基于fluent软件的粉尘在筛分车间除尘管道内沉降规律的研究.pdf

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1、试验研究基 于FLUENT软 件 的 粉 尘在 筛 分 车 间 除 尘 管 道 内 沉 降 规 律 的 研 究张原1,桂祥友1, 2,徐佑林1(1.贵州大学矿业学院 贵州 贵阳550003; 2.贵州省毕节地区煤炭管理局 贵州 毕节551700)摘要:针对某选煤厂筛分车间的除尘管道,根据流体动力学原理和气固两相流理论,结合现场实测的数据,建立了模拟粉尘沉降运动规律的数学模型,并应用FLUENT软件对除尘管道的水平、 垂直、90弯头管段内的粉尘沉降规律进行数值模拟,得出了粉尘在这3种管段中的沉 降轨迹,为提高筛分车间除尘效率提供了重要的理论依据。关键词:粉尘治理 粉尘颗粒 运动轨迹中图分类号:

2、T D926. 2+4 文献标识码: A 文章编号: 1006 - 0898(2010)04 - 0011 - 050 引言选煤厂筛分车间粉尘飞扬严重,除尘系统效 果的好坏直接影响人的健康 。除尘管道是除尘系统的重要组成部分,是内表面积最大的关键部件,因 此 也 成 为 积 尘 问 题 最 严 重 的 部 位 之一 3 。 2 积尘严重会导致除尘系统效率低下,更 严重的是当管道温度较高或不小心有火星进入析,决定采用锚网、 锚索、 喷浆、 马蹄形全封闭拱形支架联合支护(图1)。图1 锚网索喷全封闭拱支联合支护断面示意 锚网、 锚索支护参数:锚杆采用Q335高强 度螺纹钢锚杆,拱顶采用 22250

3、0mm锚杆,帮部采 用 202500mm锚杆,间 排距 为600 600mm , ZK2390、ZK3550型树脂药卷端头锚固,金属菱形网护顶帮;锚索采用钢绞线锚索,拱顶采 用 1 7. 8mm1 0 0 0 0mm锚索,帮 部 采用 17. 8mm8000mm锚 索,间 排 距 为15001500mm, ZK2390型树脂药卷端头锚固,锚索滞 后掘进面不得超过8m。36U马蹄形全封闭支护参数:巷道断面设 计为 拱 形 断 面,架 设 下 宽 为5 5,高 为3的36U马蹄形全封闭支架,支架底拱梁为3节,棚距为600mm,棚后留300mm让压距,每棚18副卡缆, 10块连接板 。 喷浆支护参数

4、:喷浆厚度50100mm。5 效果分析为检验锚网索喷36U马蹄形全封闭拱型支架联合支护的效果,在施工完毕后,对巷道进行表面位移观测。从统计数据可得:顶板最大下沉量为5mm /d,最小下沉量为1. 7mm /d;底鼓量降 为3. 57. 7 mm /d。在几次强度较大的冲击地压发生后,巷道变形较小,支架完好,顶底板移近量小于0. 3m,远远小于原支护时巷道顶底板移 近1. 3m1. 5m的变形量,围岩变形得到了有效的控制,满足了矿井安全生产的需要。6 结语该支护技术的应用,不但为千秋煤矿深部孤岛工作面巷道支护提供了有力的技术保障,促进了矿井的安全生产,同时也为类似条件下巷道支护提供了良好的技术借

5、鉴。作者简介: 刘会强(1986 -),男,河南义马人, 2008年毕业于河南理工 大学采矿工程专业,现在义煤集团公司千秋煤矿生产科工作 。收稿日期5第4期 2010年12月水力采煤与管道运输 HYDRAUL IC COAL M I N I N G Lagrange法则借助于排列到流体中的颗粒群位移统计性质来描述其状态,数学处理较容易。下面采用L法来研究粉尘颗粒的 运动轨迹。在Lagrange坐标中,根据牛顿第二定律,可以建立单颗粒的运动方程式:mpd v_p dt=F_i式中: mp为粉尘颗粒的质量, kg; v_p、v_g为粉尘颗粒和流体的运动速度, m /s; t为粉尘颗粒运动时间, s

6、; F_i为粉尘颗粒受到的作用力, N。 由于固体颗粒和流体密度 g p,所以,通 常浮力可以忽略不计。如果颗粒在运动中不发生和壁面(或颗粒之间)的碰撞, F_i也可以忽略 不计 。其中阻力表达式可表示为:F_r= 3 gdpf (_g-_p)则粉尘颗粒沿X轴和Y轴的运动轨迹方程 为:2010年12月水力采煤与管道运输第4期agrange121学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m在X轴方向上:1 6d3 pdupdt= 3 gdpf(ug-up)+1 6dp3 gdugdt+1 216dp3 g(dugdt-dupdt)+3 2dp3( gg)1 2t0(dugdt-

7、dupdt)t-d(1)在Y轴方向上:1 6d3 pdwpdt= 3 gdpf(wg-wp)+1 6dp3 gdwgdt+1 216dp3 g(dwgdt-dwpdt)+3 2dp3( gg)1 2t0(dwgdt-dwpdt)t-d-1 6dp3 g+1 8dp3 gdp3(ug-up)+ 1.61(gg)1 2( ug-up) (dugdy)1 2(2)其中wp、up和wg、ug分别表示气体和颗粒在Y轴和X轴方向上的分速度 。(1)和(2)简化后可得:d dt( up-ug)= -1 ( up-ug)+A(3)d dt(wp-wg)= -1 (wp-wg)+B(4)式中:=(p+ 0.5g

8、)dp2/18f,为颗粒的松弛时间; f=CDRe 24;A=( (g-p)dugdt+9( gg)0.5dp)t0dugd t-dupdtt -dp+0.5g;B=( (g-p)dwgdt+9( gg)0.5dp)t0dwgdt-dwpd tt -dp+0.5g-g+0.75g( ug- up)+61.61(gg)0.5dp( ug- up) (dugdy)0.5-272 g gTgd2 p(11+3CD2l dp) (kgkp+ Ct2l dp1+2kgkp+2Ct2l dp)dT dy(p+0.5g)。方程(3)和(4)可用四阶Runge-Kutta方法积分求解,从而得到wp和up。而颗

9、粒的位置可由下列方程求得:dxpd t=up(5)dypd t=wp(6)采用数值积分方法求解上面两式可得:xp=xpo+( up+upo)t/2(7)yp=ypo+(wp+wpo)t/2(8)式中: xpo和ypo、upo、wpo分别为颗粒的初始位置和速度, 为积分时间,反复运用上面式(3)式()就可以得出颗粒的运动整个轨迹。固体颗粒在除尘管道内运动时所受外力很复杂,如果全部考虑会导致计算结果不精确且无 针对性,因此将对筛分车间粉尘颗粒运动轨迹的影响极小的虚假质量力、 压力梯度力、Basset力、Magnus力及Saffman忽略不计,主要考虑气流曳引阻力和颗粒自身重力的影响,由此简化方程(

10、1)和(2)可以得到适合筛分车间的粉尘颗粒运动轨迹方程4。X轴方向上:1 6dp3pdupdt= 3 gdpf(ug-up)Y轴方向上32010年12月张原等:基于FLU ENT软件的粉尘在筛分车间除尘管道内沉降规律的研究第4期t 8:1学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m1 6dp3 pdwpdt=3 gdpf(wg-wp)-1 6dp3 pg3 数值模拟3. 1 定义边界条件 (1)入口边界条件入口速度为常温状态的空气,入口处气流速度采用平均速度, k和 通过湍流强度和水力直径间接给出。湍流强度为0. 02,管道水力直径为0. 589m。 (2)出口边界条件出口设

11、为流动充分发展的压力出口,出口压力为标准大气压 。(3)壁面边界条件壁面处采用无滑移边界条件,在壁面附近采用标准壁面函数法处理 。 (4)粉尘条件设为面尘源,颗粒粒径为10m,入口速度跟风流速度一致,经现场测试,入口风速为9m / s,因此粉尘入口速度设为- 9m / s(根据三维模拟结构坐标确定方向)。 (5)差分格式选择控制方程组采用有限体积法离散求解。差 分格式采用二阶迎风,代数方程组采用分离隐式求解方法,采用SI M PLE算法求解压力耦合方程组,考虑颗粒与流体之间,颗粒与k之间的四向耦合 。3. 2 数值模拟结果 在参数设定完成后,将迭代步骤定为500 ,迭代结束证明方程收敛后,就会

12、得到竖直管段 、 水平管段 、 弯头处粉尘的沉降规律,从中可以清楚地看到粉尘在除尘管段内的运动形式 。2010年12月水力采煤与管道运输第4期9041学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m复 合 顶 板 软 岩 巷 道 锚 注 支 护 数 值 模 拟 研 究耿清友(河北理工大学资源与环境学院 河北 唐山063000)摘要:基于数值模拟软件FLAC3D,对复合顶板软岩巷道锚注支护进行了仿真模拟 。通过分析 不同锚注支护复合顶板巷道的变形,可以得到锚注支护使巷道顶板中点的位移量减小75 %左右。对锚注支护前后及不同间排距条件下围岩的应力、 位移及最大主应力区的变化情况等进行

13、了系统分析,结果表明,锚注支护显著提高了围岩的强度和承载能力,有效地控制了深部软 岩巷道的损伤变形 。关键词:锚注支护 数值模拟 复合顶板中图分类号: T D353+. 6 文献标识码: A 文章编号: 1006 - 0898(2010)04 - 0015 - 04我国软岩以及软岩巷道支护技术的研究内容可分为两个方面 1 2 ,一方面是在软岩支护中起重要作用的锚喷技术,另一方面是具有我国特 色的软岩综合控制技术 。锚注技术是利用锚杆兼做注浆管实现外锚内注的支护方式 。通过注浆将破碎围岩胶结成整体,改善围岩的结构及其物理力学性质,既提 高围岩自身的承载能力,又为锚杆提供了可靠的着力基础,使锚杆对

14、松散围岩的锚固作用得以发挥,从而有效控制深部软岩巷道的大变形 3 。文章基于FLAC3D,就复合顶板软岩巷道锚注支护进行了数值模拟,并进行了不同间距下的锚注支 护效果模拟和对比。1 计算模型采用的模型如图1。其中,模拟的巷道位于 3#煤层中,各层的倾斜角均为20 。岩体的破坏准 则选取莫尔-库仑准则 4 。 本文取模型尺寸4 结论通过对16图中图形的分 析得到以下结论: (1)粉尘进入竖直除尘管道后,一方面随着风流流动,一方面横向随机扩散,在竖直管道内,扩散强度不大,主要是风流对粉尘运动轨迹起主导作用,只有少数粉尘扩散到管道壁面,大部分 随风流排出管道 。 (2)粉尘进入水平除尘管道后,受气流

15、作用一起运动,靠近壁面的粉尘明显没有管道中心区 域的粉尘运动快,少数粉尘扩散到两侧和顶面管壁,因为受到重力作用,更多的粉尘在随风流运动的同时,不断的沉降,落在除尘管道底部。其他粉尘随风流排出管道 。 (3)粉尘在90 弯头 内的运动轨 迹较为复杂。气流在管道外壁处的压力比较大,内壁比较小,因此粉尘颗粒 多沉积在内壁处 。如图6所示,粉尘沉积主要是在内壁的上下拐点处。 ( )综上所述,经过比较,粉尘沉降较为严重的地方是除尘管道系统中的水平管段 。由于粉尘在除尘管道内的运动轨迹复杂多变,在粉尘实际扩散过程中,粉尘的运动十分复杂 3 ,还有很多的问题有待于进一步的研究与深化 。特别是针对粉尘容易在水

16、平管道沉积的问 题,要深入研究,得出能够最大限度地减小水平管道内粉尘沉降所需的风速、 管径等一系列条件,为除尘系统的高效运行提供保障。参考文献 1 罗根华.转载点粉尘扩散模式和与综合治理方案 D .辽宁工程技术大学. 2006 2 赵菊恒.灰尘在风管中运动轨迹的数值模拟 J .有色冶金设计与研究. 2006 ( 12) .P5255 3 胡永梅,韩云龙.空调系统通风管道尘粒沉降与沉积的影响因素 J.建筑热能通风空调. 2008(6).P22P25 4 桂祥友,张原等.霍林河选煤厂产尘分析及粉尘运动轨迹研究,东北大学学报2009增刊作者简介: 张原,女,辽宁省铁岭人,硕士,现就读于贵州大学矿业学院 安全工程及技术专业。收稿日期35第4期 2010年12月水力采煤与管道运输 HYDRAUL IC COAL M I N I N G & PIPEL I NE TRANSPORTAT I ONNo. 4 D ec . 20104 : 2010 - 04 -01学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m