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基于CFD的三相分离装置工作性能仿真与参数分析

发布时间:2017-07-16 20:28

  本文关键词:基于CFD的三相分离装置工作性能仿真与参数分析


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【摘要】:摘要:高瓦斯矿井在开采前往往采用钻孔施工来抽放瓦斯,以确保开采前瓦斯浓度达到煤矿安全规定的数值。抽放过程中会产生大量的水、煤、瓦斯的混合物,尽管瓦斯可以排放地面,但水严重影响了开采环境。实际中亟需设计一种能将水、煤、瓦斯有效分离的装置,改善采煤工作面的工作环境,并将瓦斯变害为宝,作为能源加以利用。本文首先分析了国内外水、煤、瓦斯分离的技术现状及其三相仿真研究的动态,发现国内目前没有有关水、煤、瓦斯分离器的研究报道。本文试图采用CAD/CFD技术,研究一种煤矿实用的高效的水、煤、瓦斯分离器。 本文所做的研究工作如下: (1)采用参数化设计,针对煤矿翻斗车改造,使用UG软件设计了水、煤、瓦斯分离器的初始结构,该分离器具有适应矿井环境,结构简单、操作容易、维护方便的特点; (2)进行了分离性能的研究,提出了采用体积分数来衡量水、煤、瓦斯的三相分离效率; (3)进行了水、煤、瓦斯分离器瞬态流场的仿真分析,分析了水、煤、瓦斯分离器初始结构的流场规律,并计算了初始分离效率; (4)找出了影响性能的关键因素,及其影响规律。参数化仿真结果表明: 1)瓦斯出口位置在最靠近进口位置,瓦斯出口较容易从瓦斯出口排出,水出口的排水量大,分离效果较好; 2)瓦斯出口直径稍大于进口直径,瓦斯出口排出的瓦斯较多,水出口排出的瓦斯少,分离效果较好; 3)挡板位置在靠近模型中部偏右的位置,瓦斯出口和水出口排出的瓦斯变化较小,水出口的排水量较大,整体分离效果较好; 4)挡板底边距箱底高度稍低于进口位置高度,进口部分或全部浸没在初始水相中,分离器分离效果较好; 5)进口位置高度与挡板底边距箱底高度相同或稍高于该高度,瓦斯出口排出的瓦斯量大,分离效果好; 6)进口直径与水出口直径相同或稍大于水出口直径,水出口排出的水较多,瓦斯容易从瓦斯出口排出,整体分离效果较好。 (6)针对初始设计模型,根据影响规律,提出了改进设计的模型。该模型分离效率显著提高,达到了水、煤、瓦斯的高效分离要求。 本文所进行的研究工作为进一步研究水、煤、瓦斯三相分离装置的分离原理、分离特性提供了理论指导;为其装置的结构优化设计提供了一种切实可行的方法。
【关键词】:三相分离 瓦斯 结构设计 数值模拟 结构参数分析
【学位授予单位】:中南大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2014
【分类号】:TD712
【目录】:
  • 摘要4-6
  • Abstract6-8
  • 目录8-11
  • 1 绪论11-19
  • 1.1 研究背景11
  • 1.2 国内外研究现状11-16
  • 1.2.1 通用分离器的类型11-14
  • 1.2.2 水、煤、瓦斯分离器14-16
  • 1.3 分离器流场研究现状16-17
  • 1.4 研究目的及意义17-18
  • 1.4.1 研究目的17
  • 1.4.2 研究意义17-18
  • 1.5 研究内容18
  • 1.6 本章小结18-19
  • 2 水、煤、瓦斯三相分离器的结构设计19-29
  • 2.1 设计要求19
  • 2.2 UG参数化设计技术19-23
  • 2.2.1 UG软件概述19-22
  • 2.2.2 参数化设计技术22-23
  • 2.3 结构设计23-27
  • 2.4 材料选择27-28
  • 2.5 本章小结28-29
  • 3 CFD数值模拟的基本理论与方法29-43
  • 3.1 CFD数值模拟概述29-30
  • 3.2 CFD数值模拟的求解过程30-33
  • 3.3 网格划分33
  • 3.4 求解器的选择33-34
  • 3.5 流场模型的选择34-36
  • 3.5.1 多相流模型34-35
  • 3.5.2 湍流模型35-36
  • 3.6 控制方程36-41
  • 3.6.1 质量守恒方程36-37
  • 3.6.2 动量守恒方程37-39
  • 3.6.3 能量守恒方程39
  • 3.6.4 湍流控制方程39-41
  • 3.7 求解控制参数设定41-42
  • 3.7.1 压力修正法的选择41-42
  • 3.7.2 离散格式的选择42
  • 3.8 本章小结42-43
  • 4 基于CFD的三相分离器的工作性能分析与仿真43-54
  • 4.1 三相分离器的分离性能定义43-44
  • 4.1.1 三相分离器分离原理43-44
  • 4.1.2 三相分离器分离效率的定义44
  • 4.2 面向三相分离器的流场仿真分析方法44-46
  • 4.2.1 仿真工具的选择44-45
  • 4.2.2 基于Fluent的仿真分析方法45-46
  • 4.3 基于CFD的三相分离瞬态流动仿真分析46-53
  • 4.3.1 物性参数及边界条件46-47
  • 4.3.2 三相分离器初始模型的瞬态流动仿真分析47-53
  • 4.4 本章小结53-54
  • 5 基于CFD的三相分离器的参数分析54-69
  • 5.1 分离器参数分析方案54-55
  • 5.2 分离器的结构参数分析55-65
  • 5.2.1 瓦斯出口位置对分离器分离性能的影响55-56
  • 5.2.2 瓦斯出口直径对分离器分离性能的影响56-58
  • 5.2.3 挡板位置对分离器分离性能的影响58-60
  • 5.2.4 挡板底边距箱底高度对分离器分离性能的影响60-62
  • 5.2.5 进口位置对分离器分离性能的影响62-63
  • 5.2.6 进口直径对分离器分离性能的影响63-65
  • 5.3 基于CFD的三相分离器分离性能的影响规律65-67
  • 5.3.1 三相分离器结构参数的影响规律65-66
  • 5.3.2 改进模型66-67
  • 5.4 本章小结67-69
  • 6 结论与展望69-71
  • 6.1 结论69
  • 6.2 展望69-71
  • 参考文献71-75
  • 攻读学位期间主要的研究成果目录75-76
  • 致谢76

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前8条

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2 侯琳;灵活性与实践性相融合——ANSYS10.0重要新功能[J];CAD/CAM与制造业信息化;2005年11期

3 朱诗山;;煤矿瓦斯抽放技术[J];煤炭技术;2009年06期

4 刘磊,李会雄,,周芳德;水力旋流污水除油技术[J];石油矿场机械;1995年03期

5 邓志安;贾琳;孙洁;商羽婷;;含不同入口构件的重力式分离器内流场的数值模拟[J];石油工业技术监督;2010年03期

6 史永红;;丝网气液分离器分离性能和压力损失分析[J];石油化工设备;2006年03期

7 张西民,郭烈锦,于立军,李广军,黄建春;水平圆管内油气水三相流摩擦阻力的模型与结构关系式[J];西安交通大学学报;1999年01期

8 陆耀军,潘玉琦,薛敦松;重力式油水分离设备的计算模型[J];油田地面工程;1994年01期



本文编号:550468

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