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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本文编号：550468