地铁站内空气幕防烟效果的数值模拟研究

地铁站内站台层发生火灾时,站台层的烟气会通过站台层到站厅层的楼扶梯蔓延至站厅层。为了研究楼扶梯口处设置空气幕对站台层烟气的阻挡效果,进行了数值模拟研究。主要研究空气幕的出口风速,出口射流角度对烟气的阻挡效果。设置的空气幕风速有3m/s,4m/s,5m/s,10m/s;设置的角度有0°,15°,30°。通过模拟对比空气幕前后温度变化,得出风幕风速为4m/s或者5m/s时即可较好阻挡烟气。角度为15°的空气幕比0°和30°的空气幕挡烟效果好。     

弯管与盲通管冲蚀磨损对比分析研究

为了研究石油管道流向急剧改变处的冲蚀磨损问题,采用DPM模型,通过改变入口流速、颗粒质量流速、颗粒直径,对90°弯管与盲通管的流场分布及冲蚀情况进行数值模拟。结果表明:弯管与盲通管最大冲蚀速率随入口流速的增大呈指数增长,随颗粒质量流速的增大呈线性增长;在50~100 μm粒径范围内,最大冲蚀速率随粒径的增加逐渐减小,在100~300 μm粒径范围内,随粒径的增加而增大;在入口流速、颗粒质量流速、颗粒直径相同的条件下,弯管最大冲蚀速率明显高于盲通管最大冲蚀速率,盲通管的耐蚀性更强;由于流体在盲通管产生涡旋现象,增加了颗粒能量的耗散,从而减小了进入下游管线颗粒的速率,使得颗粒更易积存于盲通段形成堆积层,减小了下游管段冲蚀速率。     

循环型空气幕送风角度对隔断巷道风流效果影响的分析

空气幕送风角度是影响其隔断能力的主要因素之一,依据动量定律建立循环型空气幕隔断巷道风流的理论模型,分析送风角度对隔断能力的影响。进一步利用FLUENT进行数值模拟计算,可视化不同送风角度下的巷道流场特性,模拟计算不同送风角度下的隔断压差及漏风量,并与相似实验数据进行对比分析。结果表明,模拟结果与相似实验数据基本一致。循环型空气幕隔断能力随送风角度的增大呈先增大后减小的趋势。送风角度为10°～15°时,隔断能力最大;当送风角度在10°～30°时,隔断能力受送风角度的影响较小;当送风角度大于30°时,随着送风角度的增大,隔断能力有较大幅度的减小,结合实际安装条件,循环型空气幕送风角度应为10°～30°。     

不同冲击方向下高压气体致裂岩石特征试验

为探索含瓦斯煤层增透性,提高抽采率,利用自主研制的真三轴高压气体冲击致裂岩石试验系统,开展不同冲击方向下高压气体致裂试验,试验变量为气体冲击方向与最大水平主应力的夹角,在三向应力的作用下开展高压气体冲击试验,得到冲击方向与最大水平主应力呈现0、30、45、60和90°夹角时岩石破裂形态及声发射响应。结果表明：高压气体冲击致裂岩石过程呈现5个显著阶段,即冲击起裂阶段、气压上升阶段、裂缝扩展阶段、气压稳定阶段和压力衰减阶段;高压气体冲击产生垂直裂缝和水平裂缝,射流角度增加后,垂直裂缝出现偏转,且偏转角度逐渐变大,裂缝偏转点也逐渐远离钻孔,水平断裂面呈现中间低四周高的形态;气体峰值压力随着射流方向与最大主应力的角度增加而增加,从0～90°峰值压力呈线性增长;分析声发射信号发现,岩石冲击破坏以张拉破坏为主、剪切破坏为辅,但随着射流角度增加,逐渐转变为剪切破坏为主的拉-剪复合破坏。     

障碍物在分岔附近对瓦斯爆炸压力影响的实验研究*

为研究置障条件下不同分岔角度管道中瓦斯爆炸压力变化规律，采用长15 m、截面为160 mm×100 mm的矩形和直径160 mm的半圆形组成的拱形模拟巷道，通过改变分岔角附近障碍物的形状与阻塞比，研究瓦斯爆炸在30~45°与30~60°双分岔管道分岔角附近的压力变化规律。结果表明:瓦斯爆炸在30~45°和30~60°双分岔管道中，分岔角后2支管压力均有所增大，且45°和60°支管中压力变化较30°支管更加明显；障碍物位于30°分岔角后，当阻塞比为0.4时，障碍物形状对2~4测点爆炸压力的影响均表现为矩形最大，拱形次之，圆形最小；管道中矩形障碍物对2,3测点爆炸压力的影响随阻塞比增加而增大，对测点4爆炸压力的影响则随阻塞比的增加而减小；设置矩形障碍物时，30~45°双分岔管道中2,3测点的压力增幅大于30~60°双分岔管道，且压力增幅随阻塞比增加而增大，而测点4的表现则相反，30~60°双分岔管道大于30~45°双分岔管道，且压力增幅随阻塞比增加而减小。     

含缺陷连续管冲蚀规律研究

针对内壁含缺陷的连续管冲蚀磨损严重、易失效的问题,基于冲蚀理论和液-固两相流,建立了含缺陷连续管内 壁冲蚀模型。利用Grant和Tabakoff模型求解砂砾冲蚀速率,借助实验数据验证了CFD数值模型。利用该模型研究了连续 管内壁周向均布缺陷数量及缺陷形状参数（深度、长度和宽度）对连续管内壁含缺陷时的冲蚀影响。研究表明:完整连 续管与含1个缺陷时对比,最大冲蚀率增加了4.5倍。对于深度或宽度较小的缺陷,冲蚀更为严重,缺陷会在冲蚀作用下 迅速加深或变宽,增速下降较快。含大长度缺陷连续管在压裂中会被加速损坏。     

环境风下多层航站楼排烟效果及人员疏散研究

为探究环境风下机场航站楼排烟模式对人员安全疏散的影响,以某航站楼为研究对象,选择多楼层区域作为数据获取范围,针对排烟窗控制模式的33种工况,采用火灾动力学(FDS)软件模拟排烟效果;以北风经东北风转为东风构造风向区间,获得风向与危险到达时间的曲线关系;以0～90°为高侧窗开启角度区间,获得适宜开窗范围,并根据环境风进行安全疏散的判定与优化。结果表明：对于楼内排烟效果而言,若高侧窗全开,无风和低风速下有利于排烟,环境风速较高时,垂直于楼层走势的风向排烟效果较好;在风向区间内,0～70°风向会对高侧窗排烟起促进作用,30和60°风向点最优,顺楼层走势的风向会有烟气倒灌;在高侧窗开启角度内,实际以5～30°下悬窗或全开窗为宜;结合风向下的危险到达时间,进行楼层人员疏散优化,调控后疏散时间比未优化时减少10%。     

热源及空隙率对上部松散煤体影响的试验研究

为研究热源及空隙率在松散煤体内自卷吸供氧过程中对上部松散煤体的影响,利用自制的高温松散煤体自吸氧试验装置,测试了热源温度分别为30℃、60℃、90℃、120℃、150℃、200℃时,粒径分别为1~3 mm、3~5 mm、5~7 mm、7~10 mm、10~15 mm的松散煤体的内部温度,计算了不同热源强度下松散煤体内部的浮升力。结果表明:1)当热源温度及煤体空隙率一定时,各测点温度分布基本呈线性变化规律,但是随着热源温度不断升高,线性变化规律减弱;2)空隙率一定时,随热源温度升高,松散煤体内各测点温度增大,各测点的温度梯度也增大;3)当热源温度值一定时,随煤体空隙率的增大,同一测点的温度值整体增大;4)随热源温度升高,煤体内各相邻测点区间浮升力大致呈指数规律变化;浮升力随热源升高而增大,不同测点区间的浮升力影响因素不同;当热源温度一定时,距离热源区间越远,煤体浮升力越小。     

轴向单缝偏心药柱爆破效应模型试验研究

为了探究轴向单缝偏心药柱在掏槽爆破中爆炸应力波传播规律和裂纹扩展情况，采用水泥砂浆模型试块开展模型爆破试验，采用超动态应变测试系统对爆炸应力场进行测量。结果表明:在相同爆心距下，背对切缝侧A测点仅为正对切缝侧B测点峰值应力的73.82%；一定角度范围内，峰值应力随偏转角度的增大而减小，偏转角度为0°时峰值应力最大，偏转角度为60°处峰值应力是偏转角度为30°处的74.39%，峰值应力在0°到60°范围内最大衰减达到32.74%；正对切缝方向产生一条贯通炮孔的主裂纹，裂纹发育优于其他方向，且切缝方向没有明显的细小裂纹，这表明轴向单缝偏心药柱具有良好的定向断裂能力。     

初始温度对城镇燃气爆炸强度的影响研究

为了探讨城镇燃气爆炸强度与反应初始温度的对应关系,根据工程热力学研究定组分混合气体的基本方法以及阿马格分体积定律将城镇燃气简化为含碳、氢、氧、氮的单一气体,简化其热化学反应方程式及反应终态温度的求解办法.在此基础上采用经典的气体爆炸强度公式计算不同反应初始温度下城镇燃气(体积分数10％)-空气混合气体理论上的最大爆炸压力和最大压力上升速率.结果表明,城镇燃气的最大爆炸压力及最大压力上升速率随初始温度的提高而线性减小,近似成反比例关系.为了验证理论计算所得结论的正确性,采用经典爆炸特性参数测试系统实测了该混合气体对应初始温度下的爆炸强度.实测结果与理论计算结果所得结论基本吻合,且最大爆炸压力的理论值与实测值最大误差为13.95％,最大爆炸压力上升速率的理论值与实测值最大误差为14.52％,满足工程应用(最大误差不超过20％)的需要.该理论计算方法可以近似估算不同初始温度下城镇燃气-空气混合气体的爆炸强度.在爆炸极限范围内城镇燃气的爆炸强度随反应初始温度的增加而线性减少,二者近似成反比例关系.     

斜交高位钻孔抽采空区瓦斯设计及优化研究

为了得到斜交高位钻孔最佳抽采效果,利用Fluent软件模拟斜交高位钻孔仰角分别为20°、30°和35°时采空区瓦斯浓度分布,分析钻孔仰角为30°,夹角为15°、25°、35°、45°时钻孔抽采情况。结果表明:斜交高位钻孔仰角为30°,夹角为25°时钻孔抽采纯量为2.12m3/min,抽采纯量最大,钻孔抽采效果最佳。根据现场实测数据,得到斜交高位钻孔抽采效果最佳时钻孔仰角与夹角分别为30°、27°,两者结果基本一致,从而验证了数值模拟结果的正确性。     

焊肉位置对连续管冲蚀磨损规律研究

针对连续管在压裂作业时连续管内壁易受冲蚀磨损甚至导致失效的问题,基于液固两相流和冲蚀理论,利用FLUENT软件对比研究了带焊肉的直连续管、360°弯曲连续管、正弦弯曲连续管等连续管的内壁冲蚀磨损以及焊肉位置对360°弯曲连续管的冲蚀磨损规律。研究表明:360°弯曲连续管的最大冲蚀速率较直连续管增加了近22倍,正弦弯曲连续管的最大冲蚀速率较直连续管增加了近264倍;在360°弯曲连续管中,焊肉分布在外侧时连续管所受的最大冲蚀速率较无焊肉增加了约57%,焊肉在连续管内的扭转角度由90°增加到360°时,连续管最大冲蚀速率增加了约277%,建议控制焊肉位置以及焊肉扭转程度以减小冲蚀磨损。     

不同应力场条件下巷道稳定性研究

为了确定不同应力场（σH型、σHv型和σv型应力场）下巷道围岩的稳定性,采用理论分析和数值模拟相结合的方法,通过对巷道围岩的应力和塑性区分布特征的分析,综合评价不同巷道布置方向巷道围岩的稳定性。研究结果表明:σH型和σHv型应力场,巷道与最大水平主应力夹角在0°～40°水平应力峰值处于较低的应力状态,夹角在50°～90°水平应力峰值处于较高的应力状态应力,夹角在40°～50°水平应力峰值急剧上升;σv型应力场,水平应力峰值呈缓慢上升趋势;确定巷道的最佳布置方位与理论分析相一致。以常村矿为应用实例,进一步验证了结论的正确性,为矿井合理的巷道布置提供了理论依据。     

页岩气压裂弯管中液固两相流冲蚀磨损的数值模拟

为了研究超高压水力压裂下支撑剂颗粒进入弯管后冲蚀磨损区域的变化特性。基于液-固两相流理论、Fluent冲蚀模型建立弯管冲蚀模型,结合弯管内流场分析颗粒运动轨迹,引入斯托克斯数（St）探究冲蚀磨损区域变化,并进行数值分析。研究结果表明:弯管中冲蚀磨损发生区域有5处,主要严重区域有3处,弯管流场会改变固体颗粒数量及对壁面冲击动能与运动轨迹,St变化会明显引起冲蚀磨损区域的规律性变化;随着St从0~1至St>1变化,弯管段内壁面外侧（液体进入弯管后的正对区域）与直管段靠近弯管段的侧方区域的冲蚀磨损情况呈现“此消彼长”的规律性差异;管径越小,最大冲蚀速率的增长幅度越明显,增大管径,是减小冲蚀磨损的有效途径。研究结果对压裂弯管的改进设计及管道安全防护具有指导作用。     

连接结构尺寸对三通管冲蚀磨损影响的数值模拟

针对石油管道运输系统中三通管的冲蚀磨损问题,采用DPM冲蚀预测模型,模拟分析了油品中夹带的固体颗粒对连接结构尺寸不同的三通管的冲蚀磨损情况,得出了颗粒对三通管冲蚀的分布规律。结果表明:T型三通管的冲蚀主要集中在与竖直管道正对的水平管道底部及其附近的外侧管壁,有球体弯头的三通管的冲蚀主要集中在球体附近水平管道的外侧管壁,且冲蚀磨损程度相对较小;随着流体流入速度的增大,2种三通管的最大冲蚀率随之增大且呈指数增长;随着颗粒质量流量的增大,2种三通管的最大冲蚀率均随之增大;当流体在2种不同的三通管中流动时,管道系统的最大冲蚀率的曲线变化趋势基本一致,均为先减小再增大;当管道弯头处球体的直径为管道直径的2倍时,管道的冲蚀速率最小,颗粒对于管道的冲蚀磨损程度最轻。     

基于RFPA2D复合局部挠曲岩体数值模拟

为研究复合局部挠曲岩体强度特征以及破坏规律，采用岩石真实破裂软件RFPA^2D，对水平层面挠曲30°，45°，60°，75°的复合岩体进行单轴压缩试验模拟。模拟结果表明:挠曲角为30°，45°，60°，75°的复合岩体破坏面几乎与挠曲段夹层重合，其挠曲端部均产生了垂直于挠曲段夹层的裂纹；复合单斜岩体与复合挠曲岩体破坏面的形成因素大致相同，夹层强度是2种岩体失稳的主要因素；复合挠曲岩体单轴抗压强度随挠曲角增大同样呈“U”型变化，与单斜岩体变化趋势一致；当水平层状岩体发生挠曲后，其单轴抗压强度减小，当挠曲角为60°时，强度降低25.19%，当挠曲角为75°时，强度降低0.17%。；随着均质系数m的增大，复合挠曲岩体单轴抗压强度以及轴向应变均出现逐渐递增的趋势，且不同m值，其岩体裂隙扩展方式具有明显差别。     

气固两相流下球阀磨损特性研究

旋塞球阀是钻柱内防喷系统中的关键设备,在气固两相流下球阀易受磨损而失效,并造成严重的井喷事故。为此,将计算流体动力学理论与冲蚀磨损理论相结合,运用FLUENT软件对球阀壁面在气固两相流下的磨损分布情况进行研究,并进一步分析了球阀结构参数对于球阀壁面磨损的影响规律。结果表明:当气固两相流流经球阀时,固体颗粒会与气流分离,并在壁面上产生三处磨损集中区;随着球阀开度的减小,球阀壁面磨损量会急剧增大,且阀球内通道壁面上的磨损集中区由块状逐步转化为带状,而球阀出口处的磨损集中区则会逐渐向下移动;球阀流道直径的减小也会使得壁面磨损量增加,但磨损集中区的分布基本不变。研究结果可为进一步优化球阀流道结构以减轻其壁面磨损提供理论依据。