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液壓支架大流量安全閥流體動力學特性分析

文檔作者：郎敏文檔來源：山西省煤炭地質(zhì)公司		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年05月20日
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第17卷第3期(總第106期)
2012年6月
煤礦 開 采
Coal mining Technology
Vo1．17No．3 (Series No．106)
June 2012
液壓支架大流量安全閥流體動力學特性分析
郎敏
(山西省煤炭地質(zhì)公司，山西太原030045)
[摘 要] 為了提高液壓支架大流量安全閥的動態(tài)性能，需要對其流道內(nèi)流體動力學和運動學
特性進行研究。在建立大流量安全閥三維幾何模型的基礎上，利用仿真軟件Fluent對安全閥內(nèi)部流場
的運動學和動力學規(guī)律進行了仿真分析，為液壓支架大流量安全閥的設計與優(yōu)化提供依據(jù)。
[關鍵詞] 液壓支架；大流量安全閥；流體動力學；Fluent
[中圖分類號]TD355．41 [文獻標識碼]B [文章編號]1006—6225(2012)03—0033·02
Flow Dynamics Characteristic Analysis of Safety Valve with Large Flow in Powered Support
1 前言
大流量安全閥是液壓支架的重要元件之一，在
有沖擊地壓和堅硬難冒的特殊頂板條件下，可以實
現(xiàn)對支架的壓力控制和過載保護，因此其性能的優(yōu)
劣直接影響液壓支架支護能力的發(fā)揮¨J。
大流量安全閥的工作狀態(tài)是一個瞬變過程，在
其工作過程中，壓力高，流量大，工作時間極短，
而且乳化液的黏度較低，閥道內(nèi)流體的流動狀態(tài)為
十分復雜的紊流流動。為了提高大流量安全閥性
能，需要深入研究閥道內(nèi)流體的流動情況以及流體
與安全閥內(nèi)流道的固體內(nèi)壁之間的動力學關系。
由于大流量安全閥流道內(nèi)流體的動力學和運動
學規(guī)律非常復雜，用常規(guī)理論難以處理，需要對大
流量安全閥的流場進行計算機的數(shù)值模擬和仿真。
在國內(nèi)外的研究中，雖然有用計算流體動力學
CFD (Computational Fluid Dynamics)的Star—CD軟
件或者Fluent軟件對液壓支架安全閥的流場進行數(shù)
值模擬與仿真的研究，但是為了簡化過程，研究中
所建立的仿真模型并不能完全符合實際的物理結(jié)
構(gòu)，這使得仿真的流場結(jié)果并不能完全反映流動的
實際情況 。
以鄭煤機生產(chǎn)的FAD／500型大流量安全閥為
研究對象，根據(jù)其結(jié)構(gòu)原理和工作特點，建立與實
際情況相符合的大流量安全閥三維流道模型，通過
Fluent軟件，對其流道運動學和動力學特性進行仿
真分析，從而為大流量安全閥設計提供依據(jù)。
2 安全閥三維仿真模型的建立
2．1 三維仿真模型的建立
仿真模型有二維和三維2種情況，由于二維模
型只是在實際的流道中截取了一個面，其流動情況
并不能完全反映整個流道的流動情況，因此本文著
重建立與實際情況更加接近的三維仿真模型。
在建立大流量安全閥三維流道模型時，要考慮
2個問題：一是所建立的三維幾何模型要與流道的
真實情況貼近，這樣才能反應出流道中流體流動的
本質(zhì)；二是建立的三維幾何模型在能反映其本質(zhì)的
前提下盡量簡化，這樣才能避免因為流道過于復雜
而帶來的計算機計算量過大甚至無法求解的問題。
以往的模型只對一級節(jié)流進行仿真研究，而實
際的大流量安全閥大多采用二級和三級節(jié)流結(jié)構(gòu)。
本文著重闡述如何建立三級節(jié)流模型進行仿真。
根據(jù)上述原則，應用Pro／E軟件，建立了計算
時所需要的流道三維幾何模型。
2．2 網(wǎng)格劃分
應用Fluent軟件進行網(wǎng)格劃分是一個十分關鍵
的步驟。為了提高計算精度，節(jié)省計算時間，可采
用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。同時，鑒于大流量安全閥的工作
特點，非結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)格可以實現(xiàn)對其梯度較大的流
場的精確求解 。
采用非結(jié)構(gòu)四面體網(wǎng)格，劃分后安全閥流道的
三維網(wǎng)格模型如圖l。網(wǎng)格生成后節(jié)點數(shù)為75220
個，整個計算模型的體積為9．37524×10 m。，其
中網(wǎng)格體積最小為7．243827x10 。m ，網(wǎng)格體積最
大為8．378082~10 m ，最小計算面積為4．394737
xlO m ，最大計算面積為6．084x10。m 。
3 仿真過程
3．1 邊界條件的建立
[收稿日期]2012-03—19
[作者簡介]郎敏(1969一)，女，山西代縣人，高級工程師，從事煤礦機電產(chǎn)品設計及管理工作。
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錢增江等：超千米埋深巷道淋水水源及變形機理分析 2012年第3期
量、水壓加大，導致巷道淋水，淋水水源不屬于真
正的奧灰水，但有奧灰水間接滲透、參與。
5 巷道變形機理分析
一般而言，煤礦開采過程中，巷道圍巖中引起
的采動應力達到原巖應力的2～6倍時，容易造成
巷道嚴重底鼓H ]。從生產(chǎn)布局來看，除回采工作
面的采動對下伏巷道有一定影響外(周期來壓步
距26．3O一32．30m)，原有巷道施工后也會造成巷
道圍巖壓力重新分布。同時，趙各莊礦十三水平區(qū)
域西邊界為井口煤柱、采區(qū)上山煤柱(上山煤柱
留設為40～66m)、采區(qū)西二面內(nèi)因構(gòu)造影響跳采，
所留下的煤柱等各類煤柱的存在、造成了本區(qū)域應
力集中。而且，十三東1石門西翼采用放頂煤開
采，開采強度大，造成采動壓力增加，也是導致巷
道出現(xiàn)底鼓和變形的因素。本次巷道底鼓現(xiàn)象，具
備了大采深、高應力、采動及地下水滲流等諸多不
利因素，是各種影響因素的綜合體現(xiàn)，其中采動條
件下導致的地下滲流的影響應是本次巷道變形的主
要因素。目前巷道變形量不明顯，主要原因是巷道
變形區(qū)域的采掘活動已結(jié)束，采動壓力逐漸減小。
6 結(jié)論
(1)因十三水平東翼首采區(qū)較為特殊開采條
件，導致12：煤層底板至巷道之間地應力重新分
布，巷道圍巖發(fā)生變化，裂隙發(fā)育，奧灰水間接微
弱滲入，從而引起巷道所處層位的水量、水壓加
大，導致巷道淋水。
(2)通過對開采破壞機理、地質(zhì)條件、水壓、
水質(zhì)等多方面分析，經(jīng)過高分辨礦井電法及瞬變電
磁技術(shù)驗證，可以排除出水水源直接由奧灰水補
給，但有間接滲透、參與。
(3)超千米巷道由于開采深度、應力集中造
成水文地質(zhì)條件的變化已不同于淺部。而大采深、
高應力、采動影響及地下水滲流影響是本次巷道變
形的主要誘發(fā)因素。
[參考文獻]
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300．
[責任編輯：張玉軍]
(上接34頁)
從圖4可以看出，大流量安全閥在節(jié)流口處會
產(chǎn)生氣穴現(xiàn)象。這是由于節(jié)流口處過流截面小而使
液體流速很高。根據(jù)伯努利方程，該處的壓力很
低，從仿真結(jié)果也可以看出最低壓力都出現(xiàn)在節(jié)流
口處，當壓力低于乳化液所在溫度下的空氣分離壓
時，原先溶解在乳化液中的空氣就會分離出來，使
液體中迅速出現(xiàn)大量的氣泡。如果壓力進一步減
小，而低于液體的飽和蒸汽壓時，乳化液將迅速氣
化，從而產(chǎn)生大量氣泡，使氣穴現(xiàn)象更加嚴重。
如果在安全閥中產(chǎn)生氣穴現(xiàn)象，會使流體的流
動特性變壞，造成流量和壓力的不穩(wěn)定，還會引起
振動和噪聲。因此，為了避免氣穴現(xiàn)象的產(chǎn)生，應
該采取必要的措施。
5 結(jié)束語
以鄭煤機生產(chǎn)的FAD／500型大流量安全閥為
研究對象，在建立了與實際結(jié)構(gòu)相符合的三維仿真
模型的基礎上，通過Fluent軟件對其進行了流體動
力學分析，得到其動力學和運動學規(guī)律。從仿真的
壓力、速度分布情況可以看出，節(jié)流口附近的速度
和壓力梯度最大，容易產(chǎn)生氣穴，會使流體的流動
特性變壞，造成流量和壓力的不穩(wěn)定，還會引起振
動和噪聲，在流道設計時應予以重視。
[參考文獻]
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[5]盛敬超．液壓流體力學[M]．北京：機械工業(yè)出版社，
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[責任編輯：徐亞軍]
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