选性能的最核心部件。运用CFD方法揭示了KYF浮选机叶轮-定子区的局部流场特征。叶轮叶片间出现了螺旋上升的涡流,而叶轮盘起到了稳流作用,流体平滑地从叶根高速流出。叶轮叶片的迎浆面边缘出现静压峰值,而叶轮盘叶根出口处次之,并解释了叶根出口处磨损严重的原因。分析了功耗、搅拌雷诺数、循环量和叶轮设计等关键设计参数间的影响规律。研究表明,在相同条件下,后倾叶轮的循环量明显大于前倾叶轮,而功耗却更低。     

涡流空气分级机叶片间流场的数值模拟研究

根据等速旋转坐标系中的动量方程和连续方程,运用PHOENICS程序对转子叶片间流场进行数值模拟,通过数值模拟的结果分析了转速、风量及转子结构对分级性能的影响。     

自吸气离心浮选机锥体角度对槽内流场影响的数值研究

锥体角度对离心浮选机内部流场具有重要的影响,选定3种锥体角度,利用CFD软件Star CCM+分别对离心浮选机浮选槽内流场进行数值模拟研究。流场计算时,以水为流体介质,并选用非稳态、标准κ-ε湍流模型。计算结果表明:进料管为单排,下筒体锥角为120°时,外筒体所受的压力最大,沿浮选槽内壁的切向速度也最大。模拟结果为有效利用浮选空间,提高浮选效率,优化浮选结构提供依据。     

旋流器内部流场的数值模拟方法研究

旋流器以其操作简单,运行成本低,物理尺寸小等优点广泛应用于化工分离行业。其内部流场情况对其分离精度及分离效率起着关键作用,准确模拟该流场具有重要意义。流场变量梯度高、旋流特征强,尤其中心空气柱的存在增加了其数值模拟的不确定性。借助CFD(Computational Fluid Dynamics)软件,对75 mm经典旋流器系统地进行了气-液两相流非稳态数值模拟,研究了湍流模型,压力-速度耦合方式以及离散格式对旋流器内部流场计算结果的影响,并将其空气柱直径、切向速度以及轴向速度进行对比。结果表明:RSM(Reynolds Stress Model)湍流模型可以较为准确地预测旋流器流场,仅在空气柱附近区域预测的速度值偏低。RNG k-ε(RNG k-epsilon)、Realizable k-ε(Realizable k-epsilon)以及Standard k-ε(Standard k-epsilon)湍流模型预测的该流场与实际流场存在较大差异。其中,RNG k-ε模型误差较Realizable k-ε以及Standard k-ε模型稍低;QUICK与Second Order Upwind离散格式在预测旋流器内部流场时差别不大。Third-order MUSCL,Power Law以及First Order Upwind离散格式没有求解出流场中完整的空气柱;SIMPLE,PISO及Coupled三种压力-速度耦合方式对计算结果的影响不大,相比较而言SIMPLE算法为较适合计算旋流器流场的压力-速度耦合方式。Coupled较其他2种算法在溢流管段预测的空气柱直径偏大,速度偏小,部分锥段空气柱直径偏小,速度偏大。     

Investigation of gas dispersion characteristics in stirred tank and flotation cell using a corrected CFD-PBM quadrature-based moment method approach

In this study, the population balance model (PBM) is coupled with computational fluid dynamics (CFD) to investigate the steady-state bubble size distribution in two types of process equipment namely, a standard Rushton turbine stirred tank reactor and a generic lab-scale flotation cell. The coupling is realized using Fluent 15.07 software, and the numerical model is validated for the stirred tank reactor. The population balance equation (PBE) is solved using the quadrature method of moments (QMOM) technique along with a correction procedure implemented to check and correct invalid moment sets. The breakage and coalescence of bubbles due to turbulence are considered. The breakage rate and daughter size distribution models proposed by Laakkonen et al. (2007) are considered. For modeling coalescence rate, models proposed by Coulaloglou and Tavlarides (1977) are considered. The interaction between the phases is handled by considering the drag model proposed by Lane et al. (2005) while ignoring the other interphase forces. The correction algorithm has been successfully implemented, and improved predictions of gas volume fraction and Sauter mean diameter (SMD, d₃₂) have been observed with a good match between the predictions and experimental measurements. The local SMD predictions are compared against predictions from the past studies and the superiority of the current approach for moderate gassing rates is established. The CFD-PBM approach is then used to study and characterize different flow regimes occurring in a generic mechanical flotation cell at different aeration rates and impeller rotation speeds. Also, power numbers are calculated from torque data and are found to drop considerably with an increase in aeration rate and impeller rotation speed as the flow regime approaches recirculating flow. The predicted SMD for flotation cell indicates that smaller bubbles are concentrated near the high turbulence impeller stream, the lower recirculation region, and close to the tank walls. On the other hand, large bubbles are formed in the upper tank region and are concentrated around the shaft during the flooding, loading, and transition flow regimes. In the future, the corrected QMOM approach will be further extended by implementing kinetic models capable of predicting the flotation rate constant using local bubble size information obtained from CFD-PBM simulations.     

基于CFD的轴向间隙对轴流式通风机性能影响的研究

利用CFD技术,对矿用小型轴流式通风机进行了数值计算,分析了叶片与后导叶之间的轴向间隙对风机性能的影响。结果表明,轴向间隙在一定范围内减小,使风机流量和全压均增大,全压效率有所提升,有利于提高通风机性能。     

KYF浮选机叶轮—定子区流场分析——KYF浮选机流场测试与仿真研究(三)

叶轮和定子是影响浮选机分选性能的最核心部件。运用CFD方法揭示了KYF浮选机叶轮-定子区的局部流场特征。叶轮叶片间出现了螺旋上升的涡流,而叶轮盘起到了稳流作用,流体平滑地从叶根高速流出。叶轮叶片的迎浆面边缘出现静压峰值,而叶轮盘叶根出口处次之,并解释了叶根出口处磨损严重的原因。分析了功耗、搅拌雷诺数、循环量和叶轮设计等关键设计参数间的影响规律。研究表明,在相同条件下,后倾叶轮的循环量明显大于前倾叶轮,而功耗却更低。     

大型矿浆搅拌槽不同桨型对矿浆体积分数分布影响的研究

基于两相流欧拉理论对大型矿浆搅拌槽内部流场进行了三维模拟,深入研究了3种不同桨型对矿浆体积分数分布的影响。模拟结果表明:在大型矿浆搅拌槽搅拌过程中,搅拌桨的四周形成一个负压区,在负压区的上下产生旋转相反的涡流;矿浆流速的最大值出现在搅拌桨的浆叶区,且标准三叶推进式叶轮所产生的流速最小,紊流效应小;在转速和矿浆体积分数相同的条件下,标准六叶直叶片式叶轮和六斜叶开启涡轮式叶轮在搅拌过程中都有槽底沉降区域出现,矿浆体积分数分布不均,而标准三叶推进式叶轮矿浆体积分数混合均匀,搅拌效果最佳。     

工作面临界压力梯度与采空区自燃氧化带宽度研究

?为了研究采空区自燃氧化带与工作面通风压差的关系,建立了工作面长度分别为60,90 m的采空区物理模型;利用FLUENT计算了6个不同工作面压差下的采空区渗流流动,得到共计12个工况下的渗流流场。数值计算结果表明:随着工作面压差增大,自燃氧化带向采空区深部移动,且该带范围变宽;随着工作面长度增加,自燃氧化带向采空区深部移动,且该带范围变宽;长度为60,90 m的工作面,临界工作面压差分别为25,35 Pa,得到了沿工作面长度方面的临界压力梯度约0.400 0 Pa/m。工作面临界压力梯度可作为工作面通风设计及采空区煤炭自燃防治的参考依据。     

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。     

Optimization of operating parameters for coarse sphalerite flotation in the HydroFloat fluidised-bed separator

Increasing the upper size limit of coarse particle flotation has been a long-standing challenge in the minerals processing industry. The HydroFloat separator, an air-assisted fluidised-bed separator, has been used in this study to float 250–1180 μm sphalerite particles in batch flotation tests and compared to results achieved utilizing a laboratory-scale conventional Denver cell. The quiescent environment within the HydroFloat cell significantly reduces the turbulent energy dissipation within the collection zone, hence decreasing the detachment of particles from bubbles during flotation. Three operating parameters including bed-level, superficial water and gas rates have been studied, and their effect on the flotation of coarse sphalerite particles is reported. It is shown that coarse sphalerite recovery increases with increasing bed-level, superficial water and gas flow rates. However, there are thresholds for each operating parameter above which recovery starts to decrease. A comparison of recovery with a conventional Denver flotation cell indicates that the HydroFloat separator vastly outperforms the conventional flotation machine for the very coarse particles (+425 μm), and this is mainly attributable to the absence of turbulence and the minimization of a froth zone, both of which are detrimental to coarse particle flotation.     

矿用轴流通风机设计及性能探讨

应用非均匀有理B样条函数进行了轴流通风机叶片计算机辅助几何设计,分析了某煤矿用防爆轴流通风机叶片设计的基本方法。对矿用轴流通风机BK40-4-No10的叶片进行设计,并建立了相应的通风机模型。对3种不同变环量指数叶片的轴流通风机进行数值模拟,得到了风压、功率和全压效率与质量流量的变化曲线,以及这3个性能参数随不同变环量指数的变化趋势。     

湍流状态下竖直管道内甲烷-煤尘预混特征及爆炸过程数值模拟

为揭示管道内甲烷-煤尘预混湍流特征及爆炸火焰传播过程,构建了竖直管道内甲烷-煤尘预混扩散及爆炸物理数学模型;基于流体力学及传热-传质理论,对管道内甲烷-煤尘扩散特征和爆炸过程进行了数值模拟。划分了管道内气固两相扩散特征阶段,分析了初始真空度和进气压力对扩散湍流强度的影响规律;研究了煤尘粒径、浓度及甲烷浓度对爆炸最大压力及最大爆炸压力上升速率的影响特征;揭示了管道内甲烷-煤尘预混爆炸过程中火焰传播特征及爆炸机制。结果表明:煤尘颗粒在竖直管道罐内扩散可分为快速注入、减速分散、稳定和沉降4个连续阶段,初始真空度及进气压力对湍流强度均有影响;爆炸过程中,不同时刻下管道整体爆炸压力场基本均匀分布。甲烷浓度、煤尘浓度及粒径与最大爆炸压力P_(max)及最大爆炸压力上升速率(dP/dt)_(max)均呈现二次函数关系;不同时刻下爆炸火焰结构及火焰高度、火焰传播速度的模拟与试验结果具有较好的一致性,火焰结构呈现"月牙-S-下凹月牙-指尖"传播至爆炸结束。温度分布不均,高温区集中在管道上部和中下部。火焰传播速度先增大后减小,后期呈现震荡性特征。