潜孔钻机捕尘罩流场与结构优化.pdf

中图分类号 U D C T U l 2 2 6 2 l 硕士学位论文 学校代码四5 33 密级垒珏 潜孑L 钻机捕尘罩流场与结构优化 D u s tc a t c h i n gc o v e ro fD o w n t h e h o l ed r i l l ’Sf l o wf i e l d a n ds t r u c t u r eo p t i m i z a t i o n 作者姓名 学科专业 研究方向 学院 系、所 指导教师 曹亚鹏 机械工程 机电液一体化 机电工程学院 周宏兵副教授 论文答辩日期≯仟．，．／7 中南大学 2 0 1 4 年5 月 答辩委员会主 万方数据 学位论文原创性声明 【U l ll l l l l l l i l l l l l l l l l l l i l l i l l 1 l l l l l i i Y 2 6 8 6 8 2 9 本人郑重声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研 究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致 谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也 不包含为获得中南大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确 的说明。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 作者签名邋臁迎年』月上日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解中南大学有关保留、使用学 位论文的规定即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版；本人允许本学位论文被查阅和借阅；学校可以 将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 复印、缩印或其它手段保存和汇编本学位论文。 保密论文待解密后适应本声明。 作者签名逊 日期赳年』月1 日 导师签名皿绉、 日期泄年上月卫日 万方数据 潜孔钻机捕尘罩流场与结构优化 摘要潜孔钻机捕尘罩是除尘系统的重要部件，目前国内捕尘罩在实 际工作中存在严重的泄漏问题。为减少粉尘污染，提高捕集效率，结 合湖南省科技计划重点项目“一体化液压潜孔钻机”，本文以 S W D E l 2 0 型潜孔钻机捕尘罩为研究对象，系统地研究捕尘罩内部流 场以及结构参数对捕尘罩的影响。 通过p r o ／e 软件建立潜孔钻机捕尘罩的简化实体模型，模拟捕尘罩 内部复杂流场，运用计算流体动力学C F D 软件F l u e n t 设置模型的计 算域网格和湍流模型，对捕尘罩气相流场进行数值模拟分析。 对捕尘罩的不同结构参数 筒体高度H 、筒体直径D 3 、排气管倾 角A 、排气管直径D 4 和捕尘罩偏移量L 运用仿真软件进行数值模 拟分析，研究结构参数与捕集效率之间的关系；以降低捕尘罩的泄漏 比例为目的，通过m a t l a b 软件运用仿真数据建立多项式回归方程， 利用f m i n c o n 函数多目标优化求解得出优化结果。 针对捕尘罩内气．固两相的捕集性能进行研究，建立优化后的实体 模型，采用相问耦合的D P M 模型，通过欧拉．拉格朗日模拟方法研究 粉尘颗粒在捕尘罩内的分布及运动规律，并研究颗粒参数与操作参数 对捕集性能的影响，研究表明随着颗粒浓度与颗粒粒径的增大，捕集 效率都逐渐降低。 以S W D E l 2 0 型潜孔钻机除尘系统为试验平台，在除尘系统气密 性良好的条件下进行试验，结果表明不同颗粒浓度对捕集性能的影响 规律与数值模拟结果基本一致，有效验证了数值模拟的正确性。 关键词潜孔钻机；捕尘罩；数值模拟；结构优化；流场分析 分类号T H l 2 2 I I 万方数据 D u s tc a t c h i n gc o v e ro fD o w n - t h e - h o l ed r i l l ’Sf l o wf i e l da n d s t r u c t u r eo p t i m i z a t i o n A b s t r a c t D o w n - t h e - h o l ed r i l ld u s tc a t c h i n gc o v e ri Sa ni m p o r t a n tp a r to f ad u s tr e m o v a ls y s t e m ，r e c e n t l yt h e r ea r es e r i o u sl e a k si nt h ep r a c t i c a l w o r k ．T or e d u c ed u s t p o l l u t i o n ，i m p r o v i n g c o l l e c t i o n e f f i c i e n c y , c o m b i n e dw i t hH u n a nS c i e n c ea n dT e c h n o l o g yK e yP r o j e c t ”I n t e g r a t e d h y d r a u l i cD T Hd r i l l i n g ”，b a s e do nt y p eS W D E 12 0D T Hd r i l l i n gt oc a t c h d u s tc o v e ra st h er e s e a r c ho b je c t ，s y s t e m a t i c a l l yr e s e a r c hd u s tc a t c h i n g c o v e ri n t e r n a lf l o wf i e l da n dt h ei n f l u e n c eo fs t r u c t u r ep a r a m e t e r so fi t ． E s t a b l i s h i n gD T Hd r i l lb yp r o ／e s o f t w a r et oc a t c hd u s tc o v e rt h e s i m p l i f i e dp h y s i c a lm o d e l ，s i m u l a t i n g d u s tc a t c h i n gc o v e ri n s i d et h e c o m p l e xf l o wf i e l d ，u s i n g t h e c o m p u t a t i o n a l f l u i dd y n a m i c sC F D s o f t w a r eF l u e n ts e tg r i dc o m p u t i n gd o m a i na n dt u r b u l e n c em o d e l ，f o r c a t c h i n gd u s tc o v e rg a sf l o wf i e l dn u m e r i c a l s i m u l a t i o na n a l y s i s ，t o p r o v i d ear e f e r e n c ef o r f u r t h e rs t u d yo fd u s tc a t c h i n gc o v e rt r a p p i n g p r o p e r t i e s ． F o rd u s tc a t c h i n gc o v e rd i f f e r e n ts t r u c t u r a lp a r a m e t e r s c y l i n d e r h e i g h tH ，c y l i n d e rd i a m e t e rD 3 ，e x h a u s tp i p e sa n de x h a u s tAd i pt u b e d i a m e t e rD 4 u s i n gs i m u l a t i o ns o f t w a r ef o rn u m e r i c a ls i m u l a t i o na n a l y s i s ； t or e d u c el e a k a g ep r o p o r t i o nf o rt h ep u r p o s eo fd u s tc a t c h i n gc o v e r ，u s i n g s i m u l a t e dd a t at h r o u g ht h ee s t a b l i s h m e n to fap o l y n o m i Nr e g r e s s i o n e q u a t i o n m a t l a bs o f t w a r e ，t h eu s eo fm u l t i - o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o n f u n c t i o nf m i n c o ns o l v i n go p t i m i z a t i o nr e s u l t so b t a i n e d ． D u s tc a t c h i n gc o v e rf o rt h eg a s s o l i dt w o - p h a s es t u d yt r a p p i n g p e r f o r m a n c e ，c r e a t eap h y s i c a lm o d e lo p t i m i z e du s i n gt h eD P Mm o d e l w h i t ec o u p l e db yE u l e r - L a g r a n g i a ns i m u l a t i o ns t u d yo fd u s tp a r t i c l e s c a u g h ti nt h ed u s tc o v e rd i s t r i b u t i o na n ds p o t sl a w ．S t u d yo fp a r t i c l e p a r a m e t e r sa n do p e r a t i n gp a r a m e t e r so np r o p e r t i e so fc a p t u r e ，S t u d i e s h a v es h o w nt h a tw i t hi n c r e a s i n gp a r t i c l es i z ea n dp a r t i c l ec o n c e n t r a t i o n ， t h et r a p p i n ge f f i c i e n c yi sd e c r e a s e d ． I no r d e rt oS W D E12 0D T Hd r i l ld u s tr e m o v a l s y s t e m f o r e x p e r i m e n t a lp l a t f o r m ，d u s tr e m o v a ls y s t e mt e s t e du n d e rg o o dc o n d i t i o n s t i g h t n e s s ，t h ea c c u r a c yo ft h ed u s tr e m o v a ls y s t e mt i g h t n e s st e s tt op r o v e t h ee x p e r i m e n t ，t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h et r a p p i n ge f f i c i e n c y 万方数据 o fd i f f e r e n tp a r t i c l ec o n c e n t r a t i o no nt h ei m p a c to fl a wa n dn u m e r i c a l s i m u l a t i o nr e s u l t sa r eb a s i c a l l yt h es a m ee f f e c t i v e l yv e r i f yt h ec o r r e c t n e s s o ft h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n ． K e y w o r d s D o w n t h e - h o l ed r i l l ；D u s tc a t c h i n gc o v e r ；n u m e r i c a l s i m u l a t i o n ；S t r u c t u r eo p t i m i z a t i o n ；T h ef l o wf i e l da n a l y s i s C l a s s i f i c a t i o n T H l2 2 V 万方数据 目录 原创性声明⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．I 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．I I A b s t r a c t ．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．⋯．⋯⋯⋯．．．．．．．．．．⋯．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．I V 目录⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一V I I 1 绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．1 课题来源和研究背景⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．2 潜孔钻机干式除尘系统概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 1 ．2 ．1 潜孔钻机除尘系统工作原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．2 ．2 潜孔钻机除尘系统的组成结构⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．3 国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 1 ．4 课题的研究意义及主要内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 2 捕尘罩工作原理与数值计算方法研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 2 ．1 捕尘原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 2 ．2 捕尘罩的捕集性能⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 2 ．3 捕尘罩气体相的数值模拟研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 2 ．3 ．1 湍流的基本控制方程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 2 ．3 ．2 湍流模型的选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯11 2 ．3 ．3 流场数值计算方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 2 ．4 捕尘罩混合流模型的选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 5 2 ．4 ．1 单颗粒运动控制方程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯15 2 ．4 ．2 颗粒随机轨道模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯16 2 ．4 ．3F l u e n t 中的D P M 模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯17 2 ．4 ．4 离散相与连续相间的耦合⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯18 2 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 8 3 捕尘罩气相流场分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 0 3 ．1 捕尘罩结构模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 0 3 ．1 ．1 捕尘罩结构参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 0 3 ．1 ．2 捕尘罩结构参数分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 0 3 ．2 计算区域网格的划分⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 l 3 ．3 边界条件的设置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 3 3 ．4 气相流场的仿真分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 4 3 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 7 4 捕尘罩结构参数优化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 8 V Ⅱ 万方数据 4 ．1 捕尘罩结构参数对流场的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 8 4 ．1 ．1 简体高度对流场的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 8 4 ．1 ．2 筒体直径对流场的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 8 4 。1 ．3 排气管倾角对流场的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 9 4 ．1 ．4 排气管直径对流场的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 0 4 ．1 ．5 捕尘罩偏移量对流场的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 4 ．2 捕尘罩的优化设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 l 4 ．2 ．1 捕尘罩优化问题概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 4 ．2 ．2 目标函数的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 4 ．3f m i r l c o n 函数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 2 4 ．3 ．1f m i n c o n 函数介绍⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 2 4 ．3 ．2f m i n c o n 函数基本原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 3 4 ．4 捕尘罩优化问题的数学模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 4 4 ．4 ．1 优化设计的约束条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 4 4 ．4 ．2 数学模型的搭建⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 5 4 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 5 5 捕尘罩两相捕集性能的数值模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一3 6 5 ．1 计算模型与方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 6 5 ．1 ．1 边界与初始条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 6 5 ．1 ．2 捕尘罩捕集效率数值模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 7 5 ．2 颗粒运动轨迹模拟与分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 8 5 ．3 颗粒参数及操作参数对捕尘罩捕集效率的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 0 5 ．3 ．】不同颗粒粒径对捕集效率的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 0 5 ．3 ．2 颗粒浓度对捕集效率的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 l 5 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 2 6 试验研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一4 4 6 ．1 试验意义和目的⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 4 6 ．2 试验原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 4 6 ．3 试验设备及操作流程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 5 6 ．4 试验结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 7 7 全文总结与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 0 7 ．1 全文总结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 0 7 ．2 展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 0 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 2 ⅥI I 万方数据 攻读硕士学位期间的主要研究成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 6 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一5 7 I X 万方数据 硕士学位论文l 绪论 l 绪论 1 ．1 课题来源和研究背景 本课题来源于国家重点新产品“一体化液压潜孔钻机” 项目编号 2 0l2 G R D 2 0 0 0 5 、。 随着中国经济的飞速发展，人民的生活水平的日益提高，公民的环保意识大 大增强，国家对大气质量的控制要求越来越高，2 0 0 7 年6 月3 日新华社发布了 国务院关于印发节能减排综合性工作方案的通知，并在“十一五纲要”中提出 了“十一五”期间单位国内生产总值能耗减少2 0 ％左右，主要污染物排放总量下降 1 0 ％的约束性目标。要把节能减排任务完成状况当作检测经济发展是否“好”的重 要标准，正确处理经济增长与节能减排之间的关系，把节能减排落到实处，使经 济增长树立在节约能源资源和保护环境的基础上。通知加快执行十大重点节 能工程，重点是推行钢铁、石油石化、化工、有色、建材等重点耗能行业余热 余压利用、节约和取石油、电机系统节能、能量系统优化，以及工业锅炉 窑炉 改造项目。环境保护已成为社会关注的重点问题[ 1 】。 粉尘危害是大气污染的重要形式之一，不单污染环境，而且损害人的健康。 据统计，全世界每年排放的粉尘总量达到l 亿吨，而我国的粉尘量排放已达到 0 ．2 8 万吨。对于排入空气中的粉尘，颗粒粒径大于1 0 ．r n 的被称作降尘，能够在 一段时间后沉降到地表，对植被、农作物等造成污染，并有可能形成二次扬尘。 粒径小于1O u m 的颗粒被称作飘尘，能够长时间的飘浮在空气中，而且可能被人 吸入，造成中毒或病患。研究表明，颗粒粒径越小对人体健康的危害越大。细颗 粒物能够飘散在更远的地区，因此影响范围较大【】。另外，空气中的粉尘还可能 导致大气污染烟雾的形成、太阳辐射强度减弱、酸雨及大气能见度降低等环境危 害1 3 】。矿山生产过程中产生含游离二氧化硅的呼吸性粉尘，由于工作人员劳动强 度大，单位时间内吸入的粉尘量大，矿山作业粉尘被工人吸入后，会累积于呼吸 系统，是导致矽肺病的主要原因。有文献报道目前我国有7 9 ．7 ％的尘肺发生在矿 山，小矿山是产生尘肺的窝点【4 1 。据了解，2 0 1 2 年联合国环境规划署公布的全 球环境展望5 指明，每年有7 0 万人死于因臭氧造成的呼吸系统疾病，有近2 0 0 万人的过早死亡病例与颗粒物污染相关【5 】。美国国家科学院院刊 P N A S 也 发布了研究报告，报告中指出，人类的平均寿命由于空气污染很可能已经减少了 5 年半。 当前在国内露天矿山中，潜孔钻机占钻孔设备总和的5 0 ％．6 0 ％1 6 ] 。潜孔钻机 在中、小型露天铁矿、石灰矿、有色金属矿山的钻孔设备中占有绝大部分。潜孔 钻机在露天工程爆破孔钻凿作业进程中形成大量粉尘，粉尘假如排入空气中会造 成严重污染，严重危害员工健康状况，给劳动者本人和他们的家庭在生活上和精 万方数据 硕士学位论文 l 绪论 神上带来双重不幸和痛苦其中，也严重地损害着企业的经济效益。颗粒粒径小 于l O g m 的粉尘排入空气后，很难沉降至地表，其中的一部分可以几小时、几天、 甚至几年飘浮在空气中。这些微细粉尘颗粒拥有很强的吸附能力，许多有害气体、 液体或其他金属元素都能黏附其上。受污染的空气被人吸入后，会招致或加深呼 吸系统的各种疾病。粉尘假如落到设备的运动构件上，会加速运动构件的磨损， 缩短设备的使用寿命，也会造成产品成本的增加。为了减少粉尘排放浓度和提高 员工工作条件，相当有必要研究设计一套简单、高效、紧凑、经济的除尘系统[ 7 1 。 1 ．2 潜孔钻机干式除尘系统概述 】．2 ．1 潜孔钻机除尘系统工作原理 干式除尘系统由捕尘罩、旋风除尘器、脉冲喷吹袋式除尘器、扇风机、风管 及其他附件装置构成。干式除尘系统工作时捕尘罩紧罩孔V I ，孔底岩粉借助排尘 风压吹至孔口，在除尘风机的抽吸共同作用下，岩粉由捕尘罩进入管道，粗颗粒 由旋风除尘器进行一级除尘过滤，精细颗粒由脉冲喷吹袋式除尘器进行二次除尘 过滤，最终达到除尘、提高工作环境的效果，系统原理图如下图1 - 2 所示【8 1 。 禽 体 麓尘罩麓风除尘曩装式黥尘嚣 图1 ．2 潜孔钻机干式除尘系统原理 1 ．2 ．2 潜孔钻机除尘系统的组成结构 1 捕尘罩 捕尘罩采用自阻力封孔器，封孔器由橡胶软罩、吸尘罩、隔尘毡垫、封孔器 机体、随钻杆转动体、紧固把手、预紧装置以及导尘口等组成。当工作时，先将 封孔器机体套在潜孔钻机的钻杆上，拧动紧固把手，拧紧把手顶紧夹紧装置，从 而增大封孔器与钻杆的紧实程度，其紧固程度以封孔器在钻杆上不能自行滑动， 但可以手动推动为止。换句话说，钻杆在不断推进的同时，借助其与封孑L 器之间 的自然阻力，确保封孔器橡胶软套始终紧贴岩壁，粉尘既不会泄漏飞扬，又不影 响钻杆钻进。但是由于钻杆工作时的晃动与旋转，封孔器与钻杆的摩擦造成挡板 内径扩大，造成粉尘的泄漏【9 】。 2 旋风除尘器 旋风除尘器是利用旋转的含尘气体所产生的离心力，将粉尘从气流中分离出 万方数据 硕士学位论文1 绪论 来的一种干式气．固分离装置。它结构简单、制造容易、造价和运行费用较低， 对于捕集5 ．1 0 岬以上的较粗颗粒粉尘，净化效率很高。但对于5 ．1 0 p m 以下的较 细颗粒粉尘净化效率较低，因此用于潜孔钻机除尘系统的一级除尘系统。 3 脉冲喷吹袋式除尘器 脉冲喷吹清灰的基本原理是将压缩空气在极短暂的时间内f 不超过0 ．2 s 高速 喷向滤袋，同时诱导数倍于喷射气量的空气形成空气波，使滤袋由袋口至底部产 生急剧的膨胀和冲击振动，在短促的时间内形成滤袋往复地“鼓、瘪、鼓”的波浪 形变形，使粉尘层发生变形、断裂，以块团状脱离滤布并受重力作用下落。清灰 时，清灰气流在使滤袋膨胀变形的同时也穿过袋壁和粉尘层。 1 ．3 国内外研究现状 目前，已有大量学者针对潜孔钻机除尘系统进行了分析研究，但是针对除尘 系统的研究主要是集中在旋风除尘器和袋式除尘器。 I ．潜孔钻机除尘系统的研究 辽宁工程技术大学段鹏文、张宝等人针对现有除尘系统，提出了一种新的除 尘系统，并探讨了新型除尘系统中关于文氏管的结构参数、文氏管的喉管流速和 文氏管的用水量及压力损失等参数【1 0 1 。 中南大学赵宏强、蒋海华等人提出应用旋风和过滤两级除尘系统，捕尘罩应 用白阻尼封孔器，蜗壳型旋风除尘器作为一级除尘，脉冲喷吹袋式除尘器作为二 级除尘，脉冲控制仪应用单片机控制，控制软件应用模块化结构【1 1 1 。 2 ．针对旋风除尘器的研究 中南大学曹中一、李强等人针对潜孔钻机的旋风除尘器进行尺寸优化设计， 为了提高除尘效率，以紊流连续径向混合分离理论为基础，通过改变变量，确定 目标函数、约束条件，数学模型的建立采用M A T L A B 优化工具箱来进行旋风除 尘器的设计和优化[ 1 2 】。 辽宁工程技术大学赵萍、段鹏飞等人针对旋风除尘器进行了符合设计要求的 结构尺寸优化，以L e i t h 半经验设计法为基础，对优化变量、目标函数、约束条件、 性能建立一体化的优化设计数学模型，通过数学规划理论进行结构尺寸的优化设 计【1 3 】。 青岛科技大学谷新春等人对影响环流式旋风除尘器性能的局部涡进行了分 析，采用C F D 模拟软件F l u e n t 提供的雷诺应力模型进行数值模拟研究，提出环流 式旋风除尘器特殊的流路设计有效降低了设备的压降，提高了除尘效率[ 】。 S h a l a b y ，H 等人使用不同的湍流模型对旋风分离器的连续相流动进行比较研 究，研究发现k 吒模型无法正确研究旋风分离器内强曲率的流线流动情况，采用 雷诺应力模型 R S M 和大涡模型 L E S 效果显著，并且L E S 的应用与实验数 万方数据 硕士学位论文1 绪论 据相符合，但需要较高的计算机容量和运行时间1 1 5 l 。 C a i j i nW u ，Z h e n g f e iM a ，Y o n gY a n g 对三维斜切双入1 3 旋风分离器应用雷诺应 力模型进行数值模拟，研究表明改进的非对称斜切入双入口比单入口大大降低了 漩涡气旋，倾斜角在1 0 0 的时候分离效率最佳[ 1 6 】。 A l i t a v o l iM 等人利用计算流体力学 C F D 技术研究帕累托旋风分离器，以 分离器的压降和分离效率仿真数值应用神经网络获得多项式模型，多目标算法找 到压降和分离效率的最佳组厶【1 7 】。 3 ．针对袋式除尘器的研究 西安建筑科技大学田玮对脉冲喷吹袋式除尘器的清灰进行了研究，基于滤袋 上分离的分离力公式，针对测点与袋口距离、喷吹参数 压力、时间、位置 、 喷嘴与袋口距离等影响因素进行了研究[ i s l 。 东华大学赵友军针对袋式除尘器内部进行了流场分布试验测试及数值模拟 研究，应用F l u e n t 软件进行除尘器不同结构的模拟，优化袋式除尘器的结构参数， 进而提高袋式除尘器的除尘效率，降低维护费用【1 9 ] 。 东华大学陈强对袋式除尘器内气流均匀性进行数值模拟研究，借助于F l u e n t 软件进行多种典型工况下的数值模拟，建立不同的结构模型来分析进风方式、过 滤风速、布袋排列组合方式等因素对气流均匀性的影响，并提出一种优化的结构 参数组合，以提高袋式除尘器的除尘效率[ 2 0 】。 A m a n o ，H 等人针对脉冲喷吹式袋式除尘器提出滤芯过滤的优化设计方法，研 究了滤芯褶皱形状和柱状滤芯长度对除尘性能的影响，研究表明滤芯长度存在于 脉冲空气的消耗【2 1 1 。 长安大学沙洪伟针对袋式除尘器除尘技术进行试验研究，利用计算流体软件 F l u e n t 对袋式除尘器内部流场进行模拟，粉笔对单滤袋和四滤袋模型进行内部压 力场和速度场的模拟，为进一步对袋式除尘器的改善提高依据【2 2 】。 F uH a i M i n g ，Z h a oY o u ．J u n 针对袋式除尘器的研究，为了选择最好的过滤速度 和改善气流分布，利用C F D 软件模拟内部流场，射流过滤速度影响流场的均匀性 分布，通过仿真结果与实验结果的比较，得到基本一致的结果【，】。 Q i a nF u p i n g ，Y e Y u q i 针对袋式除尘器不同入口结构进行数值模拟，研究了除 尘器的速度场与流速分布系数，表明袋式除尘器的气流分布与垂直入口很不平 衡，很容易导致袋背面提前磨损【2 4 】。 从上文可以看出针对潜孔钻机捕尘罩的研究较少，而潜孔钻机捕尘罩又是除 尘系统中不可分割的一部分，并且该捕尘罩存在严重的泄漏问题，因此本文针对 潜孔钻机捕尘罩进行研究分析，具有一定的研究意义。 万方数据 硕士学位论文 1 绪论 1 ．4 课题的研究意义及主要内容 潜孔钻机捕尘罩捕集粉尘颗粒作为除尘系统的重要部件，已成为除尘系统中 必不可少的部分。潜孔钻机作业采用压缩空气，气压越大，潜孔钻机钻孔速度越 快。捕尘罩气源来自空压机对外做功剩余的气量，主要排气口存在由风机通过袋 式除尘器、旋风除尘器后的抽风负压，部分气流不可避免地从捕尘罩挡板与钻杆 的连接环口泄漏，造成粉尘向大气大量扩散。因此本文对潜孔钻机捕尘罩的研究 具有一定的工程意义。由于捕尘罩内的含尘混合物属于三维强湍流，伴随着气流 的泄漏，而且涉及到气固两相之间的相互作用及凝聚、吸附和静电等许多复杂情 况，使得理论研究遇到了很大困难[ 2 5 1 。捕尘罩的优化改造升级是涉及到多学科优 化的问题，由于试验条件的有限性，通过试验来研究捕尘罩的性能不仅时间长而 且耗费高。随着计算流体力学理论的发展和计算机技术的进步，本文借助计算机 模拟技术来解决这一问题。据了解，已有大量学者开展了对潜孔钻机除尘系统的 研究工作，但E 1 前为止，国内外鲜有对潜孔钻机捕尘罩研究的报道。对捕尘罩进 行结构优化设计，有利于提高捕尘罩的捕集效率，降低除尘风机的功率，减少除 尘系统不必要的维护费用。因此，对潜孔钻机捕尘罩的流场分析与结构优化是完 全有必要的。 本文应用数值模拟计算的方法，利用计算流体力学C F D 的F L U E N T 软件针 对一体化液压潜孔钻机除尘系统的重要部件捕尘罩进行研究。具体内容如下 1 捕尘罩的数值计算方法的研究。包括湍流流动的基本控制方程、数值 模拟方法及混合流模型。 2 研究捕尘罩的气相流场，对捕尘罩气流的速度场和压力场进行分析。 3 对捕尘罩的各个结构参数进行模拟仿真与分析，根据仿真数据运用 m a f l a b 软件进行多目标优化。 4 研究捕尘罩的气固两相特性，包括颗粒运动的轨迹、颗粒捕集的总效 率以及分级效率。在研究了捕尘罩的气固两相特性的基础上，着重研究颗粒参数 颗粒粒径、颗粒浓度 对捕尘罩捕集效率的影响。 5 对捕尘罩进行试验研究，主要研究粉尘颗粒浓度对捕尘罩捕集性能的 影响，验证数值仿真的正确性。 万方数据 硕士学位论文2 捕尘罩工作原理与数值计算方法研究 2 捕尘罩工作原理与数值计算方法研究 本章以捕尘罩的工作原理和性能为基础，通过捕尘罩内结构特点和操作参数 建立混合流的数学计算模型，确定混合流的流体动力学控制方程、湍流模型和数 值计算方法等，并根据捕尘罩的气固两相流特点建立混合流的模型，确定颗粒运 动控制方程、轨道模型及边界条件。 2 ．1 捕尘原理 捕尘罩罩口气流运动方式有两种一种是吸气口气流的吸入流动；另一种是 吹气口气流的吹出流动。对捕尘罩多数的情况是吸气口吸入气流。 1 吸气口气流一个敞开的管口是最简单的吸气口，当吸气口吸气时，在吸 气口附近形成负压，周围空气从四面八方流向吸气口，形成吸入气流或汇流。当 吸气口面积较小时，可视为“点汇”。形成以吸气口为中心的径向线，和以吸气口 为球心的等速球面。如图2 2 所示。 a 自由吸气口 图2 - 2 吸气口形式 速面 系泰 ．v b 受限吸气口 由于通过每个等速面的吸气量相等，假定点汇的吸气量为Q ，等速面的半径 分别为r 】和r 相应的气流速度为v l 和V 2 ，则有 Q 4 巧2 ．1 ，l 4 癣V 2 2 - 1 式中，Q 为气体流量，m 3 ／s ；V 1 、V 2 为球面l 和2 上的气流速度，m ／sr l 、1 “ 2 球 面l 和球面2 的半径，m 。 ，、2 旦I 旦l 2 ．2 V 2 Lr 2 ／ 由式可见，点汇出某一点的流速与该点至吸气口距离的平方成反比。因此设 计捕尘罩时，应尽量减少罩口到污染源的距离，以提高捕集效率【2 6 ] 。 若在吸气口的四周加上挡板，如图所示，吸气范围减少一半，其等速面为半 球面，则吸气口的吸气量为 万方数据 硕士学位论文2 捕尘罩工作原理与数值计算方法研究 Q 2 n r , 2 v 1 2 席j 1 ，， 2 - 3 式中符号意义同前。 比较式 2 ．1 和式 2 ．3 可以看出，在同样距离上造成同样的吸气速度， 吸气口不设挡板的吸气量比加设挡板时大1 倍。因此在设计外部捕尘罩时，应尽 量减少吸气范围，以便增强控制效果。 实际上，吸气口有一定大小，气体流动也有阻力。根据有关试验结果，吸气 口气流速度分布具有以下特点 1 、在吸气口附近的等速面近似与吸气口平