混凝土喷射机喷嘴内混合流体流场均匀度研究

摘要

混凝土喷射机是一种广泛应用于喷锚支护领域的工程设备。但在施工时，喷射机存在回弹率高的问题。本文针对这一核心技术问题采用数值模拟仿真结合实验验证的方法，对喷射机喷嘴流场内混合流体的均匀度进行研究，得到混合流体（空气、速凝剂和混凝土）的成分均匀度和速度均匀度是影响混凝土喷射回弹率的主要因素。具体工作如下:
　　1、建立了喷射机喷嘴流场内混合流体的物理模型;在CFD仿真软件Fluent中建立了喷射机喷嘴流场内混合流体的数学模型，为混合流体进行数值模拟仿真提供依据;
　　2、应用上述的物理几何模型和数学模型，对喷射机喷嘴流场内混合流体的速度、压力以及湍流动能进行模拟仿真，得到速度场、压力场以及相体积分数分布规律;
　　3、采用RNG k-ε湍流模型，对不同结构参数下的喷射机喷嘴流场内混合流体进行数值模拟仿真，分析结构参数对混合流体均匀度的影响，得到喷射机喷嘴长径比、半锥角和进口入射角与混合流体均匀度的关系，并利用均匀试验设计得到三者之间的最优组合;
　　4、通过对不同工艺参数下的喷射机喷嘴流场进行数值模拟仿真，得到喷射机泵送量与空压机的风压对其混合均匀度的影响关系，找到了该喷射机喷嘴的最优空气压力，并得到了在本文分析模型的混凝土特性下该喷射机喷嘴的最大喷射能力;
　　5、喷射机喷嘴在不同空气压力与泵送量下进行喷射实验，结果表明通过提高混合流体的成分均匀度和速度均匀度，可以减少混凝土的回弹率。本文的研究结果可以指导喷射机喷嘴的设计和使用。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题研究的背景与意义

1．2 混凝土喷射机发展的现状与趋势

1．2．1 混凝土喷射机的发展历史与现状

1．2．2 混凝土喷射机的发展趋势

1．3 国内外对喷嘴的研究现状综述

1．4 研究内容与方法

1．5 本章小结

2 湿喷机喷嘴流场内混合流体建模

2．1 湿喷机工作原理及喷嘴结构

2．2 喷嘴流场内混合流体的动力学分析

2．2．1 喷射混凝土特点

2．2．2 喷嘴内混合流体计算

2．3 混合流体数值模拟研究

2．3．1 混合流体数值模拟方法

2．3．2 流体动力学控制方程

2．3．3 颗粒拟流体模型

2．3．4 湿喷机喷嘴流场湍流模型

2．4 边界条件的处理

2．4．1 进口、出口边界条件

2．4．2 壁面条件的处理

2．5 方程的离散及算法

2．6 模拟路线

2．7 本章小结

3 湿喷机喷嘴流场数值模拟

3．1 模型的建立与网格划分

3．2 湿喷机喷嘴流场模拟结果分析

3．2．1 速度场分析

3．2．2 压力场分析

3．2．3 湍动能分析

3．2．4 相体积分数分析

3．3 混合流体的均匀度

3．3．1 混合机理

3．3．2 混合效果评价

3．3．3 成分均匀度分析

3．3．4 速度大小均匀度分析

3．4 本章小结

4 湿喷机喷嘴流场混合流体均匀度影响因素研究

4．1 结构参数对均匀度的影晌

4．1．1 喷嘴长径比对均匀度的影响

4．1．2 喷嘴半锥角对均匀度的影响

4．1．3 空气进口入射角对均匀度的影响

4．2 结构参数的优化

4．2．1 均匀试验设计方法

4．2．2 优化试验过程

4．2．3 试验结果与参数优化

4．3 工艺参数对均匀度的影响

4．3．1 混凝土泵送流量

4．3．2 入口空气压力

4．4 湿喷机最大喷射能力分析

4．5 本章小结

5 实验研究

5．1 实验系统组成

5．2 实验用混凝土及相关设备

5．2．1 混凝土特性

5．2．2 实验设备

5．3 实验过程记录

5．4 喷射实验结果与分析

5．4．1 泵送量影响喷射混凝土回弹率的结果与分析

5．4．2 空气压力影响喷射混凝土回弹率的结果与分析

5．4．3 混合流体均匀度与喷射混凝土回弹率的关系

5．5 本章小结

6 结论及展望

6．1 主要工作及结论

6．2 不足和展望

参考文献

攻读硕士期间主要的研究成果

致谢