煤礦排水管道流體仿真研究

摘 要：為充分了解礦井水在煤礦排水管道內(nèi)的流動(dòng)變化，本文設(shè)計(jì)了60°、90°與120°三種不同類(lèi)型的煤礦排水彎管，通過(guò)有限元分析了礦井水流動(dòng)速度變化，結(jié)果表明：礦井水在煤礦排水彎管的彎段處流動(dòng)速度開(kāi)始發(fā)生明顯增大，60°彎管的彎段處內(nèi)側(cè)的流動(dòng)速度最大，90°次之，120°最小。

關(guān)鍵詞：煤礦排水管道；仿真；有限元；速度

關(guān)于管道內(nèi)流體流動(dòng)狀況的研究得到了眾多學(xué)者的重視，李斌[ 1 ]、賀尚紅[ 2 ]、武維生[ 3 ]、楊雪峰[4]等人均采用了不同方法對(duì)管道內(nèi)流體流動(dòng)進(jìn)行了分析與仿真。但上述文獻(xiàn)中主要是針對(duì)普遍意義上的管道進(jìn)行的研究，缺少對(duì)特定管道類(lèi)型的分析，不便于發(fā)現(xiàn)某一種管道內(nèi)具體的流動(dòng)狀況。

本文選擇以煤礦排水管道作為研究對(duì)象，通過(guò)限元分析了礦井水在不同類(lèi)型的管道內(nèi)的流動(dòng)速度變化。

1 建立模型

管道從外形上可分為直管道和彎管道，直管道內(nèi)流體流動(dòng)狀況較為統(tǒng)一，彎管道在彎段處其截面形狀變化較大，流動(dòng)的運(yùn)動(dòng)軌跡和流動(dòng)狀態(tài)會(huì)發(fā)生交的變化，從而引起流體速度、壓力等狀態(tài)的變化。

為更加清楚的描述煤礦排水管道內(nèi)礦井水的流動(dòng)狀況，本文利用SolidWorks設(shè)計(jì)了不同類(lèi)型的煤礦排水彎管，即為60°、90°與120°三種，如圖1所示。

2 模擬仿真

2.1 管道參數(shù)

選取管道材質(zhì)為合金鋼，管徑規(guī)格為外徑300mm，內(nèi)徑為250mm，直管長(zhǎng)度為700mm。

2.2 初始條件

使用Flow Simulation進(jìn)行初始設(shè)置：國(guó)際制（SI）長(zhǎng)度單位為mm，入口速度單位為m/s，分析類(lèi)型為內(nèi)部流動(dòng)，排除內(nèi)部沒(méi)有流動(dòng)條件的空腔，流體為液體。

2.3 邊界條件

設(shè)定整個(gè)煤礦排水管道所處的環(huán)境溫度為293.15K，入口速度為1m/s，與入口平面法向平行。出口環(huán)境壓力為101325Pa，壁面條件為絕熱壁面。

2.4 表面目標(biāo)

已知煤礦排水管道出口靜壓力和入口速度，將仿真目標(biāo)值設(shè)定為表面目標(biāo)，即通過(guò)管道出口排水量最大作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。

2.5 仿真結(jié)果

求解運(yùn)行結(jié)束后，對(duì)煤礦排水彎管內(nèi)礦井水流動(dòng)速度狀況進(jìn)行切面圖分析。

以右視基準(zhǔn)面作為剖面，對(duì)60°、90°以及120°彎管內(nèi)礦井水的流動(dòng)速度進(jìn)行切面圖分析，速度分布云圖如圖2所示。

由圖2可知，煤礦排水管道在直段處礦井水流動(dòng)速度變化不明顯，與入口速度相差無(wú)幾。在彎段處礦井水流動(dòng)速度開(kāi)始發(fā)生明顯變化，彎段處內(nèi)側(cè)的流動(dòng)速度大于入口速度。60°彎管的彎段處內(nèi)側(cè)的流動(dòng)速度最大，90°次之，120°最小。

3 結(jié)論

本文利用SolidWorks設(shè)計(jì)了三種不同類(lèi)型的煤礦排水彎管，通過(guò)有限元分析了礦井水流動(dòng)速度變化，發(fā)現(xiàn)礦井水在煤礦排水彎管的彎段處流動(dòng)速度開(kāi)始發(fā)生明顯增大，60°彎管的彎段處內(nèi)側(cè)的流動(dòng)速度最大，90°次之，120°最小。

參考文獻(xiàn)：

[1] 賀尚紅，鐘掘.管道流體的瞬態(tài)仿真模型[J].中南工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2000，02：173-176.

[2] 武維生.基于粒子系統(tǒng)的管道流體虛擬可視化研究[D].山東大學(xué)，2006.

[3] 李斌，劉明亞，牟靜，郭健，梅越民.管道流體的瞬態(tài)仿真模型[J].科技傳播，2016，11：183+216.

[4] 楊雪峰，張妍，宋敏. FHP-2格子氣模型仿真管道流體流動(dòng)[J].撫順石油學(xué)院學(xué)報(bào)，1996，01：43-46.

作者簡(jiǎn)介：

劉陽(yáng)（1991-），男，漢族，山東臨沂人，山東科技大學(xué)礦業(yè)與安全工程學(xué)院在讀研究生，研究方向?yàn)橄到y(tǒng)設(shè)計(jì)與優(yōu)化。