高壓水錘低壓缸內(nèi)部流場(chǎng)數(shù)值模擬研究

胡 斌，張景松，王樹棠

(1.中國礦業(yè)大學(xué)電力工程學(xué)院，江蘇徐州221116;2.山東齊魯電機(jī)制造有限公司，山東濟(jì)南250100)

目前多數(shù)煤礦采用大功率采煤機(jī)以及綜采放頂煤開采工藝，在煤層含水量低的情況下，導(dǎo)致煤塵量增加，損害工人的身體健康［1］，因此有必要采用煤層注水措施，而傳統(tǒng)煤層注水技術(shù)因注水壓力低，注水效果不理想，高壓脈動(dòng)水錘裝置作為一種能激發(fā)壓力沖擊的設(shè)備［2］，利用其壓力瞬態(tài)沖擊的特性可以得到理想的注水壓力。

在高壓脈動(dòng)水錘裝置產(chǎn)生壓力沖擊的過程中，低壓缸體起著一個(gè)蓄水加壓和泄水釋能的作用，其腔體內(nèi)壓力水的流場(chǎng)變化對(duì)裝置產(chǎn)生壓力沖擊有著直接影響，影響水錘裝置沖擊產(chǎn)生的峰值壓力的大小?？梢?，高壓脈動(dòng)水錘裝置低壓缸內(nèi)部流場(chǎng)的研究，對(duì)于水錘裝置的結(jié)構(gòu)改進(jìn)和性能優(yōu)化有著重要的作用。

1 裝置介紹

高壓脈動(dòng)水錘裝置［3］(簡稱水錘裝置或WHD)，是一種以低壓輸入來產(chǎn)生高壓輸出的沖擊設(shè)備，其以水 (或乳化液)為工作介質(zhì)，水泵為動(dòng)力源。整個(gè)裝置由高壓缸體、低壓缸體和主彈簧座三大部件組成，并依次用螺栓聯(lián)接形成一個(gè)整體結(jié)構(gòu)。低壓缸體和主彈簧座內(nèi)部裝設(shè)有能上下運(yùn)動(dòng)的活塞組件，活塞直接放置在主彈簧上?；钊麅?nèi)部裝有由主閥芯、觸發(fā)閥芯和復(fù)位彈簧組成的閥芯系統(tǒng);主彈簧座上裝設(shè)有觸發(fā)頂桿，頂桿上端放置觸發(fā)彈簧，閥芯系統(tǒng)、觸發(fā)頂桿和觸發(fā)彈簧組成整個(gè)裝置的控制結(jié)構(gòu)，通過控制閥芯系統(tǒng)的啟閉來使活塞組件往復(fù)運(yùn)動(dòng)。高壓脈動(dòng)水錘裝置的工作過程是由活塞組件、主彈簧和閥芯系統(tǒng)三個(gè)基本運(yùn)動(dòng)體所組成的，高壓脈動(dòng)水錘裝置產(chǎn)生脈沖高壓的過程中，其低壓缸內(nèi)部的流場(chǎng)變化對(duì)裝置激發(fā)壓力沖擊性能有直接影響，因此有必要對(duì)沖擊過程中低壓缸的內(nèi)部流場(chǎng)及其特性進(jìn)行深入研究。

2 建立模型

2.1 控制方程

流體不管以何種形式和狀態(tài)運(yùn)動(dòng)，都遵循守恒定律描述的物理規(guī)律，基本的守恒定律有:質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律、能量守恒定律等。對(duì)于湍流運(yùn)動(dòng)的流體，還要遵守附加的湍流輸運(yùn)方程。控制方程就是以數(shù)學(xué)表達(dá)式的形式來描述這些定律。

2.1.1 質(zhì)量守恒方程 (連續(xù)性方程)

按照質(zhì)量守恒定律，流入和流出控制體的流體質(zhì)量之差，等于控制體內(nèi)部流體質(zhì)量的增量，由此可以得出連續(xù)性方程的積分形式為:

式中，V表示控制體，A表示控制面。第一項(xiàng)表示控制體內(nèi)流體質(zhì)量的增量;第二項(xiàng)表示通過控制表面流入控制體的凈增量。

研究對(duì)象為不可壓縮均質(zhì)流體，密度為常數(shù)，而且低壓缸的計(jì)算模型是二維模型，流體在平面內(nèi)流動(dòng)，則對(duì)應(yīng)的連續(xù)性方程為:

2.1.2 動(dòng)量守恒方程 (運(yùn)動(dòng)方程)

在對(duì)沖擊過程中低壓缸的內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行模擬時(shí)，對(duì)應(yīng)的流動(dòng)問題是黏度為常數(shù)的不可壓縮流體(密度為常數(shù))在二維平面內(nèi)的流動(dòng)，則其運(yùn)動(dòng)方程可表述為:

由于高壓脈動(dòng)水錘裝置的沖擊過程時(shí)間很短，流體的運(yùn)動(dòng)時(shí)間非常短，而且在柱塞沖擊、低壓缸泄水時(shí)，是不可壓縮流體流動(dòng)，此過程中流體產(chǎn)生的熱量以及熱交換量很小，完全可以忽略，故不考慮能量守恒方程。因此，只需聯(lián)立求解連續(xù)性方程(2)和動(dòng)量方程(3)即可。

2.2 模型的建立和邊界條件的分析

為了便于分析主要因素對(duì)低壓缸內(nèi)部流場(chǎng)的影響以及減小數(shù)值模擬的計(jì)算量，對(duì)高壓脈動(dòng)水錘裝置的低壓缸模型作如下假設(shè)和簡化:

(1)假設(shè)沖擊過程中低壓缸內(nèi)的水是不可壓縮的，不考慮因低壓缸腔體容積減小而引起的水壓變化，只考慮因泄水而導(dǎo)致的流場(chǎng)變化。

(2)在觸發(fā)開始時(shí)刻，主閥芯的開啟時(shí)間相對(duì)沖擊過程的運(yùn)動(dòng)時(shí)間很短，故忽略其動(dòng)作時(shí)間，即認(rèn)為觸發(fā)時(shí)主閥芯瞬間開啟。在沖擊過程中，主閥芯在隨活塞一起上升時(shí)有逐漸關(guān)閉的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，但直到?jīng)_擊過程結(jié)束，主閥芯仍處于開啟狀態(tài)，其關(guān)閉過程相對(duì)沖擊過程的時(shí)間很長，故假設(shè)主閥芯在沖擊過程中保持開度不變的開啟狀態(tài)。

(3)在沖擊過程中，不考慮空心柱塞中位于出水孔上部空間的水體對(duì)低壓缸內(nèi)流場(chǎng)的影響，將出水孔上端截面作壁面處理。

(4)低壓缸頂端進(jìn)水孔直徑相對(duì)于低壓腔的結(jié)構(gòu)尺寸很小，而且高壓脈動(dòng)水錘裝置沖擊過程的時(shí)間僅為0.3～0.4s，故忽略沖擊過程中的進(jìn)水，即沖擊過程中不考慮進(jìn)水對(duì)低壓腔內(nèi)水壓的影響。

在上述假設(shè)和簡化的基礎(chǔ)上，因低壓缸體內(nèi)流場(chǎng)圓周對(duì)稱，為減小數(shù)值模擬的計(jì)算量，可建立二維平面模型來體現(xiàn)其內(nèi)部流動(dòng)情形。依據(jù)高壓脈動(dòng)水錘裝置實(shí)物的結(jié)構(gòu)尺寸，使用Fluent前處理軟件Gambit可以很方便地建立低壓缸模型，如圖1所示。初始條件為計(jì)算初始給定的參數(shù)，即流動(dòng)問題在給定數(shù)值計(jì)算中彈簧工作下的計(jì)算模型的初始條件3.2MPa。觸發(fā)彈簧對(duì)應(yīng)的3個(gè)不同開度 (5mm，7mm，10mm)的計(jì)算模型。

圖1 低壓缸的計(jì)算模型

3 數(shù)值模擬的結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)測(cè)量中，由于閥芯和柱塞都位于高壓脈動(dòng)水錘裝置的內(nèi)部，無法觀測(cè)閥芯的開度及其對(duì)流場(chǎng)的影響。數(shù)值模擬中，通過在模型中設(shè)定不同的主閥門開度，可以對(duì)不同開度下流場(chǎng)變化的差異進(jìn)行比較和分析。圖2為不同開度時(shí)的計(jì)算結(jié)果。由圖2可以看出，3個(gè)不同開度下，采壓點(diǎn)的壓力曲線具有相似的變化趨勢(shì)，在沖擊過程開始后，壓力在很短的時(shí)間內(nèi)迅速降低，并維持平穩(wěn)值直到?jīng)_擊結(jié)束。通過比較圖中3條曲線達(dá)到的終值大小以及所對(duì)應(yīng)的時(shí)間可以發(fā)現(xiàn)，在不同的開度下，采壓點(diǎn)的壓力在基本相同的時(shí)間內(nèi)降低到對(duì)應(yīng)的終值，時(shí)間約為0.03s，而終值壓力的大小各有差異，5mm和7mm開度時(shí)的終值壓力約為0.1MPa，10mm開度下的略低，約為 0.08MPa，雖然只相差約0.02MPa，但終值壓力的差異能反映各個(gè)不同工況下的泄水情況，終值壓力越低，低壓缸泄水越完全，在柱塞沖擊過程中由低壓缸內(nèi)水體形成的阻力就越小，損耗主彈簧的蓄能少，利于沖擊。

圖2 不同開度時(shí)的計(jì)算結(jié)果

綜合比較3條曲線還可以發(fā)現(xiàn)，在不同的開度下，采壓點(diǎn)的壓力初值不同:5mm開度時(shí)約為1.6MPa，7mm開度時(shí)降到1.5MPa，而10mm開度下最低，約為1.35MPa，隨著開度的不斷增大，初值出現(xiàn)較大幅度的降低。數(shù)值計(jì)算中，在泄水和沖擊的零點(diǎn)t=t0時(shí)刻，主閥門已經(jīng)打開，但低壓缸還未開始泄水，當(dāng)t＞t0時(shí)，由于巨大的壓差作用，缸內(nèi)的水體迅速泄出。在小開度時(shí)，泄水口對(duì)水體的出流形成一定的節(jié)流影響，使得內(nèi)部壓力較高。其中，10mm開度時(shí)泄水口的通流面積最大，節(jié)流作用減弱，在相同的壓差作用下，相同的時(shí)間內(nèi)，其泄水最多，也即泄水速度最快，缸內(nèi)壓力最低，是3個(gè)開度下比較理想的一種泄水狀態(tài)。

結(jié)合圖3壓力分布云圖，可知低壓缸流場(chǎng)分布及變化規(guī)律。由圖3可知，貼近活塞端面處，即低壓缸體底端壓力較高，特別是靠近缸體壁面附近的區(qū)域，在低壓缸的中間靠近柱塞根部出水孔的附近，形成一系列以出水孔為中心，不斷向低壓缸內(nèi)擴(kuò)大。隨著泄水的增多，云層擴(kuò)散的面積越來越大，每一層次的壓力依次擴(kuò)散。

圖3 壓力云圖

圖4所示為沖擊過程前期某一時(shí)刻低壓缸內(nèi)部的速度矢量圖，可以比較直觀地看出泄水時(shí)低壓缸內(nèi)水體的流動(dòng)情況。

圖4 速度矢量

在柱塞根部出水孔處和主閥門開口泄水處，由于水體的通流面積的突變，兩處出水位置都形成了一定的節(jié)流作用，使得水體的流速相對(duì)其他位置較大。隨著活塞的向上沖擊，低壓缸內(nèi)的水體受沖擊推擠作用向上運(yùn)動(dòng)，同時(shí)由于缸體內(nèi)外的巨大壓差作用，缸內(nèi)的水體要通過根部的出水孔流出缸外，水體有一個(gè)向下運(yùn)動(dòng)的流動(dòng)狀態(tài)。在活塞的推擠和缸內(nèi)外壓差的綜合作用下，低壓缸內(nèi)的水體就形成了圖4中所示的流動(dòng)形式，從活塞端面先向上流動(dòng)，到達(dá)缸體頂面附近后改變流向，隨主流向下進(jìn)入根部出水孔，在缸內(nèi)形成類似圓弧形的曲線軌跡。在沖擊過程中，閥芯隨著活塞一起以相同速度向上運(yùn)動(dòng)，從圖4中可以看出，由于閥芯端面的推擠，在主閥芯端面處也出現(xiàn)類似的回轉(zhuǎn)流動(dòng)。另外，由于低壓缸體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)相鄰壁面垂直結(jié)合，在低壓缸內(nèi)就形成了一些壁面端角，如缸體頂端的凸臺(tái)分別與頂面和空心柱塞的交角。水體在缸內(nèi)流動(dòng)時(shí)，由于受到壁面的阻流作用和流動(dòng)區(qū)域的限制，在這些端角處就產(chǎn)生了流動(dòng)渦旋，會(huì)卷吸周圍區(qū)域的流體，對(duì)主流產(chǎn)生一定的阻擾作用，不利于水流的快速泄出。

4 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)效果

高壓脈動(dòng)水錘裝置是一個(gè)循環(huán)工作的設(shè)備，具有周期性。通過高壓脈動(dòng)水錘對(duì)煤層注水試驗(yàn)，設(shè)置采集時(shí)間為6s，能采集到高壓脈動(dòng)水錘裝置循環(huán)工作大約2個(gè)周期的數(shù)據(jù)，圖5所示為采集6s得到的曲線圖。

圖5 采集6s全數(shù)據(jù)曲線

實(shí)驗(yàn)測(cè)得的壓力曲線與模擬所得到的結(jié)論基本吻合。

5 結(jié)論

(1)模擬發(fā)現(xiàn)10mm開度時(shí)泄水口的通流面積最大，節(jié)流作用減弱，在相同的壓差作用下，相同時(shí)間內(nèi)，其泄水量最多，泄水速度最快，缸內(nèi)壓力最低，是3個(gè)開度下較理想的一種泄水狀態(tài)。

(2)沖擊過程中，低壓缸內(nèi)的水流形成弧形軌跡曲線。從活塞端面先向上流動(dòng)，到達(dá)頂面附近后改變流向，隨主流向下進(jìn)入柱塞根部出水孔。在主閥芯端面處也出現(xiàn)類似的回轉(zhuǎn)流動(dòng)，在壁面端角處會(huì)產(chǎn)生漩渦。

(3)在沖擊過程開始后，低壓缸內(nèi)的壓力在很短的時(shí)間內(nèi)從比觸發(fā)壓力略低的初始值瞬間降到很低，時(shí)間約為0.02s，在達(dá)到終值壓力后維持穩(wěn)定直到?jīng)_擊過程結(jié)束，終值壓力大小約為0.2MPa。

(4)沖擊過程中，低壓缸內(nèi)頂面處的壓力比其他位置的壓力略高，而且在從初始值瞬間降到很低之后再到達(dá)終值壓力時(shí)，內(nèi)頂面處壓力變化出現(xiàn)一個(gè)較明顯的緩沖區(qū)段。這是由于活塞組件向上運(yùn)動(dòng)，活塞推擠低壓缸內(nèi)貼近其端面的水體形成一定的壓力沖擊并在水體中向上傳播，在內(nèi)頂面處，壓力沖擊受到固體壁面的阻擋而擠壓該處的水體所導(dǎo)致的。

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