高压水射流煤层割缝喷嘴流场模拟及结构优化

摘要

瓦斯事故是煤矿安全的“第一杀手”，2009年煤矿重大事故中瓦斯事故占47％，死亡人数为513人，占事故死亡总人数的76％。提高煤矿瓦斯抽采率是目前解决该类煤矿死亡事故的最直接有效途径。高压水射流割缝增透技术是一项新型的瓦斯抽采技术，该技术利用高压水射流对煤体进行割缝，增大煤体暴露面积，增加煤层裂隙率和透气性，最终达到提高瓦斯抽采率的目的。割缝喷嘴为该技术设备中的关键部件，由于其流道结构较为复杂，目前对其内部流动特性及最优结构的研究尚不完善。因此，开展对割缝喷嘴的研究，从而提高该技术设备的瓦斯抽放效率，有利于该新型技术的进一步推广应用，具有重大的工程意义。
　　本论文依托国家自然科学基金创新群体基金项目“高压水射流破岩理论及其在地下工程中的应用基础研究（50921063）”，通过对原割缝喷嘴流场进行CFD模拟，研究了高压水在总长受限、流动方向以及流道截面突变特殊条件下的流动特性及其对喷嘴切割性能的影响；采用正交设计方法优化了喷嘴结构参数，得出具有最佳切割能力的喷嘴结构形式；在此研究基础上，提出了采用导流器进一步改善喷嘴切割性能的新方法，通过实验对比，研究不同类型导流器的导流效果，寻求最佳的导流器-喷嘴组合形式。主要研究成果如下：
　　(1)通过数值模拟研究了原喷嘴流场动压力、速度和湍流强度分布，揭示了原割缝喷嘴射流较发散的成因。研究结果表明：由于割缝喷嘴流道结构的特殊性（总长受限，流道方向、截面积突变），高压水在喷嘴内部流动时形成局部低压、低速区，导致喷嘴内部产生大量涡旋和回流，引起喷嘴内部湍流强度加大，射流发散，降低喷嘴切割性能。
　　(2)本文研究的锥直型喷嘴总长受限在26mm，在该长度范围内，影响喷嘴性能的结构因素有喷嘴稳定段长度L、收缩角θ和直线段长度l，该3因素相互制约，且存在一个最优值。作者提出应用正交设计的方法对以上3因素进行优化，正交优化结果表明：稳定度长度为0、收缩角为30°、直线段长度为9mm的割缝喷嘴具有最佳切割性能，其切割能力为原喷嘴的1.5倍。
　　(3)对优化喷嘴的内部流场的数值计算结果表明：优化喷嘴在一定程度上改善了喷嘴内部的紊流状态，但由于喷嘴总长受限，仅通过对喷嘴本身结构的优化难以达到要求。因此，提出采用导流器来进一步改善喷嘴性能的新方法。通过对十字型、导板型、平板型以及广场型4种不同类型导流器的导流性能进行实验对比，结果表明：十字型导流器具有最佳导流效果，尤其在淹没区，十字型导流器导流效果尤为明显，添加十字型导流器后喷嘴切割能力为优化喷嘴的1.6倍。

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1 绪论

1.1 引言

1.2课题的研究背景与意义

1.3 水射流割缝喷嘴的研究现状

1.4研究的目的、内容和方法

2 基于CFD的原割缝喷嘴切割性能分析

2.1 割缝喷嘴流场模拟的理论基础

2.2 问题的描述以及确定计算区域

2.3计算结果及分析

2.4本章小结

3 割缝喷嘴结构参数正交优化

3.1 影响割缝喷嘴性能的喷嘴结构参数

3.2喷嘴结构参数正交优化

3.3实验结果分析

3.4 割缝实验验证

3.5本章小结

4 导流器提高煤层割缝喷嘴性能的研究

4.1 割缝喷嘴内部紊流状态模拟

4.2导流器的类型

4.3 不同断面类型导流器改善喷嘴性能的实验研究

4.4 本章小结

5 结论与建议

5.1 结论

5.2 建议

致谢

参考文献