矿用空气幕的数值模拟与研究

论文摘要

矿用空气幕作为一种新型的矿井风流调控技术,不仅可起类似风门隔断风流、辅扇引射风流和增阻调节风窗的作用,而且安装、操作简便,无需人看护,维护管理方便,设备成本较低,效果显著,且不影响行人和车辆运输,具有广泛的应用前景。由于目前对空气幕的研究还停留在实验研究和理论分析阶段,供风器的设计也主要依靠经验,所以设计出来的空气幕难免存在一些不合理的因素。因此,论文将从数值模拟方面来进一步研究空气幕。论文综合应用流体力学及流体动力学的有关理论,同时结合粘性流动与紊流流动的动力学方程,建立了空气幕内流体的数学模型。并利用ANSYS软件的强大计算功能对空气幕供风风流进行了模拟仿真。具体的研究内容如下:1.详细阐述了矿用空气幕发展现状及应用综述和计算流体力学基本理论。2.应用湍流理论对矿用空气幕供风器内空气流动进行初步理论分析,将数值模拟方法用于空气幕流场研究,对研究对象进行了合理的简化及假设,建立矿用空气幕供风器内流场的湍流数学模型并详细阐述了数值模拟的基本理论。3.运用大型通用有限元分析软件ANSYS建立空气幕供风风流的模型,包括建模、网格划分、施加边界条件及求解等。4.根据ANSYS软件的计算结果分析空气幕内风流流场的特性、出口射流的速度和压力分布情况及计算空气幕出口的平均风速。5.对多种不同的空气幕供风风流模型进行模拟,并对其计算结果进行分析,最终确定合理的空气幕结构。通过对数十种空气幕模型进行模拟分析,得到以下结论:1.应用有限元分析软件ANSYS建立了空气幕供风风流的三维实体模型,通过网格划分得到其有限元模型,并对模型参数进行反复调整、计算,得到收敛的计算结果。经后处理后得到所研究对象的速度矢量图、压力分布图、湍流动能分布图、马赫数分布图及出口路径上的速度曲线图等,同时模拟结果也验证了本文所建立的数学、物理模型及边界条件的正确性。2.空气幕供风器出口宽度较窄的比出口宽度较宽的出口风速分布较均匀,模型十说明加长l2的长度有助于使出口风速分布更均匀。3.对十种模型进行了有限元数值模拟,结果表明,方案一中模型三、方案二中模型六及方案三中模型九的风量损失在各方案中最小,即其能量损失最小,可见在出口面积相等的情况下,出口宽度越小的能量损失就越小。通过对方案一、方案二及方案三供风器出口高度相等的相应模型对比分析,宽度越大风量损失有增加的趋势。因此在这三种方案中,模型三、模型六、模型九分别为各方案中相对较好的一种模型,模型十与模型九优劣相当,虽模型十出口速度分布较模型九均匀,但其耗费的材料成本更高。本文的研究工作对提高矿用空气幕的工作效率及节能效果有较好的参考作用。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 国内外空气幕的研究现状及进展
• 1.3 数值模拟技术的应用
• 1.3.1 数值模拟在工程中的应用
• 1.3.2 数值模拟应用在气流流态中的研究现状及进展
• 1.4 工程软件及应用
• 1.4.1 工程软件的发展及分类
• 1.4.2 ANSYS在有限元软件中的地位
• 1.4.3 运用ANSYS分析的优点
• 1.5 选题的目的与意义
• 1.6 研究内容、方法、思路及意义
• 1.6.1 研究内容
• 1.6.2 研究方法
• 1.6.3 研究思路
• 1.6.4 研究意义
• 第二章 计算流体力学基本理论认知及供风风流数学模型的建立
• 2.1 计算流体动力学（CFD）发展简介
• 2.2 计算流体动力学的工作步骤
• 2.3 湍流的特征
• 2.4 湍流的数值模拟方法
• 2.4.1 直接模拟法（DNS）
• 2.4.2 大涡模拟法（LES）
• 2.4.3 雷诺时均方法（RANS）
• 2.5 流体力学基本方程
• 2.5.1 质量守恒方程
• 2.5.2 动量守恒方程
• 2.5.3 能量守恒方程
• 2.6 紊流k-ε模型
• 2.6.1 标准k-ε模型
• 2.6.2 RNGk-ε模型
• 2.6.3 Realizablek-ε模型
• 2.6.4 标准k-ε模型的控制方程组
• 2.6.5 标准k-ε方程的解法及适用性
• 2.7 在近壁区使用k-ε模型的问题及对策
• 2.7.1 近壁区流动的特点
• 2.7.2 壁面函数法
• 2.8 控制方程的离散及常用离散方法
• 2.9 边界条件与初始条件确定
• 2.10 小结
• 第三章 矿用空气幕有限元实体模型的建立
• 3.1 ANSYS计算流体分析模块概述
• 3.1.1 FLOTRAN CFD分析的种类
• 3.1.2 FLOTRAN单元的特点
• 3.2 风机参数及空气幕供风器的结构参数
• 3.2.1 风机型号及参数
• 3.2.2 空气幕供风器的结构
• 3.3 初步分析方案确定
• 3.4 ANSYS实体模型的建立
• 3.5 有限元模型的建立
• 3.6 小结
• 第四章 数值模拟及结果分析
• 4.1 FLOTRAN分析方法
• 4.2 空气幕供风器进口风速计算
• 4.3 流体状态的确定
• 4.4 边界条件应用
• 4.4.1 边界条件的确定
• 4.4.2 施加边界条件
• 4.5 FLOTRAN分析参数设置及求解
• 4.6 计算结果后处理
• 4.7 结果分析
• 4.8 数值模拟结果的对比分析
• 4.8.1 不同结构参数供风器的速度矢量图比较
• 4.8.2 供风器出口宽度对出口风速分布的影响
• 4.8.3 不同结构参数对风速及压力的影响
• 4.9 节能分析
• 4.10 小结
• 第五章 结论及展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历及攻读硕士期间发表的学术论文与研究成果