基于达西方程与CFD远距离供液系统的理论分析与数值模拟.pdf
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1、文章编号:16 7 3-319 3(2 0 2 3)0 5-0 52 7-0 9JOURNAL OF NORTHUNIVERSITY OFCHINANATURAL SCIENCE EDITION)(Sum No.211)(总第2 11期)2023No.5Vol.44中北大学学报(自然科学版)2023年第44卷第5期基于达西方程与CFD远距离供液系统的理论分析与数值模拟赵志勇,陈向辉,陈鑫,叶文磊(晋能控股煤业集团同忻煤矿,山西大同0 37 0 0 0)摘要:以同忻煤矿8 0 2 9 综放工作面远距离供液系统为研究对象,本文使用达西方程与计算流体力学(CFD)方法,分析研究远距离供液系统中的供液
2、、供水管道内部压力和速度的理论值与模拟值,计算得出理论值与模拟值的误差在计算允许的范围之内,验证了模型模拟的有效性。利用CFD数值模拟,可有效计算出管道内部压力与速度的变化情况。利用CFD数值模拟可知,管道在第4处转折点的静压和速度下降速度最快,与第3处转折点相比,静压下降率为0.6 2%和1.3%,速度下降率为19.2%和17.6%。根据达西方程整体计算出的供液、供水管道内部总压力损失为1.10 7 MPa和1.19 5MPa;而CFD数值模拟出的总压力损失为1.0 8 MPa和1.16 MPa,两种方法的相对误差为2.43%和2.9 2%。关键词:达远距离供液系统;达西方程;计算流体力学(
3、CFD)数值模拟;煤矿中图分类号:130.2 56 4文献标识码:Adoi:10.3969/j.issn.1673-3193.2023.05.007Theoretical Analysis and Numerical Simulation of Long-DistanceLiquid Supply System Based on Darcy Equation and CFDZHAO Zhiyong,CHEN Xianghui,CHEN Xin,YE Wenlei(Tongxin Coal Mine Group,Jinneng Holding Coal Industry Group,Datong
4、 037000,China)Abstract:Taking the long-distance liquid supply system of 8029 fully mechanized top coal caving face inTongxin coal mine as the research object,Darcy equation and computational fluid dynamics(CFD)meth-od are used to analyze and study the theoretical and simulated values of the internal
5、 pressure and velocityof the liquid supply and water supply pipeline in the long-distance liquid supply system.The error be-tween the theoretical and simulated values is within the allowable range of calculation,which verifies theeffectiveness of the model simulation.Using CFD numerical simulation,t
6、he change of pressure and ve-locity in the pipeline can be effectively calculated.The research shows that the static pressure and speedof the pipeline at the fourth turning point drop fastest by CFD numerical simulation.Compared with thethird turning point,the static pressure drop rate is 0.62%,1.3%
7、,and the speed drop rate is 19.2%,17.6%.According to Darcy equation,the total internal pressure loss of liquid supply and water supplypipes is 1.107 MPa and 1.195 MPa.The total pressure loss of CFD numerical simulation is 1.08 MPaand 1.16 MPa,and the relative errors of the two methods are 2.43%and 2
8、.92%.Key words:long distance liquid supply system;Darcy equation;CFD numerical simulation;coal mine收稿日期:2 0 2 2-11-13作者简介:赵志勇(19 9 4一),男,助理工程师,硕士,主要从事流体在工程中应用的研究。528中北大学学报(自然科学版)2023年第5期0引言通过近距离供液系统向井下供液是煤矿系统中普遍存在的一种供液方式。然而,近距离供液存在诸多弊端,如列车布置困难、巷道空间狭小、列车移动易发生事故、采动压力变化大、设备成本高等 1。对于特大型千万吨级矿井而言,拥有一套安全、高
9、产、合理、可靠的供液系统尤为重要。远距离供液技术不仅可以避免近距离供液系统带来的弊端,还可以增加单远程多工作面供液设备复用率,降低固定资产投资和提高固定资产收益,改善设备运行工况及环境,提高远距离开采回采率等。因此,远距离供液系统是综采工作面供液系统的发展趋势。远距离供液系统的使用,使供液系统的管路加长,难以精准定位易破损位置,不但增加了管道检修难度,而且提高了检测成本。乔永军 1采用AMESIM软件,对远距离供液系统的压力波动及动态特性进行仿真分析,合理的乳化液浓度、泵站流量、系统用液量,可以缓解远距离供液中阻力损失大、压力波动大与响应时间长等问题。赵宇明 2 对同忻煤矿8 0 2 9 综放
10、工作面长距离供液方案进行设计,可有效对液压泵站系统进行集中化管理,提高了设备的运营效率。王俊伟等 3使用AMESIM软件建立远距离供液模型,研究远距离供液方案,研究表明,远距离供液方案可以为综采工作面提供150 0 m的供液距离,基本满足采区工作面的需要。许艳萍 4对阳泉煤业一矿S8303工作面远距离供液设计,进行了详细的论述,分析得出,该系统满足了供液压力支架初撑力要求,具有安全可靠、改善现场环境等特点。朱屹生等 5对大屯公司引进采煤工作面远距离供液系统,新系统优化了工作面设备布置,提高了供液质量。迟焕磊等 6 对井下工作面的远程供电供液系统的功能设计、数学分析、成套设备数据通信、远程监控、
11、闭锁保护等方面进行分析研究,为井下工作面远程供电供液系统设计和设备选型提供借鉴。庞义辉7 针对综采工作面远距离供液供电带来的压力损失、电压降损失进行模拟研究,研究表明,乳化液流速越大,供液管路的沿程压力损失越大,2 450 m远距离供液压力损失约为3.54MPa,采用变频智能集成供液系统实现了工作面恒压快速供液。张利军 8 对传统的供液系统进行了远距离智能集成系统改造,实现了远距离配液系统的无人值守,系统的全封闭配液保证了系统的清洁度。准确判断出管道内部应力集中位置,可对管道实现精准的维修检测。因此,了解远距离供液管道压力损失的位置具有重要的意义。本文对同煤矿8 0 2 9 工作面现有的远距离
12、供液系统进行分析,根据供液与供水管道的布置与走向,将达西方程(DarcyEquation)和计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)方法相结合。运用达西方程先计算得出压力损失的理论值,验证CFD数值模拟的可行性,依据CFD数值模拟的结果,分析管道内部任意点的压力与速度,准确定位易破损位置,为自动化工作面远距离供液系统的设备选型、管道布置、设备检修,提供理论依据。1工作面布置及设备同忻矿8 0 2 9 工作面倾向长2 0 0 m,可采走向长18 9 9 m,平均煤厚15.6 3m,煤层倾角为1.53.50,在工作面胶带巷口增开全长103.53m、断面宽4m
13、及高2.6 m的碉室,作为远距离供液室,以实现远距离供液。根据井下巷道长度实际勘察,确定8 0 2 9 面远距离供液管路输送距离为36 0 0 m,泵站位置液压支架端位置高20m,如图1所示。工作面布置乳化液泵、喷雾液泵、乳化液自动配比装置、采煤机、液压支架、板输送机、转载机等设备,工作面配套设备如表1所示。2209巷二盘区输运大巷盘区皮带大巷盘区回风大巷8029顶抽巷5029巷图18 0 2 9 工作面分布图Fig.1Distribution map of 8029working face529基于达西方程与CFD远距离供液系统的理论分析与数值模拟(赵志勇等)(总第2 11期)表1工作面配套
14、设备Tab.1Supporting equipments of working face设备名称型号数量生产厂家乳化液泵BRW630/37.57台浙江中煤喷雾液泵BPW500/12.55台南京六合采煤机SL.500AC1台德国艾柯夫42x1000 x268AFC前刮板输送机1台卡特彼勒2x1050kWTTT42x1250 x268AFC后刮板输送机1台卡特彼勒2x1050kWTTT转载机42X13501X600kW1台美国JOY破碎机1X400kW1台美国JOY液压支架ZF15000/27.5/42118架郑州煤机厂乳化液自动配比装置ZPR6台尤洛卡高低压反复冲洗过滤站ZLF1台尤洛卡1.1泵
15、站参数按照工作面巷道布置情况,在远距离供液酮室共布置远距离供液设备2 4台,其中配电控制系统6 台、BRW630/37.5乳化液泵站系统7 台、RX630/70TX乳化液箱2 个、BPW500/12.5喷雾泵站系统5台、SX2500/16清水箱2 个及ZPR乳化液自动配比系统6 台,配套设备如图2 所示,喷雾泵、乳化液泵的技术参数如表2、表3所示,(a)乳化泵(b)喷雾泵(c)储液箱(d)乳化液自动配比系统图2 配套设备示意图Fig.2Schematic diagrams of supporting equipments表2BRW630/37.5乳化液泵站主要技术参数Tab.2Main tec
16、hnical parameters of BRW630/37.5 emulsionpumping tatio参数参数值电机功率/kW450额定工作压力/MPa37.5额定流量/(Lmin-1)630过滤精度/um25乳化液箱总有效容积/L7000工作液乳化液表3BPW500/12.5喷雾泵站主要技术参数Tab.3Main technical parameters of BPW500/12.5 spraypumping station参数参数值电机功率/kW125额定工作压力/MPa16额定流量/(Lmin-1)500过滤精度/umRe,所以乳化液流动为紊流。瑞流强度为流体流动强弱的常用衡量方法
17、,当乳化液流动的速度为2.6 5m/s时,速度人口乳化液的瑞流强度为I=0.16Re8X 100%=3.45%。(6)根据2 7 SiMn无缝钢管的物理参数可以得知,该钢管的绝对粗糙度为=0.0 5mm,经过计算可以得出=0.05/71=0.000 7。(7)D美5管查询Moody表可以得出沿程阻力系数入=0.019,压力损失可以根据达西威斯巴哈方程计算得出,即U1h=入=130.3 m(水柱),(8)D2g式中:入为沿程阻力系数;l为管道长度,m;D为管道水力直径,m;U i 为流速,m/s;g 为重力加速度,取值9.8 1m/s。1 m水柱压强为ogh=9.8kPa,(9)文沿程压力损失为
18、130.39.8 kPa=1.28MPa。2.2局部压力损失高压进液管路局部压力损失计算方法如式(10)所示。局部损失是由于闸阀和弯头数量导致的,故管路中有18 个闸阀,30 个9 0 弯头,阀门的阻力系数为0.17,弯头的阻力系数为0.15,计算公式为2h,=X=2.71 m(水柱),(10)2g式中:s为阻力系数;Ui为流速,m/s;g 为重力加速度,取值9.8 1m/s。2.71m水柱折合压力损失为2.7 9.8 kPa=27kPa=0.027 MPa。2.3总压力损失泵站位置位于工作面2 0 m高度,故形成的压力约0.2 MPa,即末端压力增加0.2 MPa。故进液管路总压力损失为1.
19、2 8 十0.0 2 7 一0.2=1.107MPa。同理可以得出,喷雾泵高压供水管全长l=3600m,采用管道水力直径为7 6.1mm,壁厚为6 mm的无缝钢管,清水的动力粘度为=0.001PaS,压力损失参数如表5所示。表5管路压力损失Tab.5Pipelinepressurelose公称流量/压力损失/MPa管道D/mm壁厚/mm高度差/m(L min-l)沿程局部高度差总压力供液管88.99206301.280.0270.21.107供水管76.16205001.370.0250.21.1953CFD仿真结果3.1数学模型本文采用CFD软件进行模拟计算,将乳化液管路内乳化液的对流过程看
20、作二维、稳态、不可压缩的端流流动过程。在考虑重力的前提下,打开RNGk-e端流模型。近壁面区域流动采用满足对数分布的标准壁面函数,用PISO算法计算求532中北大学学学报(自然科学版)2023年第5期解压力耦合方程12。气流数值计算按照流体力学三大守恒定律数学计算公式进行计算 13。乳化液管路内的乳化液流动适用于RNGk-e标准流模型,其中k为动能,为端动耗散率,k与的方程为3k(ul)2(11)2l=0.16(Re)8(12)=(Cm(13)1i=0.07L,(14)式中:u为流体平均速度,m/s;l 为端流强度;Re为0.0 9(流模型中的经验常数);i为流耗散的长度尺度;L为流区域的物理
21、尺寸。3.2计算域与网格无关性检验本研究选取整个乳化液管路作为计算域,使用SpaceClaim三维软件绘制二维图形,如图5所示,网格划分在ICEM中进行。由于管道直径较细,供液管路较长,本模型选择二维结构网格进行划分。结构网格生成速度快、网格质量好、数据结构简单,适于流体和表面应力集中等方面的计算。同时,结构网格可以更好地提高网格质量且易于计算,更加容易收敛,所以此次计算选择结构网格划分 1。由于计算管道压力损失,故适当调整壁附近网格的大小,可以确保对流场进行准确的模拟,本文使用平板边界层理论计算第一个网格单元的高度。基于k-e模型,在速度为2.6 5m/s时进行网格无关性检验,通过监控出口压
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