基于引射器原理的投砾装置喷嘴CFD优化仿真分析

地浸钻孔成井工艺中,目前常用的投砾设备主要有渣浆泵与各类自制投砾装置。基于引射器原理的投砾装置是一种现场应用较广的投砾装置,为了提高该投砾装置的工作效率和投砾质量,本文基于计算流体力学的数值模拟软件Fluent对引射器原理的投砾装置的引射器结构进行了数值模拟的优化分析。分析结果表明,引射器喷嘴直径对引射效果具有较大影响,引射器的引射系数随喷嘴直径的增大而逐渐减小,但较小的喷嘴直径会导致对泥浆泵的泵压负荷增大,对于现场使用的BW250型泥浆泵,要求最高压力≯6 MPa,因此引射器喷嘴的直径为5 mm时为最优值;混合室直径增大会降低引射器性能,根据砾料通过能力等确定最优参数为18 mm;混合室长度有利于提高引射器性能,本文优化值为120 mm长度时为较佳混合室管长。优化后的投砾装置较原有基于大喷嘴直径引射器的投砾装置,投砾效率和质量均有大幅提高。     

环缝式引射器变工况特性的试验研究

在介绍环缝式引射器的结构和工作原理的基础上,通过试验分析了工作压力、进口静压和背压等因素变化时的变工况特性曲线。结果表明:环缝式引射器存在临界背压pd,当环缝式引射器背压大于pd时,环缝式引射器的引射系数随背压升高而降低;当环缝式引射器背压小于pd时,环缝式引射器的引射系数基本保持不变。     

射流混合装置多变参数试验优化及分散机制

射流混合装置被广泛应用于各个领域，其参数对引射性能、微粒运动及作用机制会产生重要的影响。但目前应用于煤泥浮选领域的射流混合装置多变参数缺乏系统性优化。为了优化射流装置的多变参数，搭建射流混合测试系统，探究面积比Ar、喉嘴距Le、喉管长度L、引射管开启度γ和喷嘴出口速度V等关键参数对引射性能的影响规律；基于物理模型参数优化值，调节测试系统，研究射流流场对物料的作用机制，考察射流流场对煤粒表面细泥的剥离能力；运用高速摄像仪捕捉射流流束对引射气泡的卷吸破碎情况；采用激光粒度分析仪揭示气泡粒径的迁移规律。结果表明：当面积比Ar=3.24、喉嘴距Le=0.56 D_h(D_h为喉管直径)时，引射流体流量比q最大；综合考虑引射能力和沿程损失，当喉管长度L=9D_z(D_z为喷嘴直径)、喷嘴出口速度V≥15 m/s时，射流装置的引射性能最为理想；引射流体的流量与引射管开启度γ成正比关系，引射速度受限于射流速度(以喷嘴出口速度V表征)，当射流速度达到15 m/s，引射速度达到上限；基于最优引射性能参数，单次射流混合作用对物...     

环缝式引射器流场的数值模拟研究

采用二维轴对称方程和重整化群k-ε双方程湍流模型,数值研究了一种环缝式引射器的流场结构及工作压力对引射流量和引射系数的影响规律。结果表明:环缝式引射器出流的气流在以管道中央为中心,半径约为0.35 m的范围内速度均匀,而从0.35 m到距靠近壁面这一区域速度迅速增大。在一定范围内,工作压力与工作流量、引射流量均成正相关关系,与引射系数成负相关。     

双余弦自吸气淹没喷嘴气泡粒径分布规律

根据引射吸气方式设计了一种双余弦自吸气喷嘴,为解析该喷嘴在不同操作因素下的气泡粒径分布特征规律。选择甲基异丁基甲醇(MIBC)作为起泡剂,利用图像分析法测量了不同起泡剂浓度、入流压力、喷嘴距、不同深度下的气泡粒径分布,分析了不同入流压力下喷嘴的吸气能力。结果表明:随起泡剂浓度的增大,气泡Sauter直径逐渐减小,当浓度达到临界兼并浓度0.112 mmol/L时,气泡粒径稳定于某个常数值,且入流压力越大,常数值越小,气泡粒径分布范围越窄,小气泡含量增大,如入流压力P=0.14 MPa时,气泡Sauter直径为0.32 mm,中间粒径气泡含量为40.73%;气泡直径随入流压力的增大逐渐减小,随喷嘴距增大逐渐减小,随不同深度增加线性增大,且药剂浓度达到临界兼并浓度时,减小(增加)趋势均变缓慢;吸气量随入流压力增大线性增大,且喷嘴距越大吸气量越大。     

喷射式浮选机射流搅拌装置流场分析及结构优化

以喷射式浮选机射流搅拌装置结构优化为目的,选用合理的CFD数值模拟计算方案,综合考查引射性能和流场特性两个指标,对面积比、喉嘴距、喉管长度、引射管布置方式和位置进行优化计算;设计了长喉管、短喉管、导流叶片喷嘴和无导流叶片喷嘴共4组不同结构参数的射流搅拌装置试验,考查并验证了喉管长度和喷嘴内导流叶片对引射能力的影响;采用激光粒子测速仪测试了喷嘴内导流叶片对射流流束形态演变的影响。结果表明:面积比a=1.96～3.24,喉嘴距L_e=0.2D_h～0.6D_h(D_h为喉管直径)、引射管采用双侧对称布置、喷嘴内设置导流叶片及喉管长度在6D_z～12D_z(D_z为喷嘴直径),射流装置的混合效率最理想,引射管布置位置对混合效率影响较小;喷射室压力在0.145～0.160 MPa时,喷嘴内设置导流叶片,长、短喉管吸气能力平均至少提高30.73%和33.94%,引射管全开时长喉管较短喉管的吸气能力高出15%以上。结构参数对流场的影响表现在,面积比增大及引射管靠近喷嘴出口布置,喉管内射流流束的中心速度衰减越快,喉嘴距变化对中心速度的衰减影响较小;喉管长度≤6D_z时,流束中心的流核一直持续到喉管出口,引射流体和工作流体在喉管内动、质量交换不完全;喷嘴内设置导流叶片,有利于流束中心的流核区减小,原因是流束以旋转射流的形式从喷嘴喷出,形成了更有利于工作流体与引射流体动、质量交换的湍流流场;基于理想的引射性能和流场特性,面积比a=3.24、喉嘴距L_e=0.6D_h、引射管采用双侧对称且正对流核区域布置方式、喷嘴内设置导流叶片及喉管长度在6D_z～12D_z为射流搅拌装置的最优结构参数。     

喷射器二维流场与性能的数值分析

用CFD数值模拟的方法实现了蒸汽喷射器二维流场的分布和变工况特性。结果表明:喷嘴出口后工作蒸汽与引射蒸汽并非等压混合,速度值与压力值呈现出连续振荡逐渐趋于稳定的趋势。同时分析了工作流体压力、引射流体压力以及出口压力对喷射器性能的影响,并探讨了各参数对喷射器工作性能产生影响的原因。     

采煤机机载喷雾引射除尘器的研究与应用

为提高采煤机截煤产尘的治理效果,针对采煤机机面及上风侧摇臂根部的高浓度含尘气流,依据水雾活塞的机理,设计喷雾引射管,组成喷雾引射除尘器。分析得出影响喷管引射风量的主要因素有喷雾压力、喷嘴类型、喉管直径和喉管长度。采用正交试验法对喷管引射风量的主要影响因素进行了试验研究。试验结果表明,随着喉管直径的增大,喷嘴类型成为喷管引射风量的主要影响因素;引射风量随喉管直径变大而出现跃升;同类型喷管,喉管长度对引射风量的影响不大;喉管直径宜采用?200 mm或?300 mm,喷嘴选择SD314,喷雾压力选择8 MPa。现场应用表明,采煤机司机下风侧10 m、20 m处的呼吸性粉尘浓度明显降低,降尘效率大于65.2%,工作面作业环境明显改善。     

压气引射孔口除尘器的试验与分析

针对煤矿井下干式钻孔粉尘污染问题,提出了一种煤层钻孔防尘装置。对关键动力元件——压气引射器进行了系统深入的研究;在喷嘴个数及结构尺寸一定时,分析了压气引射除尘器各运行参数之间的关系;在保持其它结构参数不变的条件下,只改变喉嘴距,分别观察对进气口负压、引射风量和噪声的影响情况。实验结果表明:喷嘴出口断面与混合室入口断面重合时,引射器各性能参数达到最优。     

水下跨介质射流破岩性能试验研究

针对水下岩石破碎过程中存在环境阻力大、破岩效率低等问题,提出一种水下气体辅助水射流的跨介质射流破岩新方法。在分析水下气体辅助水射流基本特性的基础上,搭建了可模拟气体辅助水射流破岩试验系统,探究了工作参数和喷嘴结构参数对水下气体辅助水射流破岩性能的影响,结果表明：岩石破碎是由水相水锤压力与气相空泡溃灭微射流共同作用的结果。在研究范围内,气流压力小于0.4 MPa时,气相空泡溃灭微射流引发的岩石破碎对气流压力的变化更敏感,而大于0.4 MPa时,水相水锤压力造成的岩石破碎对气流压力的变化更敏感。外喷嘴收缩段结构的变化对空泡发育的影响与其对射流冲击动压的影响相比较小,增大外喷嘴出口直径,射流的集束性出现先增加而后减小的趋势;随着外喷嘴直线段长度的增加,水下气体辅助水射流中空泡发育程度逐渐增强,但由气、液动量交换和摩擦阻力引起的能量损耗随之增加。与普通淹没射流相比,气体辅助可使得水射流破岩体积最大提高约1.5倍,比能耗则降低40%。随着气流压力的升高,岩石破碎体积先增大后减小,最佳取值为0.4 MPa;延长冲蚀时间,岩石破碎体积随之增加且有逐渐减缓的趋势,冲蚀时间设为30 s可兼顾水下气体辅助...     

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。     

射流式微泡发生器三相流动行为研究

采用了一种射流式微泡发生器并建立了矿物浮选试验系统,根据微泡发生器三相流动特性,提出了基于双流体模型的三相流动力学模型。常温常压条件下基于三相流动力学模型,运用CFD理论和Fluent分析软件对射流式微泡发生器内气-固-液三相流动行为进行数值模拟,分析了射流式微泡发生器内三相流场的压力、速度和三相分布等重要参数。结果表明:喷嘴截面面积不断变小导致压力增大,发生非常剧烈的三相间相互作用,微泡基本在此处生成;静压在微泡发生器轴向端从入口到出口方向逐渐降低,而在喉管内部静压的径向分布比较均匀,非常适合气-固-液三相充分混合。研究方法能够对相关设备的开发提供一定的参考。     

基于Fluent的高压水射流喷嘴优化模拟研究

为了提高高压水射流技术的破煤效率,采用Fluent软件对高压水射流的喷嘴结构和几何参数进行了优化模拟。通过分析水射流的轴向速度和壁面静压分布,选择了最佳的喷嘴结构和几何参数。结果表明:圆柱形喷嘴的最大射流速度发生在喷嘴内部,而锥形和锥直形喷嘴的最大射流速度发生在喷嘴外部,且锥形和锥直形喷嘴的最大射流速度和最大压力均明显大于圆柱形喷嘴,考虑到水射流的附壁效应,锥形喷嘴为最佳选择。锥形喷嘴的最优几何参数为:喷嘴出口直径3 mm,喷嘴锥角7°,喷嘴长度9 mm。高压水射流喷嘴的优化对提高煤层瓦斯抽采效率具有重要意义。     

Optimal particle acceleration in a jet mill nozzle

The optimal profile of the accelerating nozzle of a jet mill is computed to provide a maximum particle velocity at the nozzle outlet. To describe one-dimensional monodispersed flow in the nozzle, the well-known set of differential equations is employed. The influence of both particle size and solids/gas mass flow rate on the optimal nozzle profile is studied. Computations show that an employment of optimized nozzles is beneficial for relatively low solids loading. An increase in particle velocities at the optimized nozzle outlet reaches 25% compared to those in a conical nozzle if the solids/gas mass flow ratio equals unity.     

高压喷雾引射降尘装置的理论与实验研究

针对我国综放工作面呼吸性粉尘浓度高且难于控制的实际情况,根据高压射流和空气动力学有关理论,提出了一种缩放喷管式高压喷务引射降尘装置,并对其工作机理作了深入分析;借助于计算流体动力学方法,从理论上系统地研究了喷雾装置的内部流动特性。计算结果表明,在经济有效的喷雾压力下,缩放喷管以丘里管方式工作;在适当的渐缩角、渐扩角、过渡圆弧和各段长度条件下,可获得最佳的引射效果,对主要结构参数优选后的喷雾引射装置地面实验和井下初步应用表明,在同等条件下,该装置引射含尘气流的能力接爱最高水平;对周围环境中呼吸性粉尘降尘率达到70％以上。     

高压气液两相射流多级脉动破煤岩特性及致裂机理

为了提高水射流破煤岩性能和卸压增透效果,通过理论分析建立了高压气液两相射流的冲击动压模型,推导出影响其破煤岩性能的关键参数体系。采用自主研发的高压气液两相射流破煤岩试验系统,研究了关键参数对气液两相射流的破煤岩特性的影响规律,结果表明:与纯水射流相比,气液两相射流破煤岩压力阈值降低约50%,破碎深度增加25%,破碎坑直径是纯水射流的2倍,破煤岩效率提高80%以上。煤岩体破碎是气-液-固三相耦合作用的结果:气体的掺入改变射流的结构,产生局部脉动作用,强化了射流破岩能力;高压液相脉动冲击作用激发裂纹起裂,高压气相的多级溃灭作用促进裂纹扩展;气相多级溃灭与液相脉动冲击交替作用,最终使煤岩体裂隙贯通、破坏。     

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。     

煤液化热高压分离器煤粉漂移特性数值模拟与优化

为揭示煤液化热高压分离器（简称“热高分”）内的煤粉漂移规律,基于热高分的结构特性和多相流物性参数,建立物理模型,并采用VOF(volume of fluid)模型和DPM(discrete phase model)模型,数值分析进口液固两相中固相质量分数、颗粒粒径对煤粉漂移特性的影响。研究发现：在气液交界面处,煤粉颗粒平均质量浓度最大,并随进口固相质量分数的增加而增大;小颗粒对气流的跟随性好,故气相出口的煤粉漂移率与颗粒粒径呈负相关关系;当进口固相质量分数增大到7%以上时,对应同一颗粒粒径下煤粉漂移率基本不变。通过在热高分上部增加45°倾斜挡板,发现气相出口处煤粉漂移率从2.03%下降到0.88%。