煤礦排水管道流體仿真研究

摘 要：為充分了解礦井水在煤礦排水管道內的流動變化，本文設計了60°、90°與120°三種不同類型的煤礦排水彎管，通過有限元分析了礦井水流動速度變化，結果表明：礦井水在煤礦排水彎管的彎段處流動速度開始發生明顯增大，60°彎管的彎段處內側的流動速度最大，90°次之，120°最小。

關鍵詞：煤礦排水管道；仿真；有限元；速度

關于管道內流體流動狀況的研究得到了眾多學者的重視，李斌[ 1 ]、賀尚紅[ 2 ]、武維生[ 3 ]、楊雪峰[4]等人均采用了不同方法對管道內流體流動進行了分析與仿真。但上述文獻中主要是針對普遍意義上的管道進行的研究，缺少對特定管道類型的分析，不便于發現某一種管道內具體的流動狀況。

本文選擇以煤礦排水管道作為研究對象，通過限元分析了礦井水在不同類型的管道內的流動速度變化。

1 建立模型

管道從外形上可分為直管道和彎管道，直管道內流體流動狀況較為統一，彎管道在彎段處其截面形狀變化較大，流動的運動軌跡和流動狀態會發生交的變化，從而引起流體速度、壓力等狀態的變化。

為更加清楚的描述煤礦排水管道內礦井水的流動狀況，本文利用SolidWorks設計了不同類型的煤礦排水彎管，即為60°、90°與120°三種，如圖1所示。

2 模擬仿真

2.1 管道參數

選取管道材質為合金鋼，管徑規格為外徑300mm，內徑為250mm，直管長度為700mm。

2.2 初始條件

使用Flow Simulation進行初始設置：國際制（SI）長度單位為mm，入口速度單位為m/s，分析類型為內部流動，排除內部沒有流動條件的空腔，流體為液體。

2.3 邊界條件

設定整個煤礦排水管道所處的環境溫度為293.15K，入口速度為1m/s，與入口平面法向平行。出口環境壓力為101325Pa，壁面條件為絕熱壁面。

2.4 表面目標

已知煤礦排水管道出口靜壓力和入口速度，將仿真目標值設定為表面目標，即通過管道出口排水量最大作為評價指標。

2.5 仿真結果

求解運行結束后，對煤礦排水彎管內礦井水流動速度狀況進行切面圖分析。

以右視基準面作為剖面，對60°、90°以及120°彎管內礦井水的流動速度進行切面圖分析，速度分布云圖如圖2所示。

由圖2可知，煤礦排水管道在直段處礦井水流動速度變化不明顯，與入口速度相差無幾。在彎段處礦井水流動速度開始發生明顯變化，彎段處內側的流動速度大于入口速度。60°彎管的彎段處內側的流動速度最大，90°次之，120°最小。

3 結論

本文利用SolidWorks設計了三種不同類型的煤礦排水彎管，通過有限元分析了礦井水流動速度變化，發現礦井水在煤礦排水彎管的彎段處流動速度開始發生明顯增大，60°彎管的彎段處內側的流動速度最大，90°次之，120°最小。

參考文獻：

[1] 賀尚紅，鐘掘.管道流體的瞬態仿真模型[J].中南工業大學學報（自然科學版），2000，02：173-176.

[2] 武維生.基于粒子系統的管道流體虛擬可視化研究[D].山東大學，2006.

[3] 李斌，劉明亞，牟靜，郭健，梅越民.管道流體的瞬態仿真模型[J].科技傳播，2016，11：183+216.

[4] 楊雪峰，張妍，宋敏. FHP-2格子氣模型仿真管道流體流動[J].撫順石油學院學報，1996，01：43-46.

作者簡介：

劉陽（1991-），男，漢族，山東臨沂人，山東科技大學礦業與安全工程學院在讀研究生，研究方向為系統設計與優化。