液压支架大流量安全阀流体动力学特性分析.pdf

第1 7卷 第3期 总第 1 0 6期 2 0 1 2年 6月 煤矿 开 采 Co a l mi ni ng Te c h no l o g y V o 1 ． 1 7 N o ． 3 S e r i e s N o ． 1 0 6 J u n e 2 0 1 2 液压支架大 流量安 全 阀流体动力 学特性 分析 郎敏 山西省煤炭地质公 司，山西 太原 0 3 0 0 4 5 [ 摘 要] 为了提高液压支架大流量安全阀的动态性能，需要对其流道内流体动力学和运动学 特性进行研究。在建立大流量安全阀三维几何模型的基础上，利用仿真软件 F l u e n t 对安全阀内部流场 的运动学和动力学规律进行 了仿真分析，为液压支架大流量安全阀的设计与优化提供依据。 [ 关键词] 液压支架；大流量安全阀；流体动力学；F l u e n t [ 中图分类号]T D 3 5 5 ． 4 1 [ 文献标识码]B [ 文章编号]1 0 0 6 6 2 2 5 2 0 1 2 0 3 0 0 3 3 0 2 Fl o w Dy na mi c s Ch a r a c t e r i s t i c An a l y s i s o f S a f e t y Va l v e wi t h La r g e Fl o w i n Po we r e d Su pp o r t 1 前言 大流量安全阀是液压支架的重要元件之一 ，在 有冲击地压和坚硬难 冒的特殊顶板条件下 ，可以实 现对支架的压力控制和过载保护，因此其性能的优 劣直接影响液压支架支护能力的发挥 J 。 大流量安全 阀的工作状态是一个瞬变过程 ，在 其工作过程 中，压力高 ，流量大 ，工作时间极短 ， 而且乳化液的黏度较低，阀道内流体的流动状态为 十分复杂 的紊流流动。为 了提高大 流量 安全 阀性 能，需要深入研究阀道内流体的流动情况以及流体 与安全阀内流道的固体内壁之间的动力学关系。 由于大流量安全阀流道内流体的动力学和运动 学规律非常复杂 ，用常规理论难以处理 ，需要对大 流量安全阀的流场进行计算机 的数值模拟和仿真。 在 国内外 的研 究 中，虽 然 有用 计算 流 体 动力 学 C F D C o m p u t a t i o n a l F l u i d D y n a m i c s 的 S t a r C D软 件或者 F l u e n t 软件对液压支架安全阀的流场进行数 值模拟与仿真的研究 ，但是为了简化过程 ，研究中 所建立的仿真模型并不能完全符合实际的物理结 构 ，这使得仿真的流场结果并不能完全反映流动的 实际情况 。 以郑煤机生产 的 F A D ／ 5 0 0型大流量安全 阀为 研究对象，根据其结构原理和工作特点 ，建立与实 际情况相符合的大流量安全阀三维流道模型 ，通过 F l u e n t 软件 ，对其流道运动学和动力学特性进行仿 真分析 ，从而为大流量安全阀设计提供依据。 2 安全 阀三维仿真模型的建立 2 ． 1 三维仿真模型 的建立 仿真模型有二维和三维 2种情况 ，由于二维模 型只是在实际的流道 中截取了一个面，其流动情况 并不能完全反映整个流道 的流动情况，因此本文着 重建立与实际情况更加接近的三维仿真模型。 在建立大流量安全阀三维流道模型时，要考虑 2个问题 一是所建立的三维几何模 型要与流道 的 真实情况贴近 ，这样才能反应出流道 中流体流动的 本质 ；二是建立的三维几何模型在能反映其本质的 前提下尽量简化 ，这样才能避免因为流道过于复杂 而带来的计算机计算量过大甚至无法求解的问题 。 以往的模型只对一级节流进行仿真研究 ，而实 际的大流量安全阀大多采用 二级和三级节流结构。 本文着重阐述如何建立三级节流模型进行仿真。 根据上述原则 ，应用 P r o ／ E软件 ，建立了计算 时所需要的流道三维几何模型。 2 ． 2 网格划分 应用 F l u e n t 软件进行网格划分是一个十分关键 的步骤。为了提高计算精度 ，节省计算时间 ，可采 用非结构化网格。同时，鉴于大流量安全 阀的工作 特点 ，非结构化的网格可以实现对其梯度较大的流 场 的精确求解 。 采用非结构四面体网格 ，划分后安全 阀流道的 三维网格模型如图 l 。网格生成后节 点数 为 7 5 2 2 0 个 ，整个计 算模型 的体积 为 9 ． 3 7 5 2 4 1 0 m 。 ，其 中网格体积最小为 7 ． 2 4 3 8 2 7 x 1 0 。 m ，网格体积最 大为 8 ． 3 7 8 0 8 2 1 0 m ， 最小计算 面积 为 4 ． 3 9 4 7 3 7 x l O m ， 最大计算面积为 6 ． 0 8 4 x 1 0 。m 。 3 仿真过程 3 ． 1 边界条件的建立 [ 收稿 日期]2 0 1 2 - 0 3 1 9 [ 作者简介] 郎敏 1 9 6 9 一 ，女 ，山西代县人 ，高级工程师 ，从事煤矿机电产品设 计及管理工作 。 33 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 钱增江等超千米埋深巷道淋水水源及变形机理分析 2 0 1 2年第3期 量 、水压加大 ，导致巷道淋水 ，淋水水源不属于真 正的奥灰水 ，但有奥灰水间接渗透 、参与。 5 巷道变形机理分析 一 般而言，煤矿开采过程 中，巷道围岩中引起 的采动应力达到原岩应力的 2～ 6倍时 ，容易造成 巷道严重底鼓H ] 。从生产布局来看，除回采工作 面的采动对下伏 巷道有一定影 响外 周期来压 步 距 2 6 ． 3 O一 3 2 ． 3 0 m ，原有巷道施工后也会造成巷 道围岩压力重新分布。同时，赵各庄矿十三水平区 域西边界 为井 口煤柱 、采区上山煤柱 上 山煤 柱 留设为 4 0～ 6 6 m 、采区西二面内因构造影响跳采 ， 所留下的煤柱等各类煤柱的存在 、造成了本 区域应 力集中。而且 ，十三东 1石 门西翼采用放 顶煤开 采 ，开采强度大，造成采动压力增加 ，也是导致巷 道出现底鼓和变形的因素。本次巷道底鼓现象 ，具 备了大采深 、高应力 、采动及地下水渗流等诸多不 利因素 ，是各种影响因素的综合体现 ，其中采动条 件下导致 的地下渗流的影响应是本次巷道变形的主 要因素。 目前巷道变形量不明显，主要原因是巷道 变形区域 的采掘活动已结束 ，采动压力逐渐减小。 6 结论 1 因十三水平东翼首采 区较为特殊开采条 件 ，导致 1 2 煤层 底板至巷道 之间地应力 重新分 布 ，巷道围岩发生变化 ，裂隙发育 ，奥灰水间接微 弱渗入 ，从 而引起巷道所处层位 的水量、水压加 大，导致巷道淋水 。 2 通过对开采破坏机理 、地质条件 、水压 、 水质等多方面分析 ，经过高分辨矿井电法及瞬变电 磁技术验证 ，可 以排 除出水水源直接 由奥灰水 补 给，但有间接渗透、 参与。 3 超千米巷 道 由于开采深度 、应力集 中造 成水文地质条件的变化 已不同于浅部。而大采深 、 高应力、采动影响及地下水渗流影响是本次巷道变 形的主要诱发因素。 [ 参考文献] [ 1 ] 中国矿业大学 北京 ．唐 山开滦 赵各庄矿业 有 限公 司矿井 地质报告 1 9 9 9 --2 0 0 8 [ R ]． 2 0 0 9 ． [ 2 ]李建 民，等 ．赵 各庄矿 深部带压 开采评 价 [ J ]．煤 炭学报 ， 2 0 0 5 1 O ． [ 3 ]河北煤炭科学研究所 ．赵各 庄矿十 三水平东一 石 门附近巷道 综合物探成果报告[ R]． 2 0 0 5 ． [ 4 ]姜耀东，赵毅鑫，刘文岗，等 ． 深部开采中巷道底鼓问题的 研究 [ J ]．岩 石力 学 与工 程学 报 ，2 0 0 4，2 3 1 4 2 3 9 6 2 4 01 ． [ 5 ]李学华，黄志增，杨宏敏，等 ． 高应力硐室底鼓控制的应力 转移技术 [ J ]．中 国矿业 大学 学报 ，2 0 0 6 ，3 5 3 2 9 6 3 0 0 ． [ 责任编辑 张玉军] 上接 3 4页 从图 4可以看出，大流量安全阀在节流口处会 产生气穴现象。这是由于节流口处过流截面小而使 液体流速很 高。根据伯努利方程 ，该 处 的压力很 低，从仿真结果也可以看出最低压力都出现在节流 口处 ，当压力低于乳化液所在温度下的空气分离压 时，原先溶解在乳化液中的空气就会分离出来，使 液体中迅速 出现大量 的气泡。如果压 力进一步减 小，而低 于液体的饱和蒸汽压时 ，乳化液将迅速气 化，从而产生大量气泡 ，使气穴现象更加严重 。 如果在安全阀中产生气穴现象 ，会使流体的流 动特性变坏 ，造成流量和压力 的不稳定 ，还会引起 振动和噪声。因此 ，为了避免气穴现象的产生 ，应 该采取必要的措施 。 5 结束语 以郑煤机生产 的 F A D ／ 5 0 0型大流量安全 阀为 研究对象 ，在建立 了与实际结构相符合的三维仿真 模型的基础上 ，通过 F l u e n t 软件对其进行 了流体动 力学分析 ，得到其动力学和运动学规律。从仿真的 压力 、速度分布情况可以看出，节流 口附近的速度 和压力梯度最大 ，容易产生气穴 ，会使流体的流动 特性变坏 ，造成流量和压力的不稳定 ，还会引起振 动和噪声 ，在流道设计时应予以重视。 [ 参考文献] [ 1 ]王 国法 ．液 压 支架 技 术[ M]．北 京 煤 炭 工 业 出 版 社 ， 1 9 9 9 ． [ 2 ]陈殿京 ．安全 阀内部流场 研究进 展 [ J ]．流体 机械 ，2 0 0 4， 3 2 1 1 2 5 2 8 ． [ 3 ] 张秋菊 ．高水基安全 阀流场的 C F D仿真 [ D]．太原 太原理 工 大学 ，2 0 0 8 ． [ 4 ]傅德熏，马延文 ． 计算流体力学 [ M]． 北京高等教育出版 社 ，2 0 0 2 ． [ 5 ]盛敬 超 ．液 压 流体 力 学[ M]．北 京 机 械 工 业 出 版 社 ， 1 9 8 0 ． [ 责任编辑 徐亚军] 6 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m