超音速气雾化喷头结构设计及数值模拟

摘要

粉尘是煤矿井下主要自然灾害之一，其不仅影响矿井下的工作环境，且在一定条件下会发生爆炸，严重威胁矿井生产安全和工作人员身心健康。随着矿井机械化水平的不断提高，井下粉尘量也越来越大，一套合理、有效的除尘装置变得极为迫切。本文以超音速气雾化喷头为研究对象，利用工作面管网中的压风和压水，通过喷头形成气雾捕捉粉尘，可以有效的降低煤矿井下粉尘颗粒浓度，净化空气质量，杜绝了粉尘爆炸事故的发生。其主要研究内容如下:
　　1.以二维平面为计算域，不考虑气流压缩性和喷管结构的影响，在不同超音速横风下对液柱一次雾化、液滴二次雾化和激波雾化机理进行数值模拟分析。
　　2.根据对雾化机理和拟一维喷管流动解析解，设计拉瓦尔喷管结构曲线以及三种不同液膜环缝的形状、位置的内喷管，建立超音速气雾化喷头三维模型。
　　3.考虑气流的压缩性，对超音速气雾化喷头内喷管气流加速特性研究，通过数值计算软件Fluent对超音速气雾化喷头二维模型气-液两相雾化和三维模型工作环境下气雾化流场的模拟验证。
　　根据液柱一次雾化模拟结果，得到液柱横风下雾化粒度状态和穿透深度动态图，并拟合得到横风速度与液柱直径对穿透深度的经验公式;根据液滴横风下的二次雾过程的可视化模拟结果，解释了液滴从表层液的蠕动、变形到完全破碎为二次液滴的物理原因;尝试激波脉冲作用下对液滴的的雾化模拟;对所设计内喷管模拟得到气流加速特征曲线，并通过气-液两相紧耦合VOF+Level Set模型模拟，得到内喷管压力、速度、湍流强度等分布云图;对超音速气雾化喷头三维模型除尘工况模拟，得到气雾卷吸污风的三维流场。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 超音速气雾化喷头的研究背景及选题意义

1．1．1 国家产能背景

1．1．2 煤矿粉尘危害

1．2 煤矿井下除尘研究现状

1．2．1 目前各种除尘方式及优缺点

1．2．2 煤矿井下高压喷雾除尘研究现状

1．3 超音速气雾化国内外研究现状

1．3．1 国内外超音速气雾化机理研究

1．3．2 激波雾化研究现状

1．4 论文主要研究工作和结构安排

2 超音速气雾化机理及数学模型

2．1 雾化机理

2．1．1 雾化机理研究方法

2．1．2 一次雾化机理

2．1．3 一次雾化数学模型

2．1．4 二次雾化机理

2．1．5 二次雾化数学模型

2．1．6 激波雾化

2．2 雾化粒度

2．2．1 喷雾尺寸分布

2．2．2 平均直径与特征直径

2．3 穿透深度

2．4 气雾分散均度

2．5 本章小结

3 横风下超音速气雾化过程数值模拟

3．1 数值计算方法

3．1．1 数值模型

3．2 横风下的液柱破碎模拟

3．2．1 一次雾化过程模拟

3．2．2 穿透深度分析

3．3 二次雾化机理模拟

3．4 激波雾化模拟

3．4．1 激波的创建和捕捉模拟

3．4．2 激波雾化模拟结果分析

3．5 本章小结

4 超音速气雾化喷头结构设计及建模

4．1 引言

4．2 喷头结构设计

4．2．1 拉瓦尔喷管数学模型

4．2．2 拉瓦尔喷管尺寸设计

4．2．3 拉瓦尔喷头结构设计

4．4 本章小结

5 气雾化喷头雾化模拟

5．1 引言

5．2 内喷管气流加速流场的二维模拟

5．2．1 前处理

5．2．2 结果分析

5．3 二维模拟结果分析

5．3 三维模拟结果分析

5．4 本章小结

结论与展望

参考文献

致谢

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