高壓水射流煤層割縫噴嘴流場(chǎng)模擬及結(jié)構(gòu)優(yōu)化.pdf

1、瓦斯事故是煤礦安全的“第一殺手”，2009年煤礦重大事故中瓦斯事故占47％，死亡人數(shù)為513人，占事故死亡總?cè)藬?shù)的76％。提高煤礦瓦斯抽采率是目前解決該類煤礦死亡事故的最直接有效途徑。高壓水射流割縫增透技術(shù)是一項(xiàng)新型的瓦斯抽采技術(shù)，該技術(shù)利用高壓水射流對(duì)煤體進(jìn)行割縫，增大煤體暴露面積，增加煤層裂隙率和透氣性，最終達(dá)到提高瓦斯抽采率的目的。割縫噴嘴為該技術(shù)設(shè)備中的關(guān)鍵部件，由于其流道結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，目前對(duì)其內(nèi)部流動(dòng)特性及最優(yōu)結(jié)構(gòu)的研究尚不完

2、善。因此，開展對(duì)割縫噴嘴的研究，從而提高該技術(shù)設(shè)備的瓦斯抽放效率，有利于該新型技術(shù)的進(jìn)一步推廣應(yīng)用，具有重大的工程意義。
　　本論文依托國(guó)家自然科學(xué)基金創(chuàng)新群體基金項(xiàng)目“高壓水射流破巖理論及其在地下工程中的應(yīng)用基礎(chǔ)研究（50921063）”，通過(guò)對(duì)原割縫噴嘴流場(chǎng)進(jìn)行CFD模擬，研究了高壓水在總長(zhǎng)受限、流動(dòng)方向以及流道截面突變特殊條件下的流動(dòng)特性及其對(duì)噴嘴切割性能的影響；采用正交設(shè)計(jì)方法優(yōu)化了噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)，得出具有最佳切割能力的噴嘴

3、結(jié)構(gòu)形式；在此研究基礎(chǔ)上，提出了采用導(dǎo)流器進(jìn)一步改善噴嘴切割性能的新方法，通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比，研究不同類型導(dǎo)流器的導(dǎo)流效果，尋求最佳的導(dǎo)流器-噴嘴組合形式。主要研究成果如下：
　　(1)通過(guò)數(shù)值模擬研究了原噴嘴流場(chǎng)動(dòng)壓力、速度和湍流強(qiáng)度分布，揭示了原割縫噴嘴射流較發(fā)散的成因。研究結(jié)果表明：由于割縫噴嘴流道結(jié)構(gòu)的特殊性（總長(zhǎng)受限，流道方向、截面積突變），高壓水在噴嘴內(nèi)部流動(dòng)時(shí)形成局部低壓、低速區(qū)，導(dǎo)致噴嘴內(nèi)部產(chǎn)生大量渦旋和回流，引起噴嘴內(nèi)

4、部湍流強(qiáng)度加大，射流發(fā)散，降低噴嘴切割性能。
　　(2)本文研究的錐直型噴嘴總長(zhǎng)受限在26mm，在該長(zhǎng)度范圍內(nèi)，影響噴嘴性能的結(jié)構(gòu)因素有噴嘴穩(wěn)定段長(zhǎng)度L、收縮角θ和直線段長(zhǎng)度l，該3因素相互制約，且存在一個(gè)最優(yōu)值。作者提出應(yīng)用正交設(shè)計(jì)的方法對(duì)以上3因素進(jìn)行優(yōu)化，正交優(yōu)化結(jié)果表明：穩(wěn)定度長(zhǎng)度為0、收縮角為30°、直線段長(zhǎng)度為9mm的割縫噴嘴具有最佳切割性能，其切割能力為原噴嘴的1.5倍。
　　(3)對(duì)優(yōu)化噴嘴的內(nèi)部流場(chǎng)的數(shù)值計(jì)