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,煤炭開采業(yè)突飛猛進(jìn)。目前國家提倡煤炭開采自動化、智能化、綠色化,對煤礦輔助運輸設(shè)備—防爆機車的尾氣排放提出更高的要求,尤其是近年來制定了尾氣排放需達(dá)到國Ⅲ及以上的排放標(biāo)準(zhǔn),而高標(biāo)準(zhǔn)必然促使防爆機車進(jìn)氣與排氣系統(tǒng)不斷優(yōu)化,礦用防爆機車與同類別的機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,在保證防爆機車在進(jìn)、排氣安全的情況下也會增加尾氣與催化劑接觸面積的目的,從而會造成防爆機車進(jìn)氣阻力與排氣背壓增大,使得柴油機動力損失嚴(yán)重,降低了設(shè)備的經(jīng)濟(jì)性[1]。

阻火器是礦用防爆機車進(jìn)、排氣的關(guān)鍵部件,安裝在發(fā)動機的進(jìn)氣管和排氣管處。其主要作用是阻止發(fā)動機氣缸內(nèi)混合氣體的燃燒火焰通過阻火器流入外界引發(fā)安全事故,但同時會使空氣通過阻火器流入進(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的關(guān)鍵部件[2],雖然起到了防爆的作用,但同時也增加了發(fā)動機的進(jìn)、排氣阻力,使得發(fā)動機動力性、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)者對其進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[5]主要針對阻火器進(jìn)氣口與出氣口的漸擴角展開研究,得到壓力損失、出口流量與漸擴角之間有著一定的關(guān)系。文獻(xiàn)[6]采用 FLUENT軟件對防爆柴油機平板式排氣阻火器進(jìn)行數(shù)值模擬,分析了阻火器的擴張腔直徑、平板間隙對淬熄距離和壓力損失的影響。文獻(xiàn)[7]探究了不同初始壓力下可爆預(yù)混氣體通過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)和初始壓力均會影響火焰速度穩(wěn)定性、傳播模式以及淬熄難度。文獻(xiàn)[8]應(yīng)用FLUENT軟件對阻火器內(nèi)部流場進(jìn)行了模擬,通過壓力分布、速度分布、湍動能分布來分析不同柵欄間隙對進(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)出口的漸擴角與阻火器的柵欄間隙的大小對阻火器進(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阻火器進(jìn)、排氣壓力的影響,因此本文利用Fluent軟件對不同工況下阻火器進(jìn)氣壓力場進(jìn)行數(shù)值模擬同時研究不同縫隙率對阻火器進(jìn)氣的影響,為阻火器的設(shè)計提供了理論指導(dǎo)。

1 數(shù)值計算模型

1.1 平行平板之間的縫隙流動原理[9]

本文模擬所用的流體介質(zhì)為空氣,氣流流過多平行板會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縫隙的流動阻力有關(guān),因此需要對單個縫隙模型進(jìn)行理論分析。

氣流穿過阻火器阻火柵欄時由突縮和突擴兩個過程,主流截面先縮小后增大,截面以及流動速度的變化,造成局部壓力損失。如圖1所示,兩平行板長為L,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

(1)

其中,ρ為流體密度,kg/m3,p為流體內(nèi)部壓強Pa。利用邊界條件z=0時,u=0;z=H時,u=0;可求得通過縫隙的流量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)的運動黏度,m2/s。

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

1.2 阻火器模型及結(jié)構(gòu)描述

防爆機車平板式進(jìn)氣阻火器結(jié)構(gòu)簡圖,如圖2所示[10]。阻火器進(jìn)出口半徑r、前擴張腔長度L1、阻火器柵欄板長度 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,阻火芯的實物如圖3。

圖3 阻火器阻火芯實物圖

1.3 計算域及網(wǎng)格劃分

根據(jù)阻火器的實物模型采用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)的對稱性,在數(shù)值模擬過程中計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 不同工況對阻火器進(jìn)氣壓力的影響

本文以礦用防爆發(fā)動機T400為研究對象,根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)選取柵欄間隙為δ為0.4 mm,阻火器柵欄板的長度L2為50 mm。根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定井下各工作點的溫度不允許超過28 ℃,最低溫度為18 ℃,發(fā)動機為自然吸氣,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工況不同即空氣的流速不同,因此選取6個不同質(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,對稱壁面采用對稱邊界條件,其余邊界采滑移邊界條件,假設(shè)氣流為可壓縮黏性流體,流動為湍流流動。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,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)的形成主要是因為阻火器進(jìn)氣端的氣流不能及時通過柵欄縫隙流出,造成阻火器入口端氣體滯留與堆積,同時阻火器進(jìn)氣口流入的部分氣體與柵欄板發(fā)生撞擊發(fā)生氣流流向改變造成阻火器左側(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,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,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,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,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,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,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 不同縫隙率對阻火器進(jìn)氣壓力的影響

縫隙率是一個平面當(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,不同工況下縫隙率對阻火器進(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,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,進(jìn)氣壓力損失下降速度變緩,慢慢趨于穩(wěn)定。通過縱向?qū)Ρ?在縫隙率較低的情況下(β<0.2),工況的改變對進(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防爆柴油機進(jìn)氣阻火器阻火柵欄為研究對象,以空氣為流動介質(zhì),通過對阻火器阻火柵欄的數(shù)值模擬研究,分析了工況、柵欄芯的縫隙率對阻火器進(jìn)氣壓力的影響,得出以下結(jié)論。

(1)工況對進(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的變化趨勢趨于一致,當(dāng)β<0.2時,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。