潜孔钻机扑尘罩流场分析及结构优化

发布时间：2020-06-29 16:55

【摘要】：扑尘罩是潜孔钻机除尘系统的关键部件,对潜孔钻机的扑尘能力、扑尘效率以及工作可靠性有重要影响。基于对潜孔钻机扑尘罩流场与结构参数的分析,采用三维建模软件Pro/E建立扑尘罩的三维模型,并通过流体分析软件Workbench对扑尘罩内部流场进行分析计算。分析了扑尘罩筒体高度、筒体直径及排气管倾角对扑尘效果的影响规律,提出扑尘罩的优化设计方案,并对气固两相流进行模拟分析。研究结果表明:当扑尘罩筒体直径为350 mm时、增加扑尘罩筒体高度、增大排气管的倾角,可减少泄漏环口的泄漏,有利于扑尘罩的扑尘。
【图文】：

机械科学与技术第34卷气管倾角)来减少连接(泄漏)环口的泄漏，提高除尘系统的工作效率，降低能耗。1模型及控制方程图1扑尘罩结构参数1．1物理模型扑尘罩结构如图1所示。图1中:D1为钻杆直径;D2为扑尘罩上端密闭直径;D3为筒体直径;D4为排气管直径;D5为孔口直径;H为筒体高度;α为排气管的倾角。1．2空气及岩屑速度计算设定模拟直径为100mm钻头以10m/h速度钻孔，气体流量为12m3/min，空气为不可压缩气体，密度为1.205kg/m3，温度恒定为25℃，钻杆外径为76mm，大气压力为101325Pa。由钻速可计算单位时间产生的岩屑体积为0.0013m3/min。在上述孔口参数下，经理论计算与实际测量，设定孔口气固两相流模拟速度为60m/s。1．3控制方程目前，计算流体动力学常用的湍流数值模拟方法主要有3种:直接模拟、大涡模拟、应用Ｒeynolds时均方程模拟(即湍流的统观模拟方法)。这几种方法各有优缺点，在处理工程问题时，统观模拟方法较为经济、有效［6］。气固两相流动数值模拟与湍流气相流动数值模拟相似，但在气相流场中加入固体颗粒相，必然引起气相质量、动能、能量的变化。因此，气固两相湍流流动模拟的关键是颗粒相的模拟。统观模拟方法中气固两相湍流模拟对颗粒相的模拟通常分为2类:1)流体当作连续介质，而将颗粒作为离散相处理，在拉格朗日坐标系下描述颗粒的运动，以随机轨道模型为代表;2)流体与颗粒看作共同存在且相互渗透的连续介质，即把颗粒群看作拟流体，在欧拉坐标下描述颗粒群的运动［7］。流动中固相岩屑的容积率定义为区域或单元体中固相的体积与区域或单元的体积之比。经计算，本文工况下的固相岩屑容积率为0.013/(0.013+12)=1.09×10－4。固相颗粒很少，无法

第8期曹亚鹏等:潜孔钻机扑尘罩流场分析及结构优化进口速度设为60m/s，排气管口相对压强设为100Pa，泄漏环口相对压强设为0。1．5流场仿真分析1)对称面的速度分布图3为扑尘罩左右对称面的速度分布情况。流体进入扑尘罩前流速最快，进入扑尘罩之后速度降低，到达扑尘罩体顶端挡板处，左侧流体加速流向排气管，右侧流体部分从泄漏环口流出，部分沿壁面回流，在竖直方向上形成较大的涡流。图2扑尘罩计算网格模型图3对称面的速度分布2)扑尘罩侧截面的速度分布图4为扑尘罩侧面45°虚线竖直截面的速度分布情况。由于受到排气管负压的影响，右侧流体受到罩体壁面的阻碍后会沿壁面向左下方流动，而罩体是对称的。因此，部分流体再次回流，在竖直截面上形成涡流。图4扑尘罩侧截面的速度分布图5整体流线分布3)整体流线分布图5为整体的流线分布情况:经过筒体中心的流线相对比较顺畅，但经过扑尘罩体的流线不仅在扑尘罩内部沿壁面形成涡流，造成二次泄漏可能，而且向排气管方向流动，在扑尘罩体左下侧碰撞壁面再次形成竖直截面上的涡流，不利于流体的迅速排出，降低了整体的集尘能力。通过以上分析可见，初步设计的扑尘罩的整体流线状况不理想，需要进行结构改进。1．6参数影响分析主要考察各参数对排气管口处流速与泄漏环口的泄漏比例的影响，利用Fluent进行流场计算。取泄漏环口、排气管口的平均速度、最高压力及泄漏比例进行分析。由Fluent计算出来的速度是通过该截面积流线的平均速度，取值较为准确。1．6．1筒体高度的影响设钻杆直径D1=76mm，扑尘罩筒体直径D3=400mm，排气管倾角α=45°。通过改变筒体高度H来进行仿真分析，流场结果如图6所示。图6高度H对速度、压强及泄漏比例的影响从图6可见:泄漏环口速度、泄

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