（安全技术及工程专业论文）钻孔口高射吸比水力旋转射流吸除尘的研究.pdf

学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密 口。 学位论文作者签名：卢謦乙，嗣 2 0 0 9 年月同弘护， 指导教师签名 2 0 0 9 年q 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 靴敝储獬：秘胴 日期们10 川。 钻孑l 口高射吸比水力旋转射流吸除尘的研究 s t u d y o n h y d r a u l i c r o t a t i o nj e td u s tc a t c h e r w i t hh i g hr a t i oo fw a t e rj e to n d r i l l i n gs i t e 专业名称塞全这苤厘王猩 指导教师呈生飞塾拯 姓名萱丝题 2 010 年6 月 江苏大学硕士学位论文 摘要 目前，我国具有粉尘爆炸危险和尘肺病危害的矿井大量存在，严重威胁到 煤矿安全生产和人员健康。作为煤层开采最基本的生产工序之一，钻孔是矿 井主要的尘源之一。本文着眼于解决矿井下钻孔产生粉尘的治理问题，研制 高效率的水力旋转射流吸除尘器，并对高射吸比水力旋转射流吸除尘器的除 尘效果进行实验研究，其特点是结构简单，安全性能好，适用性广。 本文研究的主要内容有高射吸比水力旋转射流吸除尘机理，利用有限空间 射流理论、计算流体力学、通风除尘、数理统计等理论研究分析高射吸比水 力旋转射流吸尘与除尘基本原理，确定实验研究相关参数及其范围，对实验 研究、数字模拟研究结果进行分析总结实验研究包括参数优化实验和验证实 验。参数优化实验主要是水力旋转射流吸除尘器结构与参数对吸尘量和吸尘 效率的关系，包括不同喉嘴距、喉管长和除尘器结构、不同吸尘罩型式以及 水压等对除尘器吸风量和吸尘效率的影响，验证实验是对理论研究和数值模 拟含尘水力旋转射流中的运动过程、射流内部流场分布规律的验证。 本文研究的实验研究方法主要有实验室实验研究、数值模拟实验研究和现 场工业性试验研究。实验室研究包括不同除尘器模型的制作、实验系统的建 立、实验数据的测定分析等；采用正交实验的方法，选择最佳的实验方案， 确定高压水力旋转射流吸风除尘器的最优结构尺寸，并分析得出水力旋转射 流吸除尘器的最佳匹配参数；采用曲线拟合的方法分析不同吸尘罩型式对水 力旋转射流吸除尘器吸尘效率的影响，找出针对钻孔口产生粉尘的最佳处理 l 江苏大学硕士学位论文 方式。数值模拟实验主要是对高压水力旋转射流吸风除尘器对钻孔口的除尘 作用进行模拟计算，模拟结果表明，高压水力旋转射流吸风除尘器对钻孔作 业时所产生的粉尘起到了很好的控制作用，有效地达到了除尘效果，提高了 煤矿生产的安全系数。通过将高压水力旋转射流吸风除尘器及其配套设施应 用于综采工作面风巷钻孔现场，有效地解决了钻孔作业时的粉尘污染的问题， 现场的工业性试验结果体现了高压水力旋转射流吸风除尘器的经济性和实用 性。 总之，通过数值模拟研究和工业性试验研究，有效地验证了实验研究的正 确性，很好地说明了高压水力旋转射流吸风除尘器及其配套设施对治理钻孔 作业时所产生的粉尘效果是安全和高效的。 关键词：水力旋转射流吸除尘器，吸尘罩，粉尘，钻孔，数值模拟 江苏大学硕士学位论文 a bs t r a c t a tt h ep r e s e n tt i m e ，t h e r ea r eag r e a td e a lo fc o a lm i n ew h i c hh a sd u s t e x p l o s i o na n dp n e u m o c o n i o s i sh a z a r d st h a ts e r i o u s l yt h r e a t s t ot h e s a f e t y p r o d u c t i o na n dp e r s o n n e lh e a l t hi nc o a lm i n e a sab a s i cp r o c e d u r ei nc o a lm i n e ， d r i l l i n gi sam a j o rs o u r c eo fd u s tp o l l u t i o n t h et h e s i sp u t se m p h a s i so nc o n t r o l l i n g a n dm a n a g i n gt h ed r i l l i n gd u s t ，d o i n gr e s e a r c ho nh y d r a u l i cr o t a t i o nj e td u s t c a t c h e r ( h r j d c ) w i t hh i g hr a t i oo fw a t e rj e t ，a n dm a n u f a c t u r eo ft h ee q u i p m e n t t h eh r j d ch a ss i m p l es t r u c t u r e ，g o o ds a f e t yp e r f o r m a n c ea n dw i d e a p p l i c a b i l i t y t h et h e s i sh a ss e v e r a lm a i nc o n t e n t s ：s t u d yo nd e d u s t i n gm e c h a n i s mo f h r j d c ；t a k ea d v a n t a g eo ft h et h e o r yi nf i n i t es p a c ej e t ，c o m p u t a t i o n a lf l u i d d y n a m i c s ( c f d ) ，v e n t i l a t i o na n dd u s tr e m o v a l ，m a t h e m a t i c a ls t a t i s t i c s ，s t u d yt h e b a s i cp r i n c i p l e so fh r j d c ，t od e t e r m i n et h ep a r a m e t e r sa n di t s s c o p eo ft h e e x p e r i m e n t a ls t u d y ；a n a l y z ea n ds u m m a r i z et h er e s u l t so fe x p e r i m e n t a ls t u d ya n d n u m e r i c a ls i m u l a t i o n t h e e x p e r i m e n ts t u d yi n c l u d e sp a r a m e t e ro p t i m i z a t i o n e x p e r i m e n t a n dv e r i f i c a t i o n e x p e r i m e n t p a r a m e t e ro p t i m i z a t i o ne x p e r i m e n t a n a l y z et h ei n f l u e n c eo fr e l e v a n tf a c t o rs u c ha sd if f e r e n th y d r a u l i cp r e s s u r e ， d i f f e r e n td i s t a n c eb e t w e e nl a r y n x t u b ea n dn o z z l e ，d i f f e r e n ts t r u c t u r eo f a b s o r b i n g d u s tc a t c h e ro fs u c t i o n p e r f o r m a n c e a n dd u s t c a t c h e f f i c i e n c y v e r i f i c a t i o n e x p e r i m e n ta n a l y z et h er e s u l to fd e d u s t i n gm e c h a n i s mo fh r j d c ，n u m e r i c a l s i m u l a t i o no fc f d ，m o v e m e n to fw a t e rs w i r la n dd i s t r i b u t i o no f j e tf l o wf i e l d 江苏大学硕士学位论文 t h em e t h o d su s e di nt h i st h e s i si n c l u d el a be x p e r i m e n t ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n e x p e r i m e n ta n di n d u s t r i a le x p e r i m e n ti np r a c t i c e e x p e r i m e n t o nm a k i n go f d i f f e r e n tm o d e lo fw a t e r - i n h a l ed u s tt u b e ，f o u n d a t i o no fe x p e r i m e n t a la n dt e s t i n g s y s t e m ，m e a s u r a t i o na n da n a l y s i so fe x p e r i m e n td a t aa n ds o o n u s ev e r t i c a l m e t h o di no r d e rt oe n s u r et h eb e s te x p e r i m e n ts c h e m ea n da s c e r t a i nt h eo p t i m u m s t r u c t u r a ls i z e so fh r j d c u s ec u r v ef i t t i n gm e t h o dt od e t e r m i n et h ei n f l u e n c eo f d i f f e r e n td u s ts u c t i o nh o o dt ot h ed u s t - c a t c he f f i c i e n c ya n df i n do u tt h eb e s t m e t h o do fc o n t r o la n dm a n a g e m e n to fd r i l ld u s t n u m e r i c a ls i m u l a t i o ne x p e r i m e n t i s m a i n l ya b o u tt h ec o a l d u s t r e d u c t i o no fh r j d c ，t h er e s u l to fn u m e r i c a l s i m u l a t i o ni n d i c a t e st h a th r j d ch a sag o o dp e r f o r m a n c eo nc o a ld u s tc o n t r o la n d h i g he f f i c i e n c yi nd e d u s t i n g ，i m p r o v e st h es a f e t ys t a t u si nm i n ei n d u s t r y t h e p r o b l e mo fc o a ld u s ti ss o l v e de f f e c t i v e l yb yi n s t a l l i n gh r j d ca n dc o l l o c a t i o n f a c i l i t i e sw i t ht h ed r i l l i n gm a c h i n ei na i ro p e n i n go ff u l l y - m e c h a n i z e dc o a lf a c e ， t h er e s u l to fi n d u s t r i a le x p e r i m e n tp r o v e sh r j d ct ob ew o r t h yo fe c o n o m ya n d s o c i e t y i naw o r d ，t h er e s u l t st h a tc o m ef r o mn u m e r i c a le x p e r i m e n t ，l a be x p e r i m e n t a n di n d u s t r i a le x p e r i m e n ti n d i c a t et h a ti ti ss a f ea n de f f i c i e n tt oc o n t r o lc o a ld u s to f a i ro p e n i n go ff u l l y m e c h a n i z e dc o a lf a c ew h e n d r i l l i n g k e y w o r d s ：l i q u i d g a ss w i r l i n gj e td u s tc a t c h e r ( h r j d c ) ，d u s ts u c t i o nh o o d ， d u s t ，d r i l l i n g ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 江苏大学硕士学位论文 目录 第一章绪论1 1 1 项目研究的背景一l 1 2 高压水射流除尘技术的特点1 1 3 国内外的研究现状一2 1 3 1 钻孔产生粉尘的治理现状2 1 3 2 旋转水射流研究现状3 1 3 3 多相流体力学研究方法现状5 1 4 论文研究的目的和意义6 1 5 论文研究内容和技术路线一6 1 5 1 论文研究内容6 1 5 2 技术路线7 第二章水力旋转射流吸除尘基本理论及分析。9 2 1 射流基本理论9 2 1 1 射流的定义与分类9 2 1 2 射流的结构9 2 1 3 射流的特点1o 2 1 4 射流基本方程1 l 2 2 旋转射流理论1 2 2 2 1 旋转射流的形成1 2 2 2 2 旋转射流的运动方程1 3 2 2 3 旋转射流的流速分布l5 2 3 水力旋转射流吸除尘器的吸尘除尘机理1 7 2 3 1 多相流体力学简介一1 7 2 3 2 气液两相流理论17 2 3 3 水力旋转射流吸除尘器吸尘机理2 0 v 江苏大学硕士学位论文 2 3 4 水力旋转射流吸除尘器除尘机理2 1 2 4 水力旋转射流吸除尘设备尺寸范围的理论分析2 2 第三章水力旋转射流吸除尘实验研究 3 1 试验装置及系统2 8 3 2 实验方案2 9 3 2 1 参数优化组合实验3 0 3 2 2 吸尘效率随水压变化趋势实验3l 3 3 实验参数及测定方法3 l 3 3 1 供水参数的测定3 1 3 3 2 吸风量的测定3l 3 3 3 静压的测定一3 3 3 1 3 4 吸尘效率的测定3 3 3 3 5 粉尘粒径分柿的测定一3 4 3 4 参数优化实验结果及分析3 5 3 4 1 实验环境一3 5 3 4 2 水压和耗水量关系实验结果及分析3 5 3 4 3j 下交实验结果分析3 6 3 5 吸尘效率随水压变化趋势实验结果及分析3 8 3 5 1 实验原始数据记录一3 8 3 5 2 实验数据分析4 1 第四章高射吸比水力旋转射流吸除尘数值模拟初步。4 6 4 1f l u e n t 软件简介4 6 4 1 1f l u e n t 软件的组成4 6 4 1 2 各软件之间的协同关系4 7 4 2 流体力学基本方程和控制方程4 8 4 2 1 质量守恒方程4 8 4 2 2 动量守恒方程一4 8 4 2 3 能量守恒方程4 9 4 2 4k 一占方程5 0 v 1 江苏大学硕士学位论文 4 3 实验方案5l 4 4 问题描述5l 4 5 参数设置5 3 4 6 数值模拟分析5 4 4 7 本章小结6 4 第五章工业性试验研究 6 6 5 1 试验地点概况6 6 5 2 试验系统6 6 5 3 试验步骤6 8 5 4 试验结果。6 8 5 4 1 实验数据记录。6 8 5 4 2 试验结果分析7 0 第六章结论与展望 参考文献。 致谢 攻读硕士期间已发表论文 7 4 7 9 8 0 江苏大学硕士学位论文 江苏大学硕士学位论文 1 1 项目研究的背景 第一章绪论 粉尘具有尘肺病和粉尘爆炸两大危害，且影响作业人员数量较大。据不完全统计，全 国煤矿尘肺病患者达3 0 万人，占全国尘肺病患者5 0 左右，仅国有重点煤矿每年新增尘 肺病患者近5 0 0 0 例，平均每年死亡2 5 0 0 人以上，煤矿尘肺病每年造成直接经济损失数十 亿元；煤尘爆炸事故也常有发生，大量人员死亡，损失惨重，如2 0 0 5 年1 1 月2 7 日，黑 龙江龙煤矿业集团有限责任公司七台河分公司东风煤矿发生的特别重大煤尘爆炸事故，造 成1 7 1 人死亡，4 8 人受伤，直接经济损失4 2 9 3 万元【1 1 。2 0 0 7 年4 月1 6 日，河南平顶山市 宝丰县王庄煤矿井下发生煤尘爆炸事故，井下被困人数3 1 人。目前我国煤矿具有煤尘爆 炸危险的矿井普遍存在，全国煤矿中具有煤尘爆炸危险的矿井占煤矿总数的6 0 以上， 国有重点煤矿中具有煤尘爆炸危险性的煤矿占8 7 4 ，其中具有强爆炸性的占6 0 以上【2 】， 因此，粉尘治理非常重要。而钻孔是地层开采最为基本的生产作业工序之一，也是主要产 尘尘源之一，据测定，干式钻孔产生的粉尘浓度可达8 0 0 - - 1 8 0 0 m g m 3 ，所以，治理钻孔 产生的粉尘是保护作业人员健康与安全的主要措施之一。 1 2 高压水射流除尘技术的特点 ( 1 ) 便于实现自动控制。工作压力虽然很高，但由于采用了液压控制，整个系统显得 结构简单便于操作。同时，高压水射流【3 】的工作机构具有喷头体积很小、后坐力小、移动 方便，便于实现光控、数控或机械手控制。 ( 2 ) 安全卫生。因为高压水射流技术【4 】的主要工作介质是水，本身没有运动部件，运行 过程中振动小、不产生灰尘，满足了生产卫生的要求。尤其是水射流在运行过程中不会发 热、产生火花，适用于防火、防爆、防瓦斯等危险场所，增强了运行的安全性。 ( 3 ) 经济性好。水射流的工作介质是水，不但丰富易取而且便宜，并且高压水射流技 术在使用过程中耗水量非常小，这就为高压水射流技术的应用提供了竞争力。高压水射流 设备与一般的机械设备相比，其运行过程中不会产生发热、磨损、寿命短等现象，这可以 在很大程度上减少运行费用和零部件的更换。 ( 4 ) 适用范围广。由于高压水射流技术自身的一些特点，其应用范围已经扩展到建材、 】 江苏大学硕士学位论文 建筑、机械、纺织、航天航空、机械加工、军工、电力电子工业、医疗、农业以及市政工 程等等，尤其在煤矿工业中，高压水射流技术的应用越来越广泛，高压水射流技术已经渗 透到国民经济的每一部分，应用十分广泛。 高压水射流以其成本低、效率高、环境适应性强等特点，逐渐成为矿业除尘中主要的 除尘方法。水力旋转射流吸除尘技术是利用高压水射流和旋转射流除尘器相结合，对于钻 孔口产生的粉尘，具有高效率的治理效果。 1 3 国内外的研究现状 1 3 1 钻孔产生粉尘的治理现状 为治理钻孔产生的粉尘，国内外主要采取湿式钻孔、；f l p 勺喷雾和干式钻孔孔口捕尘措 施。 湿式钻孔按供水压力可分为高压水湿式钻孔和低压水湿式钻孔，典型的高压湿式钻孔 如采用d 饵一1 0 0 0 a 型钻机钻孔【5 1 ，用于钻垂直和倾斜4 5 度以内的地质勘探孔，煤f 只勘 探孔和石油勘探等；采用湿式风动凿岩机、湿式气动钻机、湿式煤电钻钻孔是典型的低压 湿式钻孔。液压煤钻是以井下乳化液泵站为动力源，通过液压马达，将液压能转化为机械能， 经过输出轴以转矩输出方式进行钻孔，其中有小部分乳化液经空心钻杆到钻头，实现湿式 钻孔。乳化液煤层液压钻【6 】以炮采工作面的外注式单体液压支柱的乳化液泵站为动力源， 也可另配动力源。液压钻由液压马达、输出装置及管件控制装置三大部分组成，以高压乳 化液驱动液压马达，少量回流低压乳化液经可调节流阀从联接装置处引入钻杆孔底实现湿 式钻孔。 孔内喷型7 1 的原理是通过调节水量使水经过喷头进行第一次雾化，再通过压缩空气使 水第二次雾化，水与压缩空气充分混合后，形成雾态水顺着风料带与钻杆进入孔底，通过 钻头空隙与煤尘充分混合，由于粉尘越细其比表面积越大，表面活性越强，越容易吸附水 分子。因此【8 1 ，水与压缩空气的混合气体就把钻孔中的细小煤尘变成了大颗粒的煤尘，在 压缩空气的强大推力下排出孔外。 钻：f l n 捕尘【9 】可分为钻孑l n # l - 喷雾、孔口封闭加除尘器、钻孔口泡沫捕尘和钻? l n 吸 尘除尘技术。 孔口封闭加除尘器中【10 1 ，将孔内煤粉收集到集尘管内，然后再在灭尘管内设置若干个 2 江苏大学硕士学位论文 喷雾头，将具有一定压力的清水直接接到喷雾头上，在灭尘管内形成若干个覆盖灭尘管全 断面的净化水幕进行集中灭尘。鹤壁中泰矿业有限公司的除尘装置将孔内煤粉收集到集尘 管内，然后再在灭尘管内设置若干个喷雾头，将具有一定压力的清水直接接到喷雾头上， 在灭尘管内形成若干个覆盖灭尘管全断面的净化水幕进行集中灭尘】；鹤煤集团公司五矿 的除尘器由漩流体、喷头、水箱、壳体等组成，粉尘从封孔器三通排出后，通过钢丝胶带 先进入除尘器的漩流体进行初次除尘，后通过喷头冲击水箱中的水进行湿式水浴式除尘【1 2 1 。 钻孔口泡沫捕尘中【1 3 】，泡沫由风式泡沫发生器产生，发生器由进风管、吸液管、腔体、 泡沫喷头组成，当接通压风后，腔体内产生负压，吸液管将发泡液吸入腔体，在压风作用 下经泡沫喷头产生大量泡沫喷出并封堵孔口吸附煤尘。 钻孔口吸尘与除尘技术中【1 4 】，吸风吸尘方法主要为叶轮旋转风机、压气引射或风动马 达吸尘，采用的除尘器主要有惯性除尘器、旋风除尘器、过滤式除尘器、湿式除尘器等。 如研制的k q 1 5 0 潜孔钻机【搭】利用机械旋转离心式通风机吸尘，利用旋风除尘器和袋式除 尘器除尘；风动马达吸尘与除尘器由壳体、气动马达、风机叶轮、滤布袋、封孔器及连接 管组成，风动马达带动叶轮旋转后吸入粉尘并通过滤佰过滤除尘；风动钻孔【l6 】除尘装置利 用使得压风在旋流器旋转后在中心部位的负压来i 吸尘，再经过给水坏将水与粉尘混合降尘。 1 3 2 旋转水射流研究现状 近些年来，国外对旋转水射流研究的成果主要集中在旋转射流的不稳定性、旋转射流 的动力学特性、旋转射流的旋涡衰退、旋转射流的流动模式以及旋转射流的结构等等；国 内的研究大多数都是围绕着旋转射流规律以及旋转射流的流动特性和对旋转射流强度进 行理论分析和计算、含悬浮颗粒旋转射流的场的稳定性、旋转射流初始阶段的理论模型和 运动的微分方程组、旋转射流分裂雾化机理、旋转射流驱散积聚瓦斯和除尘等方面进行。 旋转射流的运动规律实验研究【 】得出的研究结论是：旋转射流在近喷嘴范围内，射流 轴心线上来流速度、压力、轴向速度和切向速度均出现低值，而最大值出现在离轴心线一 定半径范围内的环形区域上。射流的主体段上，来流速度、压力和轴向速度剖面均呈现“m ” 形分布特点，切向速度剖面呈现“n 形分布特点；随着流向喷射旋转射流的断面不断地向 外扩散，速度和压力剖面越来越平缓，直到较远截面处，发展成类似普通圆射流的分布规 律。旋流强度越大，射流的扩散程度就越大；旋转射流的速度和压力衰减较快，界面最大 轴向速度和切向速度的衰减均与喷距的负指数成一比，而且切向速度的衰减比轴向速度更 快，界面最大轴向速度随着旋流强度的增加衰减加快，且向速度的衰减基本上与旋流强度 3 江苏大学硕士学位论文 没有关系。 旋转液体射流雾化的理论与实验研刭1 8 】介绍了旋转液体射流的雾化机理，并采用 n a v i e r - s t o k e s 液体力学方程组建立喷嘴内部旋转流动和喷嘴外部旋转液体射流的计算公式。 在微小单元段作某些假定的条件下得到速度和压力的分析解。分析了旋转液体射流的雾化 理论，讨论了影响射流雾化的主要因素有喷嘴的结构、工作液体的压力以及喷嘴的尺寸等。 通过对喷雾装置的一系列模拟实验，观察“软雾”和“硬雾”的雾化状态，测量雾化角和测定 不同水压力和旋转射流直径的关系曲线。 旋转喷嘴中空旋转射流近区域流动的研究【旧】从理论上分析了旋转射流喷嘴喷出的中 空射流近区域的液膜的运动，在只考虑液膜表面张力的作用下，应用质量守恒和动量定理， 建立了描述液膜运动的非线性常微分方程组，该方程组可以用数值方法方便地求解，研究 结果表明：旋转射流喷嘴产生的中空射流在无扰动作用时，将以液膜的形式发展，液膜的 外形呈葫芦形状，速度等参数周期性变化；在喷嘴参数相同时，射流速度越大液膜的葫芦 外形也将越大；扰动在液膜上的发展导致液体破碎，液膜只在喷嘴射流的近区域中存在， 但当扰动发展相对较慢，如流速很低时，葫芦形液膜可以在实验中得到观察。该研究结果 进一步地从理论上研究液膜破碎雾化过程的基础。 空心旋转液体射流初始阶段特性【2 0 】应用质量守恒定律和动量守恒定律，建立了描述 空心旋转液体射流初始阶段运动的非线性常微分方程组，该方程组可以用数值方法方便的 求解，且理论计算的结果与实验拍摄到的射流照片吻合很好。其研究的结果表明，在没有 外界扰动的情况下，旋流喷嘴射流在自由空间中将形成橄榄形的空心旋转瘤，射流的形状， 速度分布及厚度沿射流轴线成周期性的发展变化规律。并且通过实验研究的结果和理论计 算结果进行对比分析，证明了用于描述旋流喷嘴所形成的空心旋转射流初始阶段运动的理 论模型是正确的，为进一步从理论上研究空心旋转射流破碎雾化机理奠定基础。通过实验 研究，以射流理论模型为基础，结合光学实验方法对实际的旋流喷嘴射流特性进行深入的 研究，其重点是实际射流形状的变化规律，喷嘴的初始速度系数和初始旋流度的变化规律 等。通过实验对旋转射流喷嘴射流特性做进一步深入的研究，特别是实际射流形状的变化 规律及喷嘴初始参数的变化规律，结果表明：喷射压力、喷射介质、喷孔尺寸参数等可控 射流参数对射流形状有明显的影响，射流形状的不规则变化主要取决于射流内外表面压力 差的变化。以射流理论模型作为基础，结合具体的实验研究结果以确定旋流喷嘴初始参数 及喷嘴特性。 锥形旋转水射流的实验研究【2 2 】设计出一种锥形射流喷嘴，对其结构特点及压力进行了 分布，从理论上和实验结果论述了影响射流扩散角的结构因素主要有叶轮叶片出口角、管 线压力等。而实验结果表明，喷嘴收缩段锥角、直柱段出口长度和叶轮叶片数等对射流扩 散角的影响都不大。涡旋强度可以作为衡量锥形旋转水射流喷嘴质量的指标，它与叶轮的 4 江苏大学硕士学位论文 几何形状特性及喷嘴直径有关，锥形射流界面压力分布可以分成三个明显的区段，其射流 中心轴附近存在一个低压区，最大压力处在中心低压区与射流边界之间，锥形射流截面最 大压力随喷距的增加而呈负指数下降，下降幅度与叶轮的出口角有关，中心压力与喷距呈 抛物线关系。 旋转射流驱散积聚瓦斯和除尘研刭2 3 】是根据旋转射流的基本理论，结合机掘工作面的 特点，提出在机掘工作面应用旋转射流通风方法，利用旋转射流扩散角大的特点，使之在 掘进司机前方形成一空气幕，该空气幕封堵整个掘进巷道断面，从而阻止工作面粉尘向外 扩散，同时利用旋转射流在射流中心的负压作用，将掘进工作面的粉尘控制住，再通过设 在旋转射流中心的除尘设备的吸风口排出工作面，以控制工作面的粉尘的扩散，组织掘进 机作业时所产生的粉尘进入掘进司机工作区域；同时还提出利用旋转射流通风紊动性强， 且射流轴部出现负压区，具有强烈的卷吸能力，能有效地冲散工作面巷道顶部的积聚瓦斯 并将其卷吸走，因而可以防止工作面瓦斯局部积聚，从而改善工作面的安全状况。并且该 研究通过对旋转射流结构以及旋转射流的流速和压力分布情况的分析，对旋转射流通风对 机掘工作面的粉尘的封堵以及旋转射流防止机掘工作面局部瓦斯积聚作用机理的研究，为 掘进工作面通风新方法、新技术的研究提供了新的理论和参考的依据。 1 3 - 3 多相流体力学研究方法现状 经验关系式法【2 4 】是根据数眼数据建立经验关系式，是工程设计中常用的方法。这种方 法就是将工业性试验的结果、半工业性试验结果或实验室实验结果整理成经验关系式或图 表。收集试验或现场中的数据，对系统变量建立任意或半任意的相关方程，然后使用任意 常数或任意函数使方程能够拟合实验数据，最后根据所获得的方程去预测其他的情况。这 种方法的优点是计算往往比较简便、快捷，也可能相当准确。缺点是局限较大。经验关系 式法并不揭露问题的物理本质，有时无法以此获得改善设计的方向。但是，由于多相流动 的复杂性以及该学科的目前发展的实际情况，许多工程设计问题还必须求助于经验关系式 法。例如，在气液两相流中应用本方法获得的m a r t i n e l l i 关系式至今仍在工程设计中广泛 应用，并取得良好的效果。 分析方法试图从基本原理出发推导多相流控制方程，对每相和界面条件建立局部瞬时 方程，用平均方法得到瞬时空间平均方程局部时间平均方程和时间空间平均方程，然后把 平均方程简化到要求的程度( 如含有相间相互作用项的多流体方程) ，以此来解决实际问 题。分析方法借助于现代计算技术，较严密，所得的关系式更具有普遍性。但对所得的平 均方程如不作某些简化，很难以得到准确的计算结果。只有当某些相关关系已知且具有一 定的物理基础或更大的普遍性时，分析方法爿能给出比经验方法更好的结果。 5 江苏大学硕士学位论文 唯象方法试图从物理上透彻的了解存在的现象，并据此建立模型。主要步骤是：按相 界面分布方式确定流型，详细地观察现象，并利用相应的测量手段建立理论或半理论的物 理模型来描述局部现象，然后再综合局部模型，得到对整体系统的描述，最后应用整体模 型进行预测、设计。这种方法的主要优点是能够在物理上深刻地了解现象，描述的真实性 得到改善，为把所建立模型外延到不同系统开辟了较好的途径。典型的唯象方法有 t a i t e l & d u k l e r 关于管内气液两相流流型的建立和描述工作。但模型的正确选择取决于对物 理本质的深刻认识，而这种认识却难以用规格化的方式表达，在常规设计中，也往往过分 地依赖于实验数据。 1 4 论文研究的目的和意义 目前国内外的粉尘治理技术对治理钻孔孔口粉尘确实起到一定的作用，然而，现场应 用中仍存在一些不容忽视的问题。如低压水湿式钻孔对于深度大于l o m 的长钻孔来说，不 能有效排除钻粉及其他相关问题，以致造成钻进速度受影响或卡钻杆或钻孔无法钻进等现 象。而高压水湿式钻孔需配备大型设备，体积大、笨重：孔口外喷雾，存在影响作业环境 问题，孔内喷雾存在的下山钻孔中很难使得钻孔过程的煤粉排出问题等。 本项目的研究对于湿式除尘技术的改进，尤其是钻孔口高气液比、粗喉管的准文氏管 水力旋转射流吸尘除尘技术，有很大的推进作用。可以通过理论研究和实验验证找出适合 钻孔口最佳降尘效果要求的最优文氏管水力旋转射流除尘装置结构与相关参数，包括吸尘 罩、准文氏管、脱水器、喷嘴等水力旋转射流吸尘除尘装置主要部件的最优型式、最优结 构尺寸。 项目对于高气液比、粗喉管的准文氏管水力旋转射流吸尘除尘技术的应用和推广起到 关键性作用，为改善矿井作业钻孔产生的粉尘治理提供更高效的治理方式，可以极大改善 钻孔作业的工作环境。 1 5 论文研究内容和技术路线 1 5 1 论文研究内容 本论文研究的高射吸比水力旋转射流吸尘与除尘装置主要由吸尘罩、准文氏管、脱水 器、喷嘴等组成，其中，准文氏管的含义是指按文氏管及射流泵基本原理、但结构尺寸与 现有文氏管及射流泵不完全一样的文氏管，基本特征是高气液比、短粗喉管。具体研究内 容主要包括： 6 江苏大学硕士学位论文 ( 1 ) 高射吸比水力旋转射流吸尘与除尘机理。包括含尘水气三相流在准文氏管水力旋 转射流中的运动过程，促使钻孔口水力旋转射流装置进行吸风吸尘的各方面作用机理，准 文氏管水力旋转射流中水滴、水膜、气泡的形成及其与粉尘惯性碰撞、截留、扩散、凝集 等作用后分离粉尘的机理，准文氏管水力旋转射流内部尘水气三相流流场分布规律，吸尘 罩入口的风速、粉尘分布。 ( 2 ) 吸尘罩、准文氏管、喷嘴等水力旋转射流吸尘除尘装置主要部件的型式、结构尺 寸与吸尘量及其吸尘效率的关系。其中，吸尘罩方面，既包括吸尘罩型式分别为密闭罩、 吹吸罩、外部吸气罩时钻孔口粉尘分布规律及其对吸尘量的关系，又包括不同吸尘罩型式 和不同喷雾压力时，钻孔口粉尘分布规律及其对吸尘量的关系；准文氏管方面，主要包括 不同喉管长度对吸尘效率和吸尘效率的关系。 ( 3 ) 水力旋转射流喷雾结构与参数对吸尘量和吸尘效率的关系。包括喷雾压力及流量、 喉嘴距等与吸尘量和吸尘效率的关系。 1 5 2 技术路线 本项目按“理论分析研究关键技术参数优化和验证实验研究数值模拟研究一 一工业现场试验资料总结”的研究技术路线。 理论分析研究方面利用有限空问射流理论、两相流体力学以及三相流理论、射流泵及 文氏管原理、空气动力学、流体力学、计算流体力学、通风除尘、数理统计等理论研究分 析高射吸比水力旋转射流吸尘与除尘基本原理，分析含尘水气三相流在文氏管水力旋转射 流中的运动过程、促使钻孔口准文氏管水力旋转射流进行吸风吸尘的各方面作用机理、准 文氏管水力旋转射流内部尘水气三相流流场分布规律，确定实验研究相关参数及其范围， 对实验研究、数字模拟研究结果进行分析总结等。 数值模拟研究采用计算流体力学c f d 软件模拟以下内容：水力旋转射流吸除尘装置对 现场粉尘的治理效果模拟；水力旋转射流吸除尘装置不同安装位置的吸尘与除尘效果模拟； 含尘水气三相流在准文氏管水力旋转射流中的运动过程模拟；准文氏管水力旋转射流内部 含尘水气三相流流场分布规律；吸尘罩型式分别为密闭罩、吹吸罩、外部吸尘罩时钻孔口 粉尘分布规律。 实验研究包括参数优化实验和验证实验，即先进行参数优化实验，后进行验证实验。 参数优化实验主要包括的内容：不同吸尘罩型式、结构尺寸与吸尘量的关系，水力旋转射 流喷雾结构与参数对吸尘量和吸尘效率的关系，水力旋转射流喷雾结构与参数对吸尘量和 吸尘效率的关系，脱水器型式、结构对吸尘量及其脱水效果的综合影响。验证实验主要是 针对不同吸尘罩型式下吸尘效率和吸j x l 量随水压的变化规律进行实验，以验证不同吸尘罩 江苏大学硕士学位论文 型式对吸除尘装置性能的影响。 实验方案采用正交试验设计和曲线拟合实验设计相结合的方法，先进行正交试验，后 进行曲线拟合实验。采用正交试验设计的实验方案主要是：不同文氏管结构尺寸、不同的 喷嘴喉嘴距以及不同供水压力与吸除尘装置吸风量和吸尘效率之间的关系实验，因素、水 平均考虑三个或以上：曲线拟合实验设计的实验方案主要是针对不同吸尘罩型式下吸尘效 率随水压的变化规律实验，其次是考虑选取最佳吸尘罩型式下装置吸风量与水压之间的关 系。 8 江苏大学硕士学位论文 第二章水力旋转射流吸除尘基本理论及分析 2 1 射流基本理论 2 1 1 射流的定义与分类 射流【2 5 1 是指流体从各种形式的孔口或喷嘴射入同一种或另一种流体的流动。在水利水 电工程、给排水工程、环境工程、矿业工程等领域都存在有大量的射流问题。 射流是一种流体，它的过流断面边界完全不受固体限制。就整体结构来说，射流的基 本部分是射流边界层，而所有各种不同的复杂射流，则是射流边界层的发展与其他条件的 厶七厶 ；日i c ：lo 目i j f 关于射流的分类还没有统一的划分，下面我们介绍几种常用的分类方法。 依照射流的流型可分为层流射流及紊流射流。若射流处于层流状态，则成为层流射流： 若射流处于紊流状态，则成为紊流射流或湍射流。 依照射流流入空间的情况可分为无限空间射流和有限空间射流。无限空间射流是射流 流入的空间相对于射流来说相当大，以至在距离射流较远的边界很少受到射流的影响，反 之称为有限空间射流。 依照射流流入介质及其运动情况可分为：淹没射流，其射流流入与它本身相同的介质： 非淹没射流，其射流流入与本身不同的介质中；自由射流，其射流射入静止介质中；伴随 射流，其射流射入运动介质中。 依照驱使射流在下游环境中进一步运动和扩散的动力来划分，可分为动量射流( 俗称 射流) 、浮力羽流( 俗称羽流) 、浮力射流( 俗称浮射流) 。旋转射流是自由射流加旋转 的一种复合流动，与普通射流的区别在于有一切向速度( 旋转速度) ，使喷嘴内的流体旋 转起来以使从喷嘴出射的流体有一个切向速度分量。 2 1 2 射流的结构 射流稳定后可形成三个区段( 如图2 1 所示) ：由喷口边界起向内外扩散的紊动掺混 部分为紊流剪切层混合区；中心部分未掺混部分保持原出口速度，称为核心区。从出口至 9 江苏大学硕士学位论文 核心区末端的一段为起始段；紊动充分发展后为基本段。两段之间相对较短的范围为过渡 段，简化时可认为是一个端面。分析射流问题时，常采用直角坐标与极坐标两种坐标系。 2 1 3 射流的特点 图2 1 自由射流流场力学模型 f i g u r e 2 1m e c h a n i cm o d e lo ff r e ej e tf l o w