湿喷机喷嘴关键参数分析与喷射混凝土质量控制研究

摘要

在隧道、地铁、边坡和井巷工程等地上、地下支护工程中，喷射混凝土支护（有两种方式:“干喷”和“湿喷”）是一种常用的支护方法。喷嘴结构参数对混凝土射流性能影响的研究非常匮乏。本文侧重研究喷嘴不同结构参数对喷射混凝土施工不均匀、粉尘量大的影响机制，采用理论分析、数值模拟、实验室研究和现场试验相结合的综合研究方法，对湿喷机喷嘴内混凝土运动特征与质量控制规律进行系统研究，具体研究内容如下:
　　通过对湿喷机工作原理、总体结构、关键参数和混凝土流动特性分析研究，结合气力输送的相关理论知识，实现对喷嘴中的混凝土流动过程的相关受力及运动分析，建立混凝土料流在喷嘴中的运动微分方程，研究混凝土料流在喷嘴中的运动规律;分析混凝土料流在喷嘴中的各种压力损失，推导出喷嘴中混凝土料流与空气的最优压气比。为湿喷机喷嘴设计、喷嘴内流场数值计算理论模型的建立提供依据。
　　结合混凝土流动特性和喷嘴结构参数，建立湿喷机喷嘴内部流场数值计算理论模型。对喷嘴内部流场进行动力学分析，建立喷嘴内部流场的数学模型和数值模型。借助三维建模软件SolidWorks建立喷嘴内流场混合流体几何模型，并利用ANSYS ICEM实现网格划分，使用FLUENT软件对喷嘴内流场进行仿真计算，最后将仿真计算结果导入Tecplot进行后处理。为保证数值计算精度与计算资源的合理平衡对所划网格进行网格无关解分析，通过仿真计算分析得到喷嘴内流场各位置速度的分布规律、湍动能的分布规律及喷嘴出口截面上混凝土相体积分数的分布规律与喷嘴喷射性能的关系。
　　提出喷嘴混合芯旋转进气偏角设计方法，以加强空气-混凝土料群在混合芯中的能量交换，就湿喷机喷嘴关键参数对混合流场中空气-混凝土混合性能影响进行研究。在确保喷嘴前部聚敛段收缩角度不变的情况下，分析混合芯空气入射角度对喷嘴的混合性能影响。旋转偏角设计有利于提高喷射混凝土混合均匀度，降低喷嘴产尘量。在确保混合芯空气入射角度不变的情况下，对喷嘴聚敛段收缩角进行分析，当聚敛段收缩角小于3°时，收缩角对混凝土料群喷射影响不大;随着收缩角度增大，料流喷射速度减小，喷嘴磨损加剧;当聚敛段收缩角大于6°时，混凝土出口喷射速度很小，喷嘴容易被堵塞。聚敛段收缩角为6°时，喷嘴喷射质量较好。
　　通过设计喷射混凝土打击力分布测试系统，对制作的喷嘴结构进行现场试验研究。使用LabVIEW软件采集、存储、处理数据。测试结果与数值模拟结果具有良好的对应关系，验证了数值模拟结论的有效性和可靠性。对打击力测试试验作业地点的粉尘浓度进行实时监测，各结构喷嘴在作业中产生的粉尘量均小于煤矿井下总粉尘和吸入性粉尘标准，收缩角θ=4°，混合芯α=10°、β=30°结构喷嘴总粉尘浓度与呼吸性粉尘浓度均最小，旋转偏角对喷嘴单位喷射流量内产生的粉尘量的减少起积极作用;随着喷嘴聚敛段收缩角度增大，喷射作业现场粉尘浓度小幅增加。本研究内容有助于丰富混凝土喷射理论，为湿喷机喷嘴设计提供依据，有利于提高喷射混凝土施工质量。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 选题背景及研究意义

1．1．1 问题的提出

1．1．2 研究目的和意义

1．2 国内外相关研究现状

1．2．1 多相流实验研究进展

1．2．2 多相射流数值模拟现状

1．2．3 射流测试技术研究

1．3 计算流体动力学(CFD)概述

1．3．2 CFD发展动态

1．3．3 CFD工作步骤

1．3．4 商用CFD软件

1．4 目前研究存在的问题

1．5 主要研究内容

1．6 研究方法及技术路线

2 湿喷机喷嘴内混凝土运动分析及计算

2．1 混凝土喷浆车主要特性参数

2．1．1 湿喷机总体结构及工作特征

2．1．2 喷射机构

2．1．3 泵送系统

2．1．4 外添加剂系统

2．1．5 集中润滑系统

2．2 喷射混凝土特性参数与运动分析

2．2．1 混凝土料群的流体阻力及阻力系数

2．2．2 混凝土料群的悬浮速度

2．2．3 混凝土料群在喷嘴中运动微分方程

2．2．4 混凝土料群的加速过程及稳定喷射速度

2．2．5 混凝土料群在喷嘴中的压力损失

2．2．6 混凝土料群输送的临界气流速度

2．3 本章小结

3 湿喷机喷嘴内部流场数值计算的理论模型

3．1 喷嘴内部流场的动力学分析

3．1．1 湿喷混凝土特点

3．1．2 多相流动模型

3．1．3 紊流特性

3．2 喷嘴内部流场的数学模型

3．2．1 流体动力学控制方程

3．2．2 紊流的数值模拟方法

3．2．3 紊流模型的选取

3．2．4 近壁紊流的处理

3．3 喷嘴内部流场的数值模型

3．3．1 离散与网格划分

3．3．2 离散格式

3．3．3 边界条件处理

3．3．4 离散方程组的数值解法

3．4 本章小结

4 湿喷机喷嘴内部流场数值模拟

4．1 几何模型与网格划分

4．1．1 几何模型建立

4．1．2 网格划分

4．2 FLUENT解算设置

4．3 计算结果的网格无关解验证

4．4 喷嘴内部流场模拟结果分析

4．4．1 轴向剖面速度及湍动能场分析

4．4．2 出口截面速度场分析

4．4．3 出口截面YZ方向合速度分析

4．4．4 轴向剖面混凝土相体积分数分析

4．4．5 出口截面混凝土相体积分数分析

4．5 本章小结

5 湿喷机喷嘴性能影响因素及结构优化研究

5．1 喷嘴混合芯空气入射角度全因子实验方案设计与结果分析

5．1．1 出口截面速度场分析

5．1．2 出口截面YZ方向合速度分析

5．1．3 出口截面混凝土相体积分数分析

5．1．4 混合芯空气入射角度分析

5．2 喷嘴聚敛段收缩角全因子实验方案设计与结果分析

5．2．1 出口截面速度场分析

5．2．2 出口截面YZ方向合速度分析

5．2．3 出口截面混凝土相体积分数分析

5．2．4 聚敛段收缩角分析

5．3 本章小结

6 喷射混凝土打击力分布测试试验研究

6．1 喷射混凝土打击力分布测试系统研究

6．2 喷射混凝土打击力分布测试系统传感器选择与布置

6．2．1 测试系统传感器原理

6．2．2 测试系统传感器选择

6．2．3 测试系统传感器布置

6．3 喷射混凝土打击力分布测试系统总体设计及准备

6．3．1 装夹机械手臂改造及喷嘴制作

6．3．2 数据采集卡

6．3．3 测试系统软件

6．4 喷射混凝土打击力分布测试试验及数据处理

6．4．1 喷射混凝土打击力分布测试试验

6．4．2 喷射混凝土打击力分布测试试验数据处理与分析

6．4．3 现场粉尘浓度检测

6．5 本章小结

7 结论与展望

7．1 主要结论

7．2 主要创新点

7．3 展望

参考文献

致谢

作者简介及读博期间主要科研成果