高压水射流冲击煤体损伤的数值模拟研究

为研究高压水射流破煤过程中煤体的损伤状态及压力的分布状态,论文采用J-H-C含损伤本构模型,水射流采用Bridgman状态方程,通过拉格朗日-欧拉有限元法模拟计算高压水射流冲击煤体的损伤机制,得出了煤体在高压水射流冲击作用下不同时刻的损伤变化情况。结果表明,煤体在高压水射流作用下,在接触点两边形成"肺叶状"负压力区,煤体所受压力逐渐减小;冲击速度和产生的损伤随时间变化逐渐减小,损伤主要集中于坑洞底部。     

中伸式喷嘴同轴圆湍射流近场区流场的数值模拟

中伸式同轴射流喷管应用于脉冲袋式除尘器可以增大脉冲射流的卷吸气量[1]。运用Fluent软件中的大涡模拟(LES)方法模拟了传统同轴射流和3种中伸式喷嘴同轴射流的近场区流场特性,中伸式喷嘴的长度L分别为2.5Di、5Di、7.5Di,Di为中心射流管管径,中心射流的Re为4 470。结果表明:中心射流管中伸长度在2.5Di的工况下,中心射流的核心长度与传统同轴喷管中心射流的核心长度相差不大;随中心射流管中伸长度增加,射流的核心长度变短,径向速度衰减更快,并且湍动能分布更加不稳定;随中心射流管中伸长度增加,轴线上距中心射流管喷嘴相同距离处的监测点的速度功率频谱波峰值增大,且波峰值所对应的频率减小;在相同中伸长度工况下,随距中心射流管喷嘴距离增加,监测点的速度功率频谱的波峰值增加,波峰值对应的频率没有变化。     

综采工作面空气幕隔尘理论研究

空气幕隔尘是综采工作面一项新的防尘技术.运用平面射流理论,针对综采工作面空间特点及风流特性,建立空气幕隔尘的数学模型,从理论上就隔尘空气幕两侧粉尘浓度分布和变化规律、空气幕隔尘效率及其与相关参数的关系进行深入研究.结果表明:1)司机侧粉尘浓度朝风流方向按指数规律不断增大,煤壁侧粉尘浓度则朝风流方向按指数规律不断下降,且两侧粉尘浓度变化速度快慢与空气幕射流卷吸风量大小有关,卷吸风量越大,两侧粉尘浓度变化速度越快;2)空气幕射流卷吸风量是影响其隔尘效果主要因素,卷吸风量越小,空气幕隔尘效率越高;3)在确定空气幕出口风速时,为保证其隔尘效率,应根据现场实测,取满足控制呼吸性粉尘所需的最小风速.     

水平应力对半圆拱形巷道围岩应力分布及变形特征影响

水平应力是影响巷道围岩应力分布及变形破坏特征的重要因素,通过数值模拟方法研究了水平应力对直墙半圆拱形巷道围岩应力场、塑性区、位移场分布规律的影响,进而为确定巷道支护形式提供一定的理论依据。研究表明:影响巷道稳定性的关键因素是巷道周边的环向应力集中,随侧压力系数λ的增大,帮部围岩的竖向应力集中向顶、底板转移,从而引起塑性区向顶、底板转移,塑性区范围向顶、底板围岩内部扩展,巷道稳定性降低。当λ取值不同时,在巷道顶底板会产生相应的环向或径向拉应力区域,在拉伸作用下围岩整体性能降低,易发生压拉破坏。随λ增大,巷道帮部变形量逐渐增大,顶板下沉量先减小后增大最后减小,底鼓量先减小后增大。     

风筒出口位置对掘进工作面瓦斯分布的影响

根据计算流体动力学(CFD)理论,运用Fluent软件对掘进工作面的风流流场及瓦斯分布进行数值模拟,研究了在断面形状为梯形的掘进巷道中,瓦斯从掘进迎头和巷道两帮均匀涌出时,风筒出口离掘进迎头的距离对掘进巷道中风流流场和瓦斯分布的影响.结果表明: 压入式局部通风掘进巷道工作面风流从风筒出口流出后,沿风流方向瓦斯浓度逐渐增大,在靠近迎头处巷道两帮底部和顶部瓦斯浓度较高;随着瓦斯涌出量的增加,由于高浓度瓦斯密度降低而产生的上浮力的作用,在靠近迎头的上部区域发生瓦斯沿顶板逆风流方向流动的现象;上浮力的作用会改变流场的分布状况,在靠近迎头处产生涡流;风筒出口离掘进迎头越近,风流到达迎头时携带的瓦斯量越少,且迎头处的风速越大,靠近迎头区域中的瓦斯浓度越低.     

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。     

地表载荷对硬岩区埋地管道应力应变影响分析

为研究地表载荷对硬岩区埋地管道力学性能的影响,建立了管-土耦合三维数值模型,分析了地表载荷大小、作用面积、管道压力、管道径厚比及回填土弹性模量对管道应力分布、塑性应变、椭圆度的影响。结果表明:地表压载作用下,高应力区首先出现在管道顶部且呈椭圆形;随着地表载荷及其作用面积的增大,管道高应力区逐渐扩大,管道截面左右两侧也出现应力集中;随着回填土弹性模量、管道壁厚及内压的增加,管道顶部高应力区及最大等效应力均减小。塑性应变首先出现在管顶,且塑性区随地表载荷、载荷作用长度增加而增大,随回填土体弹性模量及管道壁厚增大而逐渐减小;当内压为0~4MPa时,管道塑性应变及塑性区随内压的增大而减小。管道椭圆度随回填土体弹性模量、管道内压、壁厚增加而逐渐减小,随地表压载增大而增大。     

基于稳态与非稳态的喷吹管内流场的对比研究

针对等孔径喷吹管,利用CFD软件对其内流场进行数值模拟,得到不同入口流量条件下的流场分布特性。对喷吹管进行非稳态流场模拟,并与稳态模拟结果分析比较,模拟结果误差控制在1%以内,验证了将喷吹管非稳态内流场简化为稳态流场分析具有一定的可行性。沿着喷吹管气流流动方向,喷嘴出口流量分布不均匀,整体有增大的趋势;沿喷吹管轴向气流渐趋均匀,即越靠近端面,喷吹偏心角越小,甚至为0。     

风速对LNG泄漏扩散过程影响的数值模拟

为研究环境风速对液化天然气(LNG)泄漏扩散过程的影响,采用Fluent建立LNG连续泄漏计算流体力学模型,开展不同风速下LNG泄漏扩散过程的数值模拟研究。结果表明,LNG泄漏扩散分为扩散初期、扩散中期、扩散后期3个阶段,扩散过程中LNG从低温重气逐渐转变成轻质气体。环境风速对气云的扩散主要体现在:低于5级风时,云团以两侧卷吸为主,气云表现为"叶状分叉"、中间低两端高,此时气云横风向扩散较快,甲烷扩散距离与冻伤距离随风速增大而增大;而高于5级风时,云团以顶部卷吸为主,气云表现为云团坍塌、中间高两端低,此时气云垂直风向扩散较快,甲烷扩散距离与冻伤距离随风速增大而减小。初步建立了LNG蒸气云爆炸风险范围与冻伤区域和泄漏时间、环境风速的函数关系,可为爆炸风险区域和低温冻伤区域的预测提供理论支撑。     

开放性粉尘时空分布的数值模拟研究

工程爆破常在开放空间中进行,因其产生的粉尘会对爆源周围环境造成影响,所以受到了广泛关注。为阐明工程爆破产生的粉尘的时空分布特征,基于相似性原理建立了二维几何模型,使用ANSYS Fluent仿真软件对爆破粉尘在不同环境风速下的时空分布进行了数值模拟。结果表明：在静风状态下,近尘源区域中的爆破粉尘自由缓慢扩散,空间分布范围小;当环境风速分别为1、2.45、5、10 m/s时,粉尘粒子均随气流扩散,且风速越大,粉尘粒子运移越快,空间分布范围越广;在近壁面区,受壁面摩擦影响,气流形成一涡旋卷吸区,涡旋卷吸区内粉尘浓度高,停留时间长,是高污染区,也是爆破粉尘防治的着力点。     

Flame extension length of inclined hydrogen jet fire impinging on a water curtain

The use of a water curtain system to prevent fire spread has been extensively investigated, but the case of an inclined jet fire inhibited with a water curtain is not involved. A series of experiments were conducted on inclined hydrogen jet fires with various fuel flow rates, nozzle diameters and inclination angles under the influence of a vertical water curtain. This study aims to explore the burning behaviors of inclined jet flames at the impingement area, specifically the flame extension lengths. The experimental results show that an increase in fuel flow rates or nozzle diameter leads to a larger flame extension length. With the increase of flame inclination angle, the flame extension length decreases and the influence of nozzle diameter on the flame extension length is attenuated. A new dimensionless heat release rate is proposed to correlate with the dimensionless flame extension length by incorporating an air entrainment coefficient. The model built in this study can be used to predict the flame extension length of jet flames with different diameters, fuel flows and inclinations under the influence of a water curtain, and is validated by data in the previous study.     

低渗煤层高压水射流割缝强化瓦斯抽采技术研究

为了解决低渗高突煤层瓦斯治理工程量大、效率低难题,提出在煤层中利用高压水射流切割缝槽依靠煤岩自身重力自动卸压强化瓦斯抽采技术。为了确定超高压水射流割缝工艺参数,采用FLAC3D数值模拟方法分析了不同缝槽间距、宽度条件下缝槽周围煤体塑性破坏特征和应力演化规律,得出高压水射流割缝合理缝槽间距为3 m,合理缝槽宽度为100 mm,现场实践表明:高压水射流割缝增大了煤层暴露面积、煤体扰动体积,高负压抽采支管瓦斯流量和浓度显著提升,瓦斯抽采纯量在0.7~1.1 m3/min范围内波动,瓦斯浓度在50%以上,对该矿其他工作面瓦斯治理具有一定借鉴意义。     

消防脉冲水枪喷嘴结构优化研究

为了进一步提高脉冲水枪的灭火效率，采用CFD技术对维多辛斯基曲线结构、锥直结构和锥角结构3种喷嘴结构进行选型优化。CFD数值模型采用RNG k-ε方法模拟湍流，利用VOF模型追踪管道内部及外部流场的气液界面，研究了不同喷嘴结构对气液分布、能量转化、速度分布的影响，并结合水室中水的体积分数和出口速度曲线图对喷射周期进行分析。研究结果表明:维多辛斯基曲线结构射流周期T=14.8 ms、锥直结构T=15.4 ms、锥角结构T=17 ms；维多辛斯基曲线结构和锥直结构的出口速度衰减较缓慢，喷嘴前端的圆柱结构能提高射流速度的稳定性；维多辛斯基曲线结构喷嘴的出口速度更稳定、集束性更好、能量转化率更高，且产生的射流水柱呈锥式逐渐扩散，动能集中分布在轴线附近，能有效增大喷射距离，提高脉冲水枪的灭火效率。     

基于撞击法的喷雾射流粒径研究*

为解决我国光学法仪器价格昂贵,操作复杂,在消防领域未能大范围应用的问题。基于撞击法的采样原理,提出新测试方法,并将其应用于消防领域喷雾射流现场测试。在不同的喷孔数量条件下,通过改变喷雾射流出口压力,观察并统计水雾携带的雾滴在载玻片上留下的印记,根据其直径和数量得出雾滴粒径的分布。研究结果表明:喷雾射流雾滴粒径值与平均直径预测模型的预测值和马尔文粒度仪测得的粒径值相近,水雾粒径随着出口压力的增大而减小,研究结果可为喷雾水枪性能测试和优化改造提供技术支持。     

深井厚煤层大巷孤立煤体冲击危险性评价研究*

为了探究大采深条件下厚煤层大巷孤立煤体频繁发生冲击地压的原因,以梁宝寺煤矿35000采区为工程背景,采取现场实践、数值模拟等方法分析不同采深、煤厚、大巷间距等因素对大巷孤立煤体冲击地压的影响,提出深井厚煤层大巷孤立煤体冲击地压的危险性评价方法。研究结果表明:大巷孤立煤体的采深与垂直应力峰值呈正相关,采深1 200 m时煤体的垂直应力峰值是采深500 m时的3倍左右;大巷孤立煤体随着煤层厚度的增加,其应力集中程度不断升高,且应力峰值向煤体弹性承载区转移;大巷间距越小,孤立煤体弹性承载区应力越集中,发生冲击地压可能性越高;包含开采影响因素和煤层冲击倾向性的大巷孤立煤体冲击危险性评价方法符合现场实际情况,可为大巷孤立煤体冲击危险性评价提供1种思路。     

淹没状态下高压水射流破岩效率分析

为研究淹没状态下射流参数对射流破岩效率和安全性的影响,基于流体力学、弹塑性力学及岩石力学,通过流固耦合罚函数算法建立淹没状态下水射流冲击岩石数值计算模型。通过理论分析和实际试验对比验证所建模型。对不同工况下淹没射流冲击岩石进行数值模拟,探讨不同射流参数对破岩效率的影响。结果表明:随着射流速度的增大,破岩效率先后经历线性增长阶段和平稳增长阶段,岩石冲蚀深度变化具有一定相似性;岩石的冲蚀深度随靶距的增大而迅速减小,冲蚀孔径随靶距的增加而增大,冲蚀体积呈先增大后减小的变化趋势;射流直径对破岩效率的影响主要表现在冲蚀孔径上,对冲蚀深度几乎没有影响。基于正交设计试验,得到不同射流参数敏感性大小依次为:射流速度,靶距,射流直径。     

动载下巷道围岩微震响应特征及支护研究

为探讨动载下深部巷道围岩变形特征，采用微震监测系统、顶板动态监测仪及FLAC3D 数值模拟软件研究深部工作面回采中微震活动特征及巷道变形破坏特征，模拟动载前后巷道围岩及支护体力学响应特性。研究结果表明:微震事件分布与累计损失能量均呈现出明显的3阶段特征，与工作面开采过程出现的初次来压、采空区初次见方和遇见断层现象相对应；微震事件的分布在时间和空间上具有一致性；动载下顶板破坏程度大于底板及两帮；动载扩大了巷道围岩塑性区范围，改变了围岩的受力状态，增大了围岩的变形量与支护体的受力；通过增加锚杆直径、长度、排距及提高预紧力对支护结构进行优化，现场监测数据表明，优化后支护方案保证了围岩的完整性，限制了围岩的变形，减小了锚杆受力，能够有效控制采动影响下巷道围岩的变形，对采动影响下深部巷道维护保证煤矿安全生产具有参考应用价值。     

饱水作用对锁固型岩体变形特性影响研究*

为了研究饱水作用对锁固型岩体力学性质和变形特性的影响,对干燥与饱水状态下的岩体进行单轴压缩试验,利用数字图像相关方法对岩体加载过程进行非接触式实时变形监测。研究结果表明:饱水作用弱化了岩体的单轴抗压强度和弹性模量;应变场演化特征表明饱水作用增大试件的变形量,但未改变试件的裂纹扩展路径和最终破坏模式;岩桥锁固段剪切裂纹起裂和峰值应力时伴随着应变场分异速率突增,可作为锁固型岩体滑动和失稳破坏的前兆信号,饱水作用对应变场分异速率峰值有削弱作用;通过计算预制裂隙两侧的错动位移,定量揭示岩体失稳过程中岩桥的“锁固效应”。研究结果可为涉水环境下锁固型岩体的稳定性问题和灾变监测提供参考。     

掘进面出风口风流与风幕调控下的粉尘分布响应曲面优化研究*

为了解决煤矿掘进面风筒出风口参数不能动态变化,而传统风幕全断面控尘效果不理想引起的粉尘浓度高等问题,通过分析风幕和出风口参数对粉尘分布规律的影响,以此得到合理的出风口风流与风幕综合调控方案,降低粉尘浓度。以陕西神木柠条塔煤矿N1212巷道为研究对象,利用Fluent软件建立出风口风流与风幕综合调控的粉尘场有限元模型,设计出风口风流及风幕综合调控响应曲面实验,得到最佳综合调控方案为:风幕射流出口宽度为0.16 m,风幕射流出口速度为6 m/s,出风口口径为0.9 m,出风口右偏角度为3°。搭建相似模拟实验平台来验证最佳综合调控方案,研究结果表明:调控后回风侧行人呼吸处和司机位置处粉尘平均浓度分别降低89%和81%,有效改善掘进面作业环境。     

横向风作用下喷口间距对射流扩散火焰特征的影响研究*

为研究横向风作用下喷口间距对射流扩散火焰特征的影响,以双喷口火焰为研究对象,利用CCD摄像机拍摄火焰几何形态,研究横向风条件下喷口间距对火焰形态演化、火焰长度和火焰吹熄极限的影响。研究结果表明:喷口间距较小时,2束火焰因空气夹带竞争和压差作用,彼此相互倾斜融合,火焰融合概率随喷口间距增加而逐渐降低,火焰临界融合间距随横向风的增加先增大后减小;由于火焰的空气夹带和热反馈处于较高水平,2束火焰被少量拉伸,火焰长度先增加后减小;喷口间距较小时,火焰吹熄极限显著增加。