（安全技术及工程专业论文）高压二次旋转水气射流风机治理上隅角瓦斯技术研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 流风机驱散上隅角积聚瓦斯效果进行模拟计算，模拟计算结果表明， 高压水射流风机显著改变了上隅角流场的分布，有效地减小了上隅角 涡流区域，驱散了上隅角积聚的瓦斯，提高了煤矿生产安全系数。通 过将高压水射流风机应用于采煤现场，有效地解决了上隅角瓦斯积聚 问题，现场工业性实验结果体现高压二次旋转水气射流风机的经济价 值和社会价值。 总之，数值模拟实验研究和现场工业性实验研究结果表明采用高 压水气射流风机治理上隅角积聚瓦斯问题是安全、高效的。 关键词：高压二次旋转水射流，风机，上隅角，瓦斯，实验研究 l i 江苏大学硬士学位论文 a b s t r a c t a tt h ep r e s e n tt i m e ，i ti sc o i p h n o nt os e et h a tm e t h a n ed e n s i t ya t u p p e rc o i g nc o m e ro fw o r kf a c eu n d e r g r o u n de x c e e d st h ep e r m i s s i v e d e n s i t yl i m i tg r e a t l yi no u rc o u n t r y , w h i c ht h r e a t e n st h es a f es t a t u si nc o a l m i n ei n d u s t r y t h et h e s i sp u t se m p h a s i so nt h es h o r t a g eo ft h ep r e s e n t t e c h n o l o g yu s e di ne l i m i n a t i n gm e t h a n ea tu p p e rc o i g nc o m e r , a n dd o e s r e s e a r c ho nh i g h p r e s s u r eq u a d r i cs w i r l i n gj e tf a n ( h p q s j f ) h p q s j fi s u s e dt oe l i m i n a t et h em e t h a n ea c c u m u l a t e da tu p p e rc o i g nc o m e rw i t ha w i d e rr a n g ea n dn of i r e t h em a i na i mo ft h i sr e s e a r c hi st oe n s u r et h eo p t i m u ms i z eo fe v e r y p a r to fh p q s j f i ti n c l u d e st h es y s t e m i cr e s e a r c ho nt h ei n f l u e n c et h a t d i f f e r e n tt y p eo fn o z z l e ，d i f f e r e n ts i z eo ft h r o a tp i p e ，d i f f e r e n ts i z eo f d i f f u s ep i p ea n do t h e rk e yp a r a m e t e r sp u to nf l o wa m o u n t ，f l o wp r e s s u r e a n do p e r a t i o nr a n g e ，t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s e a r c ho ff l o wf i e l do f h p q s j fa n dr e s e a r c hi na d v a n c e dh p q s j fw h i c hh a sl a r g e re f f e c t i v e r a n g e ，l a r g e rs u c t i o na m o u m ，s m a l l e rw a t e rc o n s u m p t i o na n dp e r f e c t e f f e c ti ne l i m i n a t i n ge x p l o s i v eg a s i ta l s od o e sa p p l i c a b l ee x p e r i m e n t a l r e s e a r c hi np r a c t i c eo nt h e e f f e c to fe l i m i n a t i n ga c c u m u l a t e de x p l o s i v e g a sa tu p p e rc o i g nc o m e ro f w o r kf a c eu n d e r g r o u n d 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 l s i m u l a t i o ne 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 1 1 1 江苏大学硬士学位论文 o nd i f f e r e n tt y p e so f s w i d ，d i f f e r e n ts i z e so f n o z z l e ，m a k i n go f p i p e sw i t h d i f f e r e n t l e n g t h ，f o u n d a t i o n o f e x p e r i m e n t a l a n d t e s t i n gs 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 oo n r e s e a r c ho i l t h e o r e t i c a la n a l y s i so fe x p e r i m e n td a t ai st oc a l c u l a t ea n dc o o r d i n a t e e x p e r i m e n td a t at h r o u g hv e r t i c a lm e t h o di n o r d e rt oe n s u r et h eb e s t e x p e r i m e n ts c h e m ea n d a s c e r t a i nt h eo p t i m u ms t r u c t u r a ls i z e so f h p q s j f i ta l s of i n d so u tt h ew i d e s te f f e c t i v er a n g ea n dt h em o s ti n t e n s em i x c a p a c i t yo fs w i r l i n gj e tb ym e a s u r a t i o no ft h ef l o wf i e l da tt h eo u t l e to f f a n t h er e s u l to fn u m e r i c ms i m u l a t i o ni n d i c a t e sm a th p q s j fa l t e r st h e d i s t r i b u t i o no ff l o wf i e l da t c o i g nc o m e rm a r k e d l y , e l i m i n a t e st h e a c c u m u l a t e dm e t h a n ee f f e c t i v e l ya n di m p r o v e st h es a f e t ys t a t u si nm i n e i n d u s t r y h p q s j fr e s o l v e st h ep r o b l e mo f m e t h a n ea c c u m u l a t i o na tu p p e r c o i g nc o m e re f f e c t i v e l yw h e ni t i s a p p l i e di np r a c t i c e t h er e s u l to f i n d u s t r i a le x p e r i m e n tp r o v e sh p q s j ft 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 l e x p e r i m e n to r i 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 oe l i m i n a t e m e t h a n ea c c u m u l a t e da tu p p e rc o i g nc o m e r b yu s i n gh p q s j f k e y1 1 0 1 m $ ：h p q s j f ，u p p e rc o i g nc o m e r ，m e t h a n e ， e x p e r i m e n tr e s e a r c h i v 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。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 学位论文作者签名：彖事舞 2 0 0 7 年6 月2 日 l 指导教师签名：兰砷1 卜 2 0 0 7 年6 月2 日 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。 学位论文作者娣幺渗乌 日期：2 0 0 7 6 - 2i 江苏大学哽士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 高压水射流技术发展“1 幻3 1 钔钉已经有一百余年的历史，第一次使用高压水 射流技术是1 9 世纪中叶在北美应用于开采非固体矿床。高压水射流在工业上的 应用在上个世纪初就有所记载，德国的曼海姆底兰茨曾将高压水射流用于清除铸 件表面的型砂。随着工业技术的不断进步以及工业技术对射流技术的迫切需要， 自上个世纪5 0 年代以来，高压水射流技术得到了迅速发展，已经成为一门新兴 的边缘技术。 上世纪3 0 年代起，随着人们对水射流认识的不断深入，煤炭工业部门已经 将水射流原理应用于煤炭采掘上。当时的前苏联就已经采用低水压大流量的水射 流技术进行落煤。到了上个世纪7 0 年代，已经采用高压水射流进行落煤。而且 在实际的应用中发现压力越高，落煤效果越好。 上世纪5 0 年代初，前苏联和中国都将水射流技术应用于水力采煤，开始对 射流技术进行探索性地研究。在我国，开滦唐家庄矿就成功地使用水枪落煤。 6 0 年代开始，荷兰、美国、前苏联、日本、西德等开始将高压水射流技术 应用于清洗作业中。用于清洗的高压水的压力要比用于切割的压力小很多，液压 系统的密封技术易于解决，因此应用便得到了推广，应用的领域也在不断的扩大。 日本研制出1 7 0 0 m p a 增压器，前苏联和美国研制出5 6 0 0 m p a 脉冲射流发生器， 由于高压柱塞泵和增压器的出现，高压水射流技术的研究工作得到了很大的推 动。 到了7 0 年代末，水射流介质已经由普通的工业用水发展成为水和磨粒的混 合物以及钻井液和减阻液等非牛顿液体，出现了高冲击射流、共振射流和磨料射 流等，这些射流产生的效果远远高于同样压力的普通连续射流。 8 0 年代，各国的专家和学者都对各种射流理论和射流应用技术进行了深入 的研究，为了提高射流的总体效果，出现了以脉冲射流、空化射流和磨料射流为 代表的高效射流技术。此时的高压水射流的应用领域已经从单一的煤矿行业扩大 江苏大学硕士学位论文 到冶金、石化、航空航天、建筑、国防、轻工，机械、核能、军工、汽车、铁道、 船舶、海洋、市政工程、交通以及医学等行业。高压水射流技术已经作为一种切 割、粉碎和清洗的新技术。特别适用于作业环境恶劣、作业危险性较大的场合， 能大大地降低劳动疲劳，改善工作环境，避免和减少作业场所的危险性。 我国的高压水射流技术是从上个世纪7 0 年代开始的。1 9 7 0 年，抚顺煤矿研 究所在鹤壁六矿开展的钻孔高压水射流切割煤体的实验研究，开创了我国煤矿应 用水力压裂性实验研究。经过3 0 多年的研究和实践，取得了很大进展，开发出 了一批新技术和新产品，有的在国际上还处于先进水平。我国从1 9 7 9 年开始每 两年召开一次全国水射流技术讨论会，并出版了高压水射流杂志。1 9 8 7 年 北京还组织召开了第一届环太平洋水射流会议。1 9 9 5 年成立了中国劳动保护科 学技术学会水射流技术专业委员会，为我国水射流技术起到了巨大的推动作用。 1 2 高压水射流技术的特点与应用 1 2 1 高压水射流的特点 高压水射流主要具有以下特点嘲m ： ( 1 ) 水射流在工作的时候，喷嘴不直接与物体接触，可以适合在不同的工 作环境下，应用非常广泛。 ( 2 ) 高压水射流设备与一般的机械设备不同，运行的过程中不会产生发热、 磨损、寿命短等特点，可以大大地降低运行费用，减少零件更换的时间，大大的 提高了运行效率。 ( 3 ) 高压水射流在运行的过程中，振动小、噪音低、不产生灰尘，关键是 水射流在运行的过程中不产生火花，适用于防火、防爆、防反应、防瓦斯等危险 场所，提高了运行的安全性。 ( 4 ) 高压水射流在煤炭、化工、军工、石油、核工业等自然条件恶劣、危 险性高的行业中的应用，能够大大地提高作业的效率、减少劳动的强度、改善劳 动环境、降低和预防危险事故的发生。 ( 5 ) 高压水射流还可以作为一种先期预防和消除重大危险和事故的手段。 突出的体现在石油钻井和开采行业中，矿井中的漏、塌、垮、卡等事故经常发生， 2 江苏大学硬士学位论文 如果在设计的过程中，合理的选择井下的水力参数，提高喷嘴的质量寿命，就可 以有效地减少类似事故的发生。 ( 6 ) 高压水射流技术的应用可以减少和避免化学添加剂和化学处理剂对工 人身体的伤害以及对环境的污染。 ( 7 ) 水射流技术的经济性好。水耗量小，成本低，设备维护费用小。高压 水射流设备零部件很少，应用耐磨材料的喷嘴，整台设备运行过程中几乎不需要 更换任何零部件，大大降低了设备的运行和维护成本。 ( 8 ) 高压水射流技术应用范围比较广泛。高压水射流技术可以应用于汽车 制造与修理业、航空航天制造业、机械加工业、国防、军工、兵器、电子电力工 业、石油、采矿、轻工业、建筑、建材、核工业、化工、船舶、医疗、林业、农 业以及市政工程等等，高压水射流技术几乎渗透到各行各业中，应用十分广泛。 1 2 2 高压水射流技术的应用 高压水射流技术利用高压水发生设备产生高压水，通过喷嘴将高压能转化为 能量高度聚集的水射流动能，主要运用于切割、清洗、破碎、剥离等目的。 高压水射流技术主要应用于煤炭、石油、切割、清洗和粉碎等具有代表性的 行业中。 ( 1 ) 高压水射流技术在煤矿工业中的应用帅” 高压水射流技术在煤矿工业中的应用主要表现在：利用高压水射流技术探测 煤岩界面；高压水射流采煤；高压水射流技术在井巷施工中的应用，主要有高压 水射流掘进机、高压水射流钻孔等等；高压水射流技术在煤矿中的其它应用，如 用于矿车的处理和通风除尘等方面。采用高压水射流技术进行矿井内的除尘，可 以取得一举两得效果，既可以达到除尘的目的也可以加强矿井通风，同时利用高 压水射流技术进行除尘操作，不会产生火花，保证运行的安全性。 ( 2 ) 高压水射流的切割技术应用触“” 水射流切割的原理是高压水经过特殊设计的喷嘴小孔后形成速度数倍于音 速的高能量射流束，这种射流具有巨大的动能，在射流束作用于工件、产生的冲 击力超过工件材料破坏极限时，可进行切割或破碎。 水射流切割机理相当复杂，表现在普通水射流与磨料水射流不尽一致，对塑 江苏大学硬士学位论文 性材料加工与脆性材料加工机理不同。目前普遍认为的切割主要是靠水射流的冲 蚀、气蚀、磨削和缝隙水压楔劈等多种作用来进行。 ( 3 ) 高压水射流粉碎技术应用n 1 1 高压水射流粉碎技术就是通过携带有巨大能量的高压水射流以某种方式作 用在被粉碎的物料上，并在物料的裂隙产生压力瞬变，从而使物料粉碎。利用高 压水射流进行粉碎，主要有两个方面的好处，一是高压水射流以较低的输入功率 使物料破碎到超细的粒度范围，二是由于高速液体穿透了晶粒的边界，物料被粉 碎成超细颗粒，使物料内部的不同成分更好的分开。同时还具有安全、无污染、 节能、高效等优点。 ( 4 ) 高压水射流清洗技术 高压水射流清洗技术就是使用高速水射流，使一种或多种物质从另一种材料 表面脱离。高压水射流技术应用于除锈是高压水射流技术上创新。运用其除锈可 以产生比较理想的效果。第一，清洗表面质量较高。不会出现过酸洗和氢脆等缺 陷；第二，不会留下麻点和凹坑；第三，成本低，效率高，不污染环境，作业条 件好。 ( 5 ) 高压水射流的其它应用“1 随着高压水射流技术的不断发展，高压水射流技术的应用领域突破了煤矿、 清洗、破碎和切割行业，已经渐渐渗入到各行各业。例如，作为医疗技术。使 用水射流作为手术刀进行多种外科手术，能够成功地切除病体器官，而不损伤血 管与纤维，避免手术时大出血；高压水射流切割技术的发展，使得计算机控制 的三维切割设备能够切割任何复杂形状的物体，而且切割精度高，切割面光滑， 没有硬化层；高压水射流技术在金属表面处理方面，可以消除机械加工零件的 残留应力，提高疲劳强度，控制加工件各方位表面的租糙度；水射流技术还可 以应用于雕刻，以及半导体、硅、芯片的加工处理：水射流技术应用于浅海海 底构筑物面的清洗有利于恢复海洋生物的生态环境发展；集水射流工作系统、 废液报废回收系统与射流截至循环利用系统于一体的水射流封闭系统，是水射流 技术发展的典范等等。 4 江苏大学硬士学位论文 1 3 国内外现状研究 总的来说，对旋转射流的研究，前人己做了大量的研究工作，并且由于实验 测试手段的不断改进和计算机处理能力的不断提高，对旋转射流的研究也在不断 发展中。但在对旋转射流的研究中，前人的研究主要是在实验和数值模拟的基础 上得到一些结论。 1 3 1 国外旋转水射流研究现状 近十年来，国外对旋转水射流研究的成果十分丰富，研究的主要成果大多集 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。研究成果如下。 变密度旋转射流流动的绝对不稳定条件研究“”结论表明当旋转射流的旋涡 核心比射流半径小时，射流流入非旋转媒介时的绝对稳定性趋势被旋涡提高。当 旋涡核心和射流半径接近时，旋涡促进绝对稳定性的效果是微弱的。粘性对旋转 射流稳定性的影响研究“”结果表明在粘滞性发生的位置，粘性导致了非稳定性的 产生。在无粘性的流体中，增长率是和波数成比率的，在粘性条件下，增长率对 于大的波数是个常数。半直线驱动的自由旋转射流的不稳定性研究。通过研究 粘性不可压缩流体的旋转射流的n _ s 方程的近似解，发展了一种新的稳定方法， 并且阐述了导致滞后和打破轴对称扰动的本质。旋转射流实验中的线性稳定性分 析“”很好地反映了喷嘴出口处速度分布情况。 两相非蒸发旋转射流的动力学特性研究“”数值模拟了小负载旋转射流，研究 了两相旋转射流的流动力学以及结构特性。雷诺数为8 0 0 的单相旋转射流实验结 果表明，引入方式的旋转强度大大影响了这个大范围结构的动力学。对于低等的 和中等的旋转强度，旋涡环出现在喷嘴出口处，随着旋涡的数目增加，它们的频 率增加，相互感应后逐渐增强。因此，旋涡的增加对于一个过渡射流表现为改变 它的涡核动力学，在某种程度上，这有利于提高了旋涡和涡核结构在剪切层的形 成和卷吸作用。对于一个强旋转射流，中心静止区和回流泡沫产生将导致射流喷 射角的急剧增大。近区域结构的同轴流的实验”研究了4 种不同的结构：无旋 江苏大学硬士学位论文 转的同轴流，仅外部旋转的流动，仅内部旋转的流动，和同旋转流。实验是在一 个没有独立旋转的两同轴流的一个圆柱形的水管中进行的。用激光层析技术来证 明流场，用照片来显示不同的结构。实验还建立了有旋流和无旋流的时均速度分 布，描述了最初区域的旋转射流的动力学。 运用控制体积法模拟受限条形旋转射流的流场和温度场研究“”引入了表示 速度分布的m e r i t 数，对射流由于旋转和流动摩擦产生的熵增进行分析，计算了 各种旋转速度和速度的分布的m e r i t 数，发现旋转运动扩散了径向方向的射流而 减弱了轴向的射流，这就减少了熵增率和增加了m e r i t 数，逐渐增加的速度分布 数增高了熵增率，也增高m e r i t 数。自由和近自由表面旋转紊动射流研究得出 的结论是：旋转射流的独特性表现在，在一定的临界状态以下不会发生旋涡衰减， 当超越临界状态以后就会发生旋涡衰减，而且由此会引起喷嘴附近和喷嘴内的射 流激化，而且还发现射流动能的变化是非单调的。紊流的剪切力具有各向异性， 自由表面的各向异性的程度依赖于自由表面的紊流程度。水中淹没射流的结构特 征研究。表明射流结构受旋涡运动的影响是非常大的，通过减少动量流量的反 压力梯度来提高射流的卷吸率。喷嘴的形状对旋转射流结构的影响研究“。得出 的结论是：对于直射喷嘴来说，旋涡形式是在泡沫和螺旋之间衰减；对于收缩喷 嘴和分叉喷嘴，发生了螺旋形的旋涡衰减。同时也对喷嘴形式对旋涡核心形成和 射流外部的剪切层的旋涡排列的影响进行了研究。 1 3 2 国内研究现状 近些年来，国内的专家与学者对旋转射流技术的研究也取得很大进展。国内 的研究大多数都是围绕着以下几个方面进行：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。 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、轴向速度和切恕速度均出现低值，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 6 江苏大学硬士学位论文 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正比，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没 有关系。 旋转液体射流雾化的理论与实验研究”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啪1 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。 高压旋转射流的三维有限元数值模拟研究1 通过对喷嘴内部结构进行数学 描述，建立了喷嘴内部流场的数学模型，在此基础上编制了三维有限元数值模拟 软件，介绍了此软件的编制原理及其构成，并且通过一个实例的计算揭示了喷嘴 内部流动的一些规律，此项研究对认识喷嘴内部流动结构及用有限元进行射流的 三维数值实验的研究有着重要的意义。 ， 江苏大学硬士学位论文 空心旋转液体射流初始阶段特性b ”啪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， 为迸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”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 里负指数下降，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究”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 江苏大学硕士学位论文 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。 旋转环形射流对上隅角积聚瓦斯的作用机理研究。在分析了环形射流基本 特性的基础上，推导出环形射流完全发展区的速度分布计算公式和卷吸含瓦斯流 的沿程平均瓦斯浓度分布计算公式，分析了环形环绕射流横穿巷道主风流时的弯 曲变形，以及环形环绕射流脉冲通风对上隅角积聚瓦斯的运移过程分析：射流进 入上隅角瓦斯积聚区后，其卷吸掺混作用使周围一定范围内的高浓度瓦斯得到稀 释；射流轴线向主风流方向的弯曲趋势可使其所卷吸的瓦斯沿射流弯曲方向外 移；射流环形风机轴心连续旋转，将使上隅角内的高浓度瓦斯逐渐由里向外运移， 并排入主风流中，如此周而复始，稀释和排出过程不断持续，经过一定时间以后， 即可使上隅角内的瓦斯浓度得以降低。并且通过工业性实验的结果表明，环绕射 流脉冲通风对上隅角积聚瓦斯排放具有安全的柔性排放效果有利于采煤工作面 的安全生产，符合安全生产对积聚瓦斯的排放要求，避免因高浓度瓦斯骤然大量 排向回风巷，导致回风流瓦斯浓度超限。 1 3 3 水射流风机研究现状 到目前为止，国内专家和学者对水射流风机的研究和应用已经非常深入。下 面结合当前的文献资料对国内水射流风机的研究做一概述。 高压水射流风机的研制与应用对高压水射流风机结构特点、工作原理和理 论特性进行了深入研究，研制出了g s f 型高压水射流风机，并描述出g s f 型高 压水射流风机的结构参数和技术参数，并且进行了实验研究，实验结果表明g s f 型高压水射流风机具有能量转换效率高，风机长度短，用水量少等特点，并且消 除了事故隐患，确保综放工作面的安全生产。 9 江苏大学硬士学位论文 矿用引射式射流风机”根据矿井通风工程以较小的能耗，获得较大风量的需 要，运用模型实验的研究方法，对面积比m = 4 的引射式射流风机的喷口距、混 合室长度、接受室入口角和扩散器扩散角度等结构参数对射流风机的性能的影响 进行了实验研究。实验研究的结果表明各个结构参数对实验用的引射式射流风机 性能的影响次序是不一样的；扩散器是引射式射流风机的一个重要部件，可以增 加流量比，在相同条件下，无扩散器比有扩散器的压力比要高；对不同面积比的 引射式射流风机，可以选择相同扩散角的扩散器和相同入口角的接受室；并且提 出了面积比为4 的条件下引射式射流风机的最优结构参数。 射流风机引射流量相关参数的实验研究”通过模型实验对可能引起射流边 界层扩散及动量交换影响作用的可变参数：射流压力、射流风机的风筒直径、射 流喷嘴直径及射流喷嘴在风筒内的轴向相对位置等，选取各影响参数确定其实验 变化水平，进行探索性实验。实验研究结论表明，在其它条件相同的情况下，提 高射流压力可使引射量显著增加，近似成直线关系；在其它条件相同的情况下， 喷嘴直径的增加使得引射流量有所增加；增大射流风机的风筒断面直径也会使引 射流量增加。并且提出了射流风机的引射流量与各影响参数之间的关系表达式。 引射器特性的实验研究和理论分析通过质量守恒方程、动量守恒方程以及喷嘴工 作方程推导出被引射流量与引射流量的关系、工作流体压降与引射流量的关系以 及被引射流体压升与引射流量的关系，得出引射器特性方程。在此基础上提出了 安装有引射器回路流动特性计算的方法。本文在实验研究的基础上，对引射器特 性进行了分析和研究，理论计算结果与实验数据吻合很好，印证了本文所提出的 计算方法可作为实际安装有引射器的回路的流动特性计算。 射流风机的几何尺寸对射流风机性能的影响”也是很显著的。通过改变喷口 距和混合室的长度来进行实验测定及研究，研究结果表明，对于不同面积比的引 射式射流风机，喷嘴距的改变对性能的影响效果是不一样的，同时也指出扩散器 对于引射式射流风机性能的影响是非常显著的，根据实验研究的结果，作者提出 了引射式射流风机的结构优化参数。引射器混合室的最佳长度，可以利用射流理 论和圆管中流体稳定流动的断面速度分布规律进行分析和计算，再利用理论分析 和计算的结果，得到最佳长度的表达式以及喷嘴至喉管入口距离的计算表达式， l o 江苏大学硕士学位论文 并且分析7 9 l 射介质和被引射介质的密度、容积引射系数、混合室直径、被引射 介质的入口面积等因素对最佳长度的影响。 1 3 4 上隅角瓦斯治理技术现状 目前，处理上隅角瓦斯积聚问题绝大多数都是采取增加井下风量来降低上隅 角瓦斯的积聚，但是增加风量之后，主风流向采空区的漏风量也将增加，则漏风 流所带出的瓦颠量也将相应的增加，这样反而会引起上隅角处瓦斯进一步积聚和 回风流中瓦斯浓度的上升。因此，盲目的通过增加风量的方法来降低上隅角瓦斯 积聚的方法是不可行的，甚至会加剧煤矿生产的危险性。所以，为了降低上隅角 瓦斯的积聚，必须采取切实有效的措施。根据相关资料”m 9 枷州蜘介绍，目前 处理上隅角瓦斯积聚问题的有效措施有如下几种：( 1 ) 增加漏风汇。即为一源多 汇的通风方式。通过漏风来降低上隅角瓦斯的浓度；( 2 ) 堵漏。即通过减小采空 区的漏风，抑制上隅角瓦斯涌出。 目前对上隅角瓦斯超限问题所采取针对性的防范措施和对策蜘枷蚓删l 力 主要从以下几个方面来解决。 ( 1 ) 从降低上隅角瓦斯浓度方面来考虑，最基本的方法主要是：悬挂风障 导风，利用风障或者采用有局扇的导风作用迫使部分风流将上隅角积聚的瓦斯排 除，从而降低上隅角瓦斯的浓度，达到安全浓度范围内，在设置风障时要选择合 适的大小和悬挂的角度，实践证明：当一个工作面瓦斯绝对涌出量较大时，即使 采用钻孔抽排及上隅角埋管，上隅角仍然存在涡流运动，有时上隅角还会存在瓦 斯超限现象，设置风障或导风板可以改变上隅角风流路线，让新鲜风流进入上隅 角，改变涡流状态，可以达到冲淡、稀释瓦斯作用，防止发生瓦斯超限事故；采 空区瓦斯抽放、释放瓦斯、深孔煤层注水，洒水湿润煤壁煤体，对降低煤层瓦斯 的涌出具有一定的效果；也可以采用高位钻孔抽采及上隅角埋管抽采的方法降低 上隅角瓦斯，这种方法可以达到治本的效果，也是目前煤矿普遍采用的处理上隅 角瓦斯超限的主要对策，具体的实施方法是：选择合适的瓦斯抽排泵与瓦斯抽排 管路，建立采区瓦斯抽排泵站，并将抽排管路与钻孔及上隅角抽排管路连成整体， 实行抽排。 ( 2 ) 从消除瓦斯积聚空间方面来考虑，主要方法有：用不燃材料充填上隅 江苏大学硬士学位论文 角的空间，以消除瓦斯积聚的空间；强制放顶，采用人工或机械方式卸掉锚杆， 使机风巷隅角上方的顶板完全垮落，断开沟通采空区的风流通道并消除瓦斯积聚 空间。 ( 3 ) 从改变采煤工作面的作业循环方式和通风方式来考虑，主要的方法有； 改进采煤工作面的作业循环方式，增加循环频次，使短时间内涌向上隅角的瓦斯 量减小；从设计上着手，改变工作面的通风方式，如采用w 、h 型等通风方式， 以利于瓦斯的排除；全负压引排法，在瓦斯量涌出量大、回风流瓦斯浓度超限、 煤炭无自燃发火危险且上区段采空区之间无煤柱的情况下，可以控制上阶段的已 采区密闭墙漏风，改变采空区的漏风方向，将采空区的瓦斯直接排入回风道内。 ( 4 ) 另外还需要确保采煤工作面有足够的风量且其机风巷有足够的进回风 断面，以使风流通畅。 降低上隅角瓦斯积聚的具体方法有： ( 1 ) 瓦斯抽放。主要是通过抽放邻近层的瓦斯和抽放本煤层采空区瓦斯， 以此减少上隅角瓦斯的来源； ( 2 ) 风障导风稀释法。即在上隅角处设置风障，使主风流流经上隅角处， 将积聚在上隅角处的瓦斯冲散并排至回风巷中； ( 3 ) 采用抽出式风机抽排上隅角瓦斯； ( 4 ) 尾排处理。就是将较近的巷道作为尾排巷道，专门用于瓦斯的排放； ( 5 ) 利用相邻区段处理上隅角瓦斯。利用负压排风，使采空区瓦斯得到自 然释放； ( 6 ) 改变通风方式。可采用y 型、z 型通风方式。y 型通风方式能够有效 地降低上隅角瓦斯浓度； ( 7 ) 综合治理。即综合采取以上的方法两种或两种以上的方法来处理上隅 角瓦斯积聚问题。 1 4 本课题研究的目的和意义 瓦斯灾害是煤炭开采工程的安全重点，它可造成大量人员伤亡，严重摧毁井 下设施，中断生产，据统计，1 9 9 0 1 9 9 9 年全国煤矿共发生3 人以上的死亡事 故4 0 0 2 起，共死亡2 7 4 9 5 人，瓦斯事故2 7 6 7 起，共死亡2 0 6 2 5 人，占死亡人 1 2 辽苏大学硬士学位论文 数的7 5 0 1 。本课题的意义在于解决在煤炭开采作业中工作面上隅角瓦斯积聚 问题。 当前国内外治理工作面上隅角瓦斯积聚研究的主要方法是，无火花风机引捧 法、压风引射器引排法、小型液压风机吹散法、“脉动通风”吹散法、钻孔及埋 管抽放法、改变通风系统法、尾巷排放法、直管高压水射流风机吹散法，这些方 法对治理上隅角瓦斯起到了一定的作用，取得了一定成效。但这些技术也存在一 些不容忽视的问题，如引排或抽出法处理瓦斯时抽吸了采空区不该涌出的瓦斯， 上隅角瓦斯浓度下降不明显，对防灭火不利；小型液压风扇、“脉动通风”中液 压马达使用以水为基料的乳化液时运行不稳定，故障率较高，推广使用较少；电 动类及机械运动类叶轮风机存在火源隐患，无火花风机引排法结构复杂，目前不 能完全消除火源隐患；钻孔及埋管抽放法在低透气性煤层中效果甚微；改变通风 系统法、尾巷排放法增加成本，且需具备一定韵条件；直管高压水射流风机缺乏 系统研究，有关参数匹配不佳，内部结构不合理，硬质金属管较长，现场移动麻 烦，效率及效果不佳。因此，国内采煤工作面上隅角瓦斯积聚超限问题还比较普 遍。本课题研究的目的在于针对目前治理上隅角瓦斯技术中存在的不足，研制出 高压二次旋转水气射流风机，能够安全、高效的解决上隅角瓦斯积聚问题，提高 煤矿安全生产状况。 1 5 本课蹶研究的主要内容、方法和技术路线 1 5 1 研究的主要内容 本文采取二次旋转水气射流通风技术驱散工作面上隅角积聚瓦斯，其特点是 无火源、作用范围广，主要研究内容包括： ( 1 ) 对二次旋转水气射流通风驱散积聚的爆炸气体关键技术参数优化实验， 包括不同喷嘴类型、不同喉管及扩散管尺寸、不同喉嘴距和不同动力水压对风量、 风压、作用范围等通风参数的影响进行系统研究； ( 2 ) 二次水气旋转射流驱散上隅角瓦斯流场数值模拟研究； ( 3 ) 研制作用范围更广、耗水量更小、吸风量更大、驱散爆炸性气体效果 更好的二次旋转水气射流风机，并在在采煤工作面上隅角( 危险源) 驱散积聚的 1 3 江苏大学硬士学位论文 爆炸性气体过程中进行现场应用研究。 要重点解决的关键问题包括：( 1 ) 二次水气旋转射流驱散上隅角瓦斯流场数 值模拟；( 2 ) 通过对喷嘴类型、喉管直径、喉管长度及扩散管尺寸、喉嘴距等参 数的优化，以最少的水量取得最佳的驱散、引导、控制积聚的爆炸毒害气体效果， 包括最大有效作用范围、最佳脱水效果、最佳风量、最佳风速、最佳驱散效果等； 1 5 2 研究的方法及技术路线的选择 实验方法采取数值模拟、实验室研究和工业性实验相结合的方法。按“现场 考察基础理论分析研究实验室实验研究及数值模拟初步实验效果 理论分析研究一一工业性实验研究一一资料总结”的研究技术路线。 基础理论分析研究是指利用有限空间射流理论、两相流理论、射流泵及文氏 管原理、空气动力学、流体力学、计算流体力学、数值模拟、数理统计等理论进 行理论分析、设计、研究；实验室实验包括多种旋转形式、不同结构尺寸喷嘴及 不同喉管长度文氏管模型的制作、实验及测试系统的建立、实验数据的测定分析 等；实验效果理论分析研究是指针对实验室实验所测得的实验数据进行科学的计 算处理，并将实验数据处理的结果结合相应的基础原理进行理论分析，并尽可能 对异常实验数据进行原因分析；工业性实验是将研制的二次旋转水气射流通风器 及液一液加压泵结合现场的实际情况，在现场驱散积聚的爆炸性气体治理中进行 实验研究。实验研究的流程如下： ( 1 ) 现场考察驱散、引导、控制积聚的爆炸毒害气体相关条件与所需技术 参数，包括生产工艺特点、爆炸毒害气体现状、生产条件和驱散、引导、控制积 聚的爆炸毒害气体所需风速、风量、有效作用范围、风流流场等； ( 2 运用有限空间射流理论、两相流理论、射流泵及文氏管原理、空气动 力学、流体力学、数值模拟、数理统计等理论，数值模拟文氏管水气紊动旋转射 流，分析、设计、优化研究文氏管水气紊动旋转射流风机技术参数；进行二次旋 转水气射流风机关键技术参数性能测试和优化实验研究等； ( 4 ) 对实验数据进行整理、分析研究，确定旋转水射流风机最优结构尺寸； ( 5 ) 研制二次旋转水气射流通风器；将样机到现场驱散积聚的爆炸性气体 治理中进行实验研究。 江苏大学硬士学位论文 第2 章水气旋转射流通风基本理论 2 1 二维射流 2 1 1 射流产生 当流体从喷嘴中喷射出后，射流不受任何限制地流入到静止的流体中，会在 静止流体中出现一束有界面的射流，由于射流的边界层没有受到任何的约束，因 此，这种射流又被称之为自由射流。通过实验观察和查阅相关资料可知，在射流 的流场中存在着射流流速与喷嘴出口处的速度相同的区域，通常称这样的流场区 域为射流核心区。在射流和静止流体的交界面上存在着质量交换、动量交换和热 量的交换，这是由于射流和静止流体之间的界面上存在着具有强烈掺混能力的微 团旋涡。由于射流和静止流体之间的相对运动产生的粘性作用使得原来静止的流 体会被卷吸到射流中，就产生了射流的卷吸作用。在射流的任何一处横截面上， 中心线处的流速是最大的，离中心线越远距离的流速越小，随着射流不断向前发 展，射流中心线处上的流速不断减小，射流的断面不断增大，产生卷吸作用的空 间不断增大，这一现象就是射流的扩散现象。 2 1 2 射流结构 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 f f