环缝式引射瓦斯稀释器关键参数研究_吴奉亮.pdf

第 50 卷第 12 期 2019 年 12 月 Safety in Coal Mines Vol.50No.12 Dec. 2019 我国大部分煤矿采煤工作面采用 “U” 型通风方 式， 普遍存在上隅角瓦斯超限的问题[1]。近年来， 一 种绝缘、安全可靠且安装简便的环缝式引射瓦斯稀 释器， 已成为解决采煤工作面局部瓦斯超限的重要 方法[2]， 但现有引射器的引射风量与理论计算值偏 差较大[3]， 究其原因在于壁面摩擦损耗较大、 缝隙宽 度不合理。因此，迫切需要对瓦斯稀释器的性能进 行优化。环缝式引射器的喉部缝隙宽度、主流压力 和滞止压力比（次流气体在滞止区域时的压力之 比） 是决定其引射性能的关键参数， 而引射器的结 构决定其最佳工况点的取值。国内外学者针对引射 器性能参数进行了大量研究[4-8]， 对于不同结构的环 缝式引射器， 存在不同的最佳工况点。基于 WX-80 型环缝式引射瓦斯稀释器， 采用 CFD 数值模拟的方 法， 通过设置不同主流压力， 模拟研究滞止压力比和 喉部缝隙宽度对主、次流质量流量及引射系数的影 响，进一步揭示环缝式引射瓦斯稀释器性能关键参 数的影响规律。 1环缝式引射器结构及原理 引射器是一种输送流体的装置，通过压缩气体 引射次流气体来获得更多的质量流量[9]。引射器工 作时， 主流气体进入环形空间， 得到充分压缩， 从而 DOI10.13347/ki.mkaq.2019.12.003 环缝式引射瓦斯稀释器关键参数研究 吴奉亮， 李智胜， 苏俊凯 （西安科技大学 安全科学与工程学院， 陕西 西安 710054） 摘要 为提高环缝式引射瓦斯稀释器性能， 基于 WX-80 型环缝式引射瓦斯稀释器， 采用 Fluent 仿真软件对其内流场进行数值模拟， 优化了引射器结构尺寸， 并揭示了主流压力、 喉部缝隙及滞 止压力比对其性能的影响规律。研究结果表明 主流质量流量随主流压力增加持续增长， 而次流 质量流量和引射系数均随主流压力变化先增加后减少，并在主流压力为 0.45 MPa 时达到最大 值。喉部缝隙宽度为 0.1～0.4 mm 时， 主流质量流量与喉部缝隙宽度呈正相关， 而次流质量流量 呈现先升高后降低的趋势， 且喉部缝隙宽度为 0.2 mm 时， 引射系数变化速率最快； 一定范围内， 引射系数随滞止压力比的增大而减小。 关键词 瓦斯； 引射系数； 数值模拟； 引射器结构； 环缝式 中图分类号 TD712文献标志码 A文章编号 1003-496X （2019 ） 12-0010-04 Study on Key Parameters of Annular Slot Ejector Gas Diluter WU Fengliang, LI Zhisheng, SU Junkai （School of Safety Science and Engineering, Xi an University of Science and Technology, Xi an 710054, China） Abstract To improve the perance of the annular slot ejector for gas dilution, the flow field of the WX-80 annular slotted gas dilution was numerically simulated using Fluent numerical simulation software for optimizing the ejector structure size and revealing the influence of mainstream pressure, throat gap and stagnation pressure ratio on its perance. The results shows that the mainstream mass flow continues to increase with the increase of the mainstream pressure, while the secondary flow mass flow and the ejector coefficient both increase and then decrease with the change of the mainstream pressure, and when the mainstream pressure is under 0.45 MPa, the secondary flow mass flow reaches the maximum value, that when the width of throat gap is between 0.1 mm and 0.4 mm, the mainstream mass flow is positively correlated with the throat gap, while the secondary flow mass flow shows a trend of increasing first and then decreasing. When the throat width is 0.2 mm, the rate of change of the ejector coefficient is the fastest. Within a certain range, the ejector coefficient decreases as the ratio of stagnation pressure increases. Key words gas； ejector coefficient； numerical simulation； ejector structure； annular 基金项目 国家重点研发计划资助项目 （2017YFC0804702- 5） ； 国 家自然科学基金资助项目 （51674193） ； 陕西省自然科学基础研究 计划面上资助项目 （2017JM5068） 10 ChaoXing Vol.50No.12 Dec. 2019 第 50 卷第 12 期 2019 年 12 月 Safety in Coal Mines 图 2环缝式引射瓦斯稀释器网格划分 表 1壁面边界条件 湍流强度/水利直径/mm温度/K 1 1 5 0.025 0.080 0.160 300 300 300 主流入口 次流入口 出口 0.3～0.7 0.1 0.1 压力/MPa 达到超音速状态，产生膨胀波，这种膨胀作用迫使 喉部缝隙下方靠近诱导室顶端位置产生低压甚至负 压，从而造成局部气体停滞在此区域。主流气体到 达主次流交界面偏离原来的流动方向，而沿着弧形 壁面高速流动，沿弧形壁面高速流动的现象称为 “科恩达效应” 。同时，主流气体与次流气体形成湍 流混合，由于两股气流速度和密度等参数均不同， 因此流体间极易生成剪切层，主、次流气体之间产 生剪切力，它将拖拽次流气体进入增压室内扩散。 最后， 以高速喷射出去。可见， 引射器引射作用的实 质是高压射流将自身的部分能量传递给被引射的流 体。它的引射性能可通过引射系数 ω 来评价 ω G1 G2 （1） 式中 G1为次流质量流量， kg/s； G2为主流质量 流量， kg/s。 2研究实体建模 2.1引射器内流场定解模型 气体在环缝式引射器内部的流动包含湍流， 且 主流气体在引射器喉部位置速度梯度变化明显， 容 易产生旋涡。因此， 采用雷诺平均法 （RANS） 涡黏模 型中 RNG k-ε 双方程模型[10]， 可用以下方程描述 k 方程 ∂ （ρk） ∂t ∂ （ρkμi） ∂xi ∂ （αkμeff ∂k ∂xj ） ∂xj Gk-ρε（2） 式中 ρ 为流体密度； k 为湍动能； t 为时间； αk 为 k 的湍流普朗特数，取值为 1.39； μi、 μeff为黏性系 数； xi、 xj为坐标向量； Gk为由层流速度梯度产生的 湍流动能； ε 为耗散率。 ε 方程 ∂ （ρε） ∂t （∂ （ρεμi ） ） ∂xi ∂ （αεμeff（∂ε） ∂xj ） ∂xj C1ε ε k Gk- C2ερ ε2 k （3） 式中 C1ε、 C2ε为浮力对耗散率的影响系数， 取 1.42、 1.68； αε为 ε 的湍流普朗特数， 取值为 1.39。 2.2模型建立及网格划分 WX-80 型环缝式引射瓦斯稀释器的轴对称剖 面结构如图 1。为模拟引射器的流动过程，使用 ICEM 软件对其进行网格划分，环缝式引射瓦斯稀 释器网格划分如图 2。 结构单元为正六面体， 网格节 点个数大约为 2.2105。 由于引射器喉部参数变化梯 度较大， 为保证模拟精度， 因此， 对此处网格进行加 密。模型尺寸 入口 1 直径为 25 mm， 入口 2 直径为 80 mm，出口直径为 160 mm，缝隙宽度为 0.10.4 mm， 喉部直径为 39.4 mm， 引射器总长为 470 mm。 壁面边界条件见表 1。 3数值模拟结果 3.1优化模型气体流动规律 主流压力为 0.3、 0.45、 0.6 MPa 时在引射器内流 场静压力的分布结果如图 3。由图 3 可知喉部流体特 征变化最为明显，表明数值模拟结果符合环缝式引 射器气体的流动特性[11]， 从图 3 静压恢复状况来看， 滞止区域中次流气体的拖拽力是由于壁面边界处主 次流的湍流混合； 主流压力为 0.45 MPa 时剖面最为 平坦， 说明此时混合较均匀。 喉部马赫数云图如图 4，喉部速度矢量云图如 图 5。图 4 和图 5 的计算结果表明了主流压力为 0.45 MPa 时， 主、 次流的流动状态及混合区域马赫 数的分布规律。主流气体从引射器喉部缝隙喷出 图 1环缝式引射瓦斯稀释器轴对称剖面结构 11 ChaoXing 第 50 卷第 12 期 2019 年 12 月 Safety in Coal Mines Vol.50No.12 Dec. 2019 图 6主流压力对引射系数的影响 图 4喉部马赫数云图 图 5喉部速度矢量云图 图 3引射器静压力分布云图 后， 沿弧形壁面高速流动验证了 “科恩达效应” ， 主、 次流在引射器喉部形成湍流混合，从而将动量传递 给次流气体[12-13]。从马赫数大小来看， 马赫数越低表 示混合速度越快，剖面平坦部分表示混合均匀程度 较高。正如许多作者描述的情况，可压缩气体的混 合情况高度依赖马赫数[14-15]。 3.2主流压力对质量流量和引射系数的影响 主流压力在 0.30.7 MPa 范围内变化时，模拟 得到的主、次流质量流量及对引射系数的影响如图 6。 随着主流压力 p 的升高， 主流质量流量 G1持续增 长， 而次流质量流量 G2呈现出先升高后降低的趋势， 次流质量流量及引射系数均在 0.45 MPa 时达到最 大值。这是由于主流压力越大， 速度梯度变化越快， 从而截面流量越大； 当主流压力过高， 压缩气体将脱 离壁面， 导致湍流混合效果下降， 进而降低了次流流 体质量流量速率， 同时也间接地影响了引射系数。 3.3喉部缝隙宽度对质量流量和引射系数的影响 在主流压力设置为 0.45 MPa 时， 模拟了喉部缝 隙宽度分别为 0.1、 0.15、 0.2、 0.25、 0.3、 0.4 mm 时的 引射效果， 喉部缝隙宽度对引射系数的影响如图 7。 主流质量流量 G1随喉部缝隙宽度的增加而升高， 次 流质量流量 G2的变化规律与之相反； 其中喉部缝隙 宽 0.2 mm 时， 主、 次流质量流量变化速率最快。 3.4滞止压力比对引射系数的影响 结合上述分析结果，优化模型的压力设置为 0.45 MPa， 喉部缝隙宽度为 0.2 mm， 基于停滞区域 设置 6 个等距离截面对流速进行模拟计算，得出速 度为 0 所对应的质量流量及压力，即滞止压力。滞 止压力比对引射系数的影响如图 8。 从图 8 可看出， 一定条件下， 随滞止压力比的增 大， 引射系数逐渐降低， 且局部区域引射系数最大值 为 12.9。由此可见，滞止压力比对二次流的诱导具 有重要影响。 4结论 1 ） WX-80 型环缝式引射瓦斯稀释器在 0.45 MPa 主流压力下具有最佳的引射性能。模拟结果表 图 7喉部缝隙宽度对引射系数的影响 12 ChaoXing Vol.50No.12 Dec. 2019 第 50 卷第 12 期 2019 年 12 月 Safety in Coal Mines 图 8滞止压力比对引射系数的影响 明随着主流压力的增加，主流质量流量不断增加， 次流质量流量先迅速提高，而后缓慢降低，引射系 数变化趋势与次流质量流量大致相同，均在主流压 力为 0.45 MPa 下达到最大值。 2 ） 优化模型在不同主流压力下， 喉部缝隙宽度 对环缝式引射器性能具有重要影响。喉部缝隙宽度 从 0.1 mm 到 0.4 mm， 主流质量流量持续增加， 次流 质量流量先迅速升高，然后缓慢降低；喉部缝隙宽 度越小， 引射系数越大， 且改变缝隙宽度， 引射系数 变化较大。 3） 优化模型在主流压力为 0.45 MPa、 缝隙宽度 为 0.2 mm 时， 滞止压力比对引射器性能影响如下 随滞止压力比的增加，引射系数迅速降低；滞止压 力最大值约为最小值 12 倍。 参考文献 ［1］ 陈殿赋， 鲁义．工作面上隅角瓦斯综合治理技术的研 究及应用 ［J］ ．煤炭科学技术， 2013， 41 （10） 57－59． ［2］ 陈殿赋．高产高效综放工作面瓦斯治理技术与实践 ［J］ ．矿业安全与环保， 2015， 42 （3） 66－70． ［3］ 索科洛夫 津格尔．喷射器 ［M］ ．黄秋云， 译.北京 科学 出版社， 1977． ［4］ 陈文通．康达气体引射器的设计与性能测试 ［D］ ．大 连 大连理工大学， 2016． ［5］ Guerriero V. 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