李天鵬,周利成,韓寶東,李小臘

(榆林學(xué)院 能源工程學(xué)院,陜西 榆林 719000)

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步,煤炭開(kāi)采業(yè)突飛猛進(jìn)。目前國(guó)家提倡煤炭開(kāi)采自動(dòng)化、智能化、綠色化,對(duì)煤礦輔助運(yùn)輸設(shè)備—防爆機(jī)車的尾氣排放提出更高的要求,尤其是近年來(lái)制定了尾氣排放需達(dá)到國(guó)Ⅲ及以上的排放標(biāo)準(zhǔn),而高標(biāo)準(zhǔn)必然促使防爆機(jī)車進(jìn)氣與排氣系統(tǒng)不斷優(yōu)化,礦用防爆機(jī)車與同類別的機(jī)車相比而言主要是在進(jìn)氣與排氣系統(tǒng)上安裝了防爆裝置,而此類裝置,在保證防爆機(jī)車在進(jìn)、排氣安全的情況下也會(huì)增加尾氣與催化劑接觸面積的目的,從而會(huì)造成防爆機(jī)車進(jìn)氣阻力與排氣背壓增大,使得柴油機(jī)動(dòng)力損失嚴(yán)重,降低了設(shè)備的經(jīng)濟(jì)性[1]。

阻火器是礦用防爆機(jī)車進(jìn)、排氣的關(guān)鍵部件,安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣管和排氣管處。其主要作用是阻止發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)混合氣體的燃燒火焰通過(guò)阻火器流入外界引發(fā)安全事故,但同時(shí)會(huì)使空氣通過(guò)阻火器流入進(jìn)氣歧管進(jìn)入氣缸與燃料混合,阻火器的進(jìn)氣柵欄作為煤礦井下防爆柴油機(jī)的關(guān)鍵部件[2],雖然起到了防爆的作用,但同時(shí)也增加了發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)、排氣阻力,使得發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性有所下降以及廢氣排放有所升高[3-4]。目前為止有不少學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[5]主要針對(duì)阻火器進(jìn)氣口與出氣口的漸擴(kuò)角展開(kāi)研究,得到壓力損失、出口流量與漸擴(kuò)角之間有著一定的關(guān)系。文獻(xiàn)[6]采用 FLUENT軟件對(duì)防爆柴油機(jī)平板式排氣阻火器進(jìn)行數(shù)值模擬,分析了阻火器的擴(kuò)張腔直徑、平板間隙對(duì)淬熄距離和壓力損失的影響。文獻(xiàn)[7]探究了不同初始?jí)毫ο驴杀A(yù)混氣體通過(guò)波紋板阻火器的淬熄特性。結(jié)果表明,可燃?xì)獾幕钚?、體積分?jǐn)?shù)和初始?jí)毫鶗?huì)影響火焰速度穩(wěn)定性、傳播模式以及淬熄難度。文獻(xiàn)[8]應(yīng)用FLUENT軟件對(duì)阻火器內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了模擬,通過(guò)壓力分布、速度分布、湍動(dòng)能分布來(lái)分析不同柵欄間隙對(duì)進(jìn)氣量的影響。最終得出0.3 mm柵欄間隙的阻火器最為合理。

以上學(xué)者主要是對(duì)阻火器進(jìn)行結(jié)構(gòu)上單一參數(shù)的優(yōu)化,主要考慮了進(jìn)出口的漸擴(kuò)角與阻火器的柵欄間隙的大小對(duì)阻火器進(jìn)氣壓力損失的影響,未綜合考慮阻火器柵欄的厚度與柵欄間隙即阻火器縫隙率對(duì)阻火器進(jìn)、排氣壓力的影響,因此本文利用Fluent軟件對(duì)不同工況下阻火器進(jìn)氣壓力場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬同時(shí)研究不同縫隙率對(duì)阻火器進(jìn)氣的影響,為阻火器的設(shè)計(jì)提供了理論指導(dǎo)。

1 數(shù)值計(jì)算模型

1.1 平行平板之間的縫隙流動(dòng)原理[9]

本文模擬所用的流體介質(zhì)為空氣,氣流流過(guò)多平行板會(huì)形成多層氣流而分散,之后匯集均勻流入進(jìn)氣歧管。阻火器阻火柵欄與每個(gè)縫隙的流動(dòng)阻力有關(guān),因此需要對(duì)單個(gè)縫隙模型進(jìn)行理論分析。

氣流穿過(guò)阻火器阻火柵欄時(shí)由突縮和突擴(kuò)兩個(gè)過(guò)程,主流截面先縮小后增大,截面以及流動(dòng)速度的變化,造成局部壓力損失。如圖1所示,兩平行板長(zhǎng)為L(zhǎng),寬為B,縫隙高度為H與其寬度B比較很小。

圖1 平行平板間的縫隙流動(dòng)

(1)

其中,ρ為流體密度,kg/m3,p為流體內(nèi)部壓強(qiáng)Pa。利用邊界條件z=0時(shí),u=0;z=H時(shí),u=0;可求得通過(guò)縫隙的流量Q為

(2)

(3)

其中,△p為壓力損失,Pa;且,△p=p1-p2為A1縫隙的截面積,m2;u為流速,m/s;μ為介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)黏度,m2/s。

由(3)式可知壓力損失與流體的流動(dòng)狀態(tài)、縫隙的截面和縫隙的縱向長(zhǎng)度有關(guān)。

1.2 阻火器模型及結(jié)構(gòu)描述

防爆機(jī)車平板式進(jìn)氣阻火器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖,如圖2所示[10]。阻火器進(jìn)出口半徑r、前擴(kuò)張腔長(zhǎng)度L1、阻火器柵欄板長(zhǎng)度 L2、柵欄厚度h、柵欄間隙δ。

圖2 平板式阻火器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

根據(jù)煤炭行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn),阻火器阻火芯的尺寸要求,柵欄片的厚度h≥1 mm,柵欄片之間的間隙δ≤0.5 mm,阻火芯的實(shí)物如圖3。

圖3 阻火器阻火芯實(shí)物圖

1.3 計(jì)算域及網(wǎng)格劃分

根據(jù)阻火器的實(shí)物模型采用CATIA軟件建立阻火器三維流體模型,并導(dǎo)入ICEM軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分[11]。由于模型結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性,在數(shù)值模擬過(guò)程中計(jì)算域只取流體模型的1/2。流體網(wǎng)格模型如圖4。

圖4 流體網(wǎng)格模型

2 數(shù)值模擬及結(jié)果分析

2.1 不同工況對(duì)阻火器進(jìn)氣壓力的影響

本文以礦用防爆發(fā)動(dòng)機(jī)T400為研究對(duì)象,根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)選取柵欄間隙為δ為0.4 mm,阻火器柵欄板的長(zhǎng)度L2為50 mm。根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定井下各工作點(diǎn)的溫度不允許超過(guò)28 ℃,最低溫度為18 ℃,發(fā)動(dòng)機(jī)為自然吸氣,故進(jìn)氣溫度為平均溫度296 K。阻火器出口溫度受氣缸的影響設(shè)為320 K。由于礦井下不同的工作地點(diǎn)工況不同即空氣的流速不同,因此選取6個(gè)不同質(zhì)量流量的工況進(jìn)行數(shù)值模擬,0.16、0.32、0.48、0.64、0.8、0.96 kg/s。出口采用壓力出口邊界條件,對(duì)稱壁面采用對(duì)稱邊界條件,其余邊界采滑移邊界條件,假設(shè)氣流為可壓縮黏性流體,流動(dòng)為湍流流動(dòng)。其它參數(shù)設(shè)定如表1所示[12]。

表1 邊界條件的設(shè)定參數(shù)

圖5(a)(b)(c)(d)(e)(f)為縫隙率β=0.2時(shí),不同工況下阻火器進(jìn)氣壓力分布云圖,由圖可知,不同工況下阻火器進(jìn)氣壓力分布云圖類似,左側(cè)為高壓區(qū)與空氣濾清器連接,右側(cè)為低壓區(qū)與進(jìn)氣歧管連接。高壓區(qū)的形成主要是因?yàn)樽杌鹌鬟M(jìn)氣端的氣流不能及時(shí)通過(guò)柵欄縫隙流出,造成阻火器入口端氣體滯留與堆積,同時(shí)阻火器進(jìn)氣口流入的部分氣體與柵欄板發(fā)生撞擊發(fā)生氣流流向改變?cè)斐勺杌鹌髯髠?cè)入口處發(fā)生渦流現(xiàn)象,如圖6所示。左側(cè)形成的高壓區(qū)使得在不同工況下阻火器進(jìn)氣壓力損失尤為顯著,當(dāng)進(jìn)氣流量Q為0.016 kg/s時(shí),阻火器進(jìn)口與出口端的壓力損失為415 Pa;當(dāng)進(jìn)氣流量Q為0.032 kg/s時(shí),阻火器進(jìn)口與出口端的壓力損失為872 Pa;當(dāng)進(jìn)氣流量Q為0.048 kg/s時(shí),阻火器進(jìn)口與出口端的壓力損失為1 304 Pa;當(dāng)進(jìn)氣流量Q為0.064 kg/s時(shí),阻火器進(jìn)口與出口端的壓力損失為1 740 Pa;當(dāng)進(jìn)氣流量Q為0.08 kg/s時(shí),阻火器進(jìn)口與出口端的壓力損失為2 177 Pa;當(dāng)進(jìn)氣流量Q為0.096 kg/s時(shí),阻火器進(jìn)口與出口端的壓力損失為2 683 Pa。

圖5 不同工況下阻火柵欄壓力分布云圖

圖6 進(jìn)氣矢量圖

圖7為不同工況下,阻火器進(jìn)氣流量與壓力損失的關(guān)系曲線。由圖可知,數(shù)值模擬得到的曲線與理論公式曲線近似重合,呈線性關(guān)系,說(shuō)明所建模型的正確性。

圖7 進(jìn)氣流量與壓力損失關(guān)系曲

2.2 不同縫隙率對(duì)阻火器進(jìn)氣壓力的影響

縫隙率是一個(gè)平面當(dāng)中縫隙的截面積與平面的總面積的比值[13]。為了研究縫隙率大小對(duì)阻火器阻火柵欄進(jìn)氣壓力損失的影響,選取柵欄間隙δ=0.4 mm,柵欄板長(zhǎng)度L2=50 mm,不同柵欄厚度的阻火器,邊界條件的設(shè)定如表1。其它相關(guān)參數(shù)如表2所示。

表2 阻火器阻火柵欄參數(shù)

圖8為縫隙率由0.15變化到0.28時(shí),不同工況下縫隙率對(duì)阻火器進(jìn)氣壓力的影響。相同工況下在不同縫隙率的條件下,進(jìn)氣壓力損失隨縫隙率的增大而減小,縫隙率對(duì)進(jìn)氣壓力的影響較明顯,且在不同工況下進(jìn)氣壓力損失隨縫隙率的變化趨于一致,縫隙率在較小的情況下(β<0.2)時(shí),阻火器進(jìn)氣壓力損失變化迅速,當(dāng)縫隙率變化到0.2時(shí),進(jìn)氣壓力損失下降速度變緩,慢慢趨于穩(wěn)定。通過(guò)縱向?qū)Ρ?在縫隙率較低的情況下(β<0.2),工況的改變對(duì)進(jìn)氣壓力損失的影響較大。結(jié)合分析可知,工況一定的情況下,隨著縫隙率β的減小,柵欄板厚度的增加,氣流與柵欄板截面所產(chǎn)生的碰撞頻率增加,從而消耗了氣體的能量,導(dǎo)致阻火器進(jìn)氣壓力損失增加。

圖8 不同工況下進(jìn)氣壓力損失與縫隙率的關(guān)系

3 結(jié)論

本文以T400防爆柴油機(jī)進(jìn)氣阻火器阻火柵欄為研究對(duì)象,以空氣為流動(dòng)介質(zhì),通過(guò)對(duì)阻火器阻火柵欄的數(shù)值模擬研究,分析了工況、柵欄芯的縫隙率對(duì)阻火器進(jìn)氣壓力的影響,得出以下結(jié)論。

(1)工況對(duì)進(jìn)氣柵欄壓力損失的影響較大,隨著工況的不同,進(jìn)氣流量的增大,阻火器的進(jìn)氣壓力損失增加,呈正線性相關(guān)。

(2)縫隙率β對(duì)阻火器進(jìn)氣壓力損失的影響極為顯著,阻火器進(jìn)氣壓力損失隨著縫隙率的增大而減小,二者呈負(fù)相關(guān)性,而且不同工況下阻火器進(jìn)氣壓力損失隨縫隙率β的變化趨勢(shì)趨于一致,當(dāng)β<0.2時(shí),進(jìn)氣壓力損失變化較快,隨著縫隙率β不斷增大,阻火器進(jìn)氣壓力損失變化速度趨緩,慢慢趨于穩(wěn)定。