基于Solidworks的水力割缝喷嘴特性数值模拟

要： 水力割缝是煤层卸压和增加煤层渗透率的有效方法 ， 其中喷嘴结构是影响水力割缝效果 的关键部件， 通过 Solidworks 软件对收缩型喷嘴内部流场进行数值模拟， 通过对比优化喷嘴参 摘 数， 并在实验室进行试验分析了影响割缝效果的因素 。 关键词： Solidworks； 喷嘴； 数值模拟； 优化选择； 割缝效果； 水力割缝
［1 － 5 ］
明收缩型喷嘴有较好的聚能作用 。喷嘴的主要参数 有收缩角 α， 入口处和出口处的过度形状， 出口直径 d 和长径比 L / d。为了优化喷嘴结构， 选择 3 组收缩 35° 和 65° ， 3 组出口直径 d： 0． 05 、 0． 10 和 角 α： 12° 、 0． 15 mm， 4 组长径比 L / d： 1 、 2、 3、 4， 进行数值模拟， 通过对比分析优化选择。 2 2． 1 数值模拟
图1
收缩型喷嘴示意图
· 6· S = － p u + ［ （ μ + μ r ） ］+ x x x 1 v u ［ （ μ + μ r ） ］－ 2 （ μ + μ r ） 2 r r x r μr ， S = σk
（ 第 43 卷第 4 期）
试验·研究
4 ） 紊流动方程。 = k， S = G － ρε Γ = G － ρε， 5 ） 耗散率方程。 = ε， Γ = μ +
控制方程 k 的黏性耗损 假设该单位质量流体为动能为 k， u 为轴向速度。采用 k － ε 紊 率为 ε， 流体密度为 ρ，
流模型， 其方程组可写成如下统一形式： 1 δ ［ （ rρu） + （ rρv） ］= r x δr 1 δ ［ （ rΓ ） + （ rΓ ） ］+ S r x x δr r 方程中各项具体表达式为： 1 ） 连续方程。 = 1 ， S = 0 Γ = 0， 2 ） x 动量方程。 = u， Γ = μ + μr p u S = － + ［ （ μ + μ r ） ］+ x x x v 1 u ［ （ μ + μ r ） ］－ 2 （ μ + μ r ） 2 r r x r 3 ） r 动量方程。 = v， Γ = μ + μr
2 C1 ε ρε G － C2 k k
其中： G = （ μ + μr ） ｛ 2［ （ （ v u 2 v ） +（ ） 2 +（ ） 2 + r x r
图2
出口直径与轴线速度图
u v 2 + ） ］ ｝ r x 式中： μ 为动力黏性系数； μ r 为紊流黏性系数， k2 ； σ k 为 k 的稳流 prandtl 数， σk = 1 ． 0 ； σε ε 为 ε 的紊流 prandtl 数， σε = 1 ． 3 。 μr = Cμ ρ C1 = 1 ． 505 ， 方程组中各个常数取值： C ε = 0 ． 09 ， C2 = 1 ． 92 。 2． 2 数值模拟边界条件 喷嘴的初始条件相同， 湍流模型为 k － ε 模型， 入口边界条件： 压力 30 MPa； 出口条件： 外界静压
QIAO Wei1 ， SHANG Zhi － yuan1 ， ZHANG Xin － jian2 ， HAN Bao － deng1 （ 1 ． School of Energy Science and Engineering， Henan Polytechnic University， Jiaozuo 454000 China； 2 ． Chensilou Coal Mine，Henan Longyu Energy Co． ，Ltd，Yongcheng 476600 ， China） Abstract： Hydraulic slotting is an effective way to released seam pressure and increase permeability of coal seams． Nozzle structure is the key component affecting hydraulic slotting． Internal flow field of convergent nozzle is simulated based on Solidworks software． Through comparing and optimizing the nozzle parameters，the factors affecting slotted effect is analyzed by laboratory tests． Key words： Solidworks； nozzle； numerical simulation； optimization； slotted effect； hydraulic slotting
+ 中图分类号： TD713 ． 3
文献标志码： A
文章编号： 1003 － 496X（ 2012 ） 04 － 0005 － 03
Numerical Simulation for Nozzle Characteristics of Hydraulic Slotting Based on Solidworks
高压水射流技术是近 20 年来发展起来的新技 其在煤矿上应用也受到越来越多的关注 ， 其中在 术， 掘进面防突和增加瓦斯抽放率应用方面效果显著 。 通过高压水射流的冲击作用、 动压力作用和水楔作 用对煤体进行切割， 一方面使煤体局部卸压， 可有效 防治掘进面煤与瓦斯突出， 另一方面增大了煤层的 。 喷嘴是水力割缝的 渗透率， 增加瓦斯抽放率 关键部件， 其结构参数对喷嘴的聚能效果影响巨大 ， 对喷嘴进行数值模拟找到最合适的参数并进行实验 室试验对水力割缝装置研制有指导作用 。 1 喷嘴结构及其参数选择 目前常用的喷嘴为收缩型喷嘴， 如图 1 ， 实验证
试验·研究
（ 2012 － 04 ）
· 5·
基于 Solidwork 2 1 伟 ， 尚志远 ， 张新建 ， 韩宝灯
（ 1． 河南理工大学 能源科学与工程学院， 河南 焦作 454000 ； 2． 河南龙宇能源股份有限公司 陈四楼煤矿， 河南 永城 476600 ）