胡 斌，張景松，王樹棠

(1.中國礦業(yè)大學電力工程學院，江蘇徐州221116;2.山東齊魯電機制造有限公司，山東濟南250100)

目前多數煤礦采用大功率采煤機以及綜采放頂煤開采工藝，在煤層含水量低的情況下，導致煤塵量增加，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)煤層注水技術因注水壓力低，注水效果不理想，高壓脈動水錘裝置作為一種能激發(fā)壓力沖擊的設備［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。

在高壓脈動水錘裝置產生壓力沖擊的過程中，低壓缸體起著一個蓄水加壓和泄水釋能的作用，其腔體內壓力水的流場變化對裝置產生壓力沖擊有著直接影響，影響水錘裝置沖擊產生的峰值壓力的大小?？梢?，高壓脈動水錘裝置低壓缸內部流場的研究，對于水錘裝置的結構改進和性能優(yōu)化有著重要的作用。

1 裝置介紹

高壓脈動水錘裝置［3］(簡稱水錘裝置或WHD)，是一種以低壓輸入來產生高壓輸出的沖擊設備，其以水 (或乳化液)為工作介質，水泵為動力源。整個裝置由高壓缸體、低壓缸體和主彈簧座三大部件組成，并依次用螺栓聯(lián)接形成一個整體結構。低壓缸體和主彈簧座內部裝設有能上下運動的活塞組件，活塞直接放置在主彈簧上。活塞內部裝有由主閥芯、觸發(fā)閥芯和復位彈簧組成的閥芯系統(tǒng);主彈簧座上裝設有觸發(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)彈簧組成整個裝置的控制結構，通過控制閥芯系統(tǒng)的啟閉來使活塞組件往復運動。高壓脈動水錘裝置的工作過程是由活塞組件、主彈簧和閥芯系統(tǒng)三個基本運動體所組成的，高壓脈動水錘裝置產生脈沖高壓的過程中，其低壓缸內部的流場變化對裝置激發(fā)壓力沖擊性能有直接影響，因此有必要對沖擊過程中低壓缸的內部流場及其特性進行深入研究。

2 建立模型

2.1 控制方程

流體不管以何種形式和狀態(tài)運動，都遵循守恒定律描述的物理規(guī)律，基本的守恒定律有:質量守恒定律、動量守恒定律、能量守恒定律等。對于湍流運動的流體，還要遵守附加的湍流輸運方程?？刂品匠叹褪且詳祵W表達式的形式來描述這些定律。

2.1.1 質量守恒方程 (連續(xù)性方程)

按照質量守恒定律，流入和流出控制體的流體質量之差，等于控制體內部流體質量的增量，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。第一項表示控制體內流體質量的增量;第二項表示通過控制表面流入控制體的凈增量。

研究對象為不可壓縮均質流體，密度為常數，而且低壓缸的計算模型是二維模型，流體在平面內流動，則對應的連續(xù)性方程為:

2.1.2 動量守恒方程 (運動方程)

在對沖擊過程中低壓缸的內部流場進行模擬時，對應的流動問題是黏度為常數的不可壓縮流體(密度為常數)在二維平面內的流動，則其運動方程可表述為:

由于高壓脈動水錘裝置的沖擊過程時間很短，流體的運動時間非常短，而且在柱塞沖擊、低壓缸泄水時，是不可壓縮流體流動，此過程中流體產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低壓缸內部流場的影響以及減小數值模擬的計算量，對高壓脈動水錘裝置的低壓缸模型作如下假設和簡化:

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

(2)在觸發(fā)開始時刻，主閥芯的開啟時間相對沖擊過程的運動時間很短，故忽略其動作時間，即認為觸發(fā)時主閥芯瞬間開啟。在沖擊過程中，主閥芯在隨活塞一起上升時有逐漸關閉的運動趨勢，但直到沖擊過程結束，主閥芯仍處于開啟狀態(tài)，其關閉過程相對沖擊過程的時間很長，故假設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低壓缸內流場的影響，將出水孔上端截面作壁面處理。

(4)低壓缸頂端進水孔直徑相對于低壓腔的結構尺寸很小，而且高壓脈動水錘裝置沖擊過程的時間僅為0.3～0.4s，故忽略沖擊過程中的進水，即沖擊過程中不考慮進水對低壓腔內水壓的影響。

在上述假設和簡化的基礎上，因低壓缸體內流場圓周對稱，為減小數值模擬的計算量，可建立二維平面模型來體現(xiàn)其內部流動情形。依據高壓脈動水錘裝置實物的結構尺寸，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。初始條件為計算初始給定的參數，即流動問題在給定數值計算中彈簧工作下的計算模型的初始條件3.2MPa。觸發(fā)彈簧對應的3個不同開度 (5mm，7mm，10mm)的計算模型。

圖1 低壓缸的計算模型

3 數值模擬的結果分析

實驗測量中，由于閥芯和柱塞都位于高壓脈動水錘裝置的內部，無法觀測閥芯的開度及其對流場的影響。數值模擬中，通過在模型中設定不同的主閥門開度，可以對不同開度下流場變化的差異進行比較和分析。圖2為不同開度時的計算結果。由圖2可以看出，3個不同開度下，采壓點的壓力曲線具有相似的變化趨勢，在沖擊過程開始后，壓力在很短的時間內迅速降低，并維持平穩(wěn)值直到沖擊結束。通過比較圖中3條曲線達到的終值大小以及所對應的時間可以發(fā)現(xiàn)，在不同的開度下，采壓點的壓力在基本相同的時間內降低到對應的終值，時間約為0.03s，而終值壓力的大小各有差異，5mm和7mm開度時的終值壓力約為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 不同開度時的計算結果

綜合比較3條曲線還可以發(fā)現(xiàn)，在不同的開度下，采壓點的壓力初值不同:5mm開度時約為1.6MPa，7mm開度時降到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。數值計算中，在泄水和沖擊的零點t=t0時刻，主閥門已經打開，但低壓缸還未開始泄水，當t＞t0時，由于巨大的壓差作用，缸內的水體迅速泄出。在小開度時，泄水口對水體的出流形成一定的節(jié)流影響，使得內部壓力較高。其中，10mm開度時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，相同的時間內，其泄水最多，也即泄水速度最快，缸內壓力最低，是3個開度下比較理想的一種泄水狀態(tài)。

結合圖3壓力分布云圖，可知低壓缸流場分布及變化規(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，不斷向低壓缸內擴大。隨著泄水的增多，云層擴散的面積越來越大，每一層次的壓力依次擴散。

圖3 壓力云圖

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

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其他位置較大。隨著活塞的向上沖擊，低壓缸內的水體受沖擊推擠作用向上運動，同時由于缸體內外的巨大壓差作用，缸內的水體要通過根部的出水孔流出缸外，水體有一個向下運動的流動狀態(tài)。在活塞的推擠和缸內外壓差的綜合作用下，低壓缸內的水體就形成了圖4中所示的流動形式，從活塞端面先向上流動，到達缸體頂面附近后改變流向，隨主流向下進入根部出水孔，在缸內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動，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)類似的回轉流動。另外，由于低壓缸體結構設計時相鄰壁面垂直結合，在低壓缸內就形成了一些壁面端角，如缸體頂端的凸臺分別與頂面和空心柱塞的交角。水體在缸內流動時，由于受到壁面的阻流作用和流動區(qū)域的限制，在這些端角處就產生了流動渦旋，會卷吸周圍區(qū)域的流體，對主流產生一定的阻擾作用，不利于水流的快速泄出。

4 現(xiàn)場實驗效果

高壓脈動水錘裝置是一個循環(huán)工作的設備，具有周期性。通過高壓脈動水錘對煤層注水試驗，設置采集時間為6s，能采集到高壓脈動水錘裝置循環(huán)工作大約2個周期的數據，圖5所示為采集6s得到的曲線圖。

圖5 采集6s全數據曲線

實驗測得的壓力曲線與模擬所得到的結論基本吻合。

5 結論

(1)模擬發(fā)現(xiàn)10mm開度時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，相同時間內，其泄水量最多，泄水速度最快，缸內壓力最低，是3個開度下較理想的一種泄水狀態(tài)。

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

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

(4)沖擊過程中，低壓缸內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終值壓力時，內頂面處壓力變化出現(xiàn)一個較明顯的緩沖區(qū)段。這是由于活塞組件向上運動，活塞推擠低壓缸內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致的。

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