高壓水射流煤層割縫噴嘴流場模擬及結構優(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，占事故死亡總人數(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是一項新型的瓦斯抽采技術，該技術利用高壓水射流對煤體進行割縫，增大煤體暴露面積，增加煤層裂隙率和透氣性，最終達到提高瓦斯抽采率的目的。割縫噴嘴為該技術設備中的關鍵部件，由于其流道結構較為復雜，目前對其內部流動特性及最優(yōu)結構的研究尚不完

2、善。因此，開展對割縫噴嘴的研究，從而提高該技術設備的瓦斯抽放效率，有利于該新型技術的進一步推廣應用，具有重大的工程意義。
　　本論文依托國家自然科學基金創(chuàng)新群體基金項目“高壓水射流破巖理論及其在地下工程中的應用基礎研究（50921063）”，通過對原割縫噴嘴流場進行CFD模擬，研究了高壓水在總長受限、流動方向以及流道截面突變特殊條件下的流動特性及其對噴嘴切割性能的影響；采用正交設計方法優(yōu)化了噴嘴結構參數(shù)，得出具有最佳切割能力的噴嘴

3、結構形式；在此研究基礎上，提出了采用導流器進一步改善噴嘴切割性能的新方法，通過實驗對比，研究不同類型導流器的導流效果，尋求最佳的導流器-噴嘴組合形式。主要研究成果如下：
　　(1)通過數(shù)值模擬研究了原噴嘴流場動壓力、速度和湍流強度分布，揭示了原割縫噴嘴射流較發(fā)散的成因。研究結果表明：由于割縫噴嘴流道結構的特殊性（總長受限，流道方向、截面積突變），高壓水在噴嘴內部流動時形成局部低壓、低速區(qū)，導致噴嘴內部產生大量渦旋和回流，引起噴嘴內

4、部湍流強度加大，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受限在26mm，在該長度范圍內，影響噴嘴性能的結構因素有噴嘴穩(wěn)定段長度L、收縮角θ和直線段長度l，該3因素相互制約，且存在一個最優(yōu)值。作者提出應用正交設計的方法對以上3因素進行優(yōu)化，正交優(yōu)化結果表明：穩(wěn)定度長度為0、收縮角為30°、直線段長度為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)對優(yōu)化噴嘴的內部流場的數(shù)值計