吳金濤

(中煤科工集團(tuán)西安研究院，陜西 西安 710077)

0 引言

采空區(qū)煤自燃是我國礦井火災(zāi)主要形式之一，嚴(yán)重影響煤礦安全生產(chǎn)[1]。隨著采礦技術(shù)不斷發(fā)展，采空區(qū)防滅火理論和技術(shù)也分別取得了長足進(jìn)步，當(dāng)前我國煤礦采空區(qū)防滅火技術(shù)主要有密閉控制法、灌注高分子膠體、注入液態(tài)CO2/氮氣、注水漿等。然而我國煤礦開采自然條件復(fù)雜，煤炭自燃防治還面臨一些困難，特別是大范圍采空區(qū)或巷道高冒火災(zāi)、采空區(qū)隱蔽火源及高位火源、綜放開采煤自燃防治難度大，上述方法難以取得較明顯的效果。

針對上述煤炭自燃防治難題，中國礦業(yè)大學(xué)[2]秦波濤等人在現(xiàn)有注漿、注氮氣防滅火技術(shù)基礎(chǔ)上于2008年提出了三相泡沫防滅火理論與技術(shù)。秦波濤、王德明[3]等研制了專門用于不均質(zhì)固體顆粒發(fā)泡的三相泡沫發(fā)泡器，模擬了發(fā)泡器內(nèi)不同入口速度下泥漿流速和管內(nèi)靜壓的分布，得到了形成兩相泡沫的條件主要有入口速度、壓力分布和流速。梁為、蔣蓉[4]利用兩相泡沫發(fā)生器解決了煤層瓦斯壓力測定中封孔的技術(shù)難題。奚志林、王德明[5]運用計算流體力學(xué)軟件對兩相泡沫在多孔介質(zhì)中滲流的各種參數(shù)進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究兩相泡沫在采空區(qū)中的滲流特性，證明了兩相泡沫在采空區(qū)運移過程中具有很強的堆積和擴散特性。但是，目前對于兩相泡沫不同粘度及入口速度下兩相泡沫在管內(nèi)的流動變化規(guī)律特性尚未研究。

文中利用流體力學(xué)建立新型發(fā)泡裝置的數(shù)學(xué)模型并確定相關(guān)邊界條件和初始條件，采用FLUENT研究了發(fā)泡防火裝置的流動特性和變化規(guī)律，數(shù)值模擬結(jié)果對于煤自燃防治研究具有一定指導(dǎo)意義。

1 數(shù)學(xué)模型

不同相之間的混合方法對泡沫的均勻性和分散度有重要影響?；旌系馁|(zhì)量取決于兩相泡沫發(fā)泡器的構(gòu)造和形成的泡沫流體的流動模式，氣體與液相接觸表面的面積對發(fā)泡過程非常重要。根據(jù)雷諾式和邊界層的理論，結(jié)合守恒方程推導(dǎo)如下。

(1)

(2)

(3)

當(dāng)沿著混合區(qū)域斷面積分時，可得到發(fā)泡器中主要的混合噴射的積分公式。

(4)

(5)

(6)

式中I0、M0、Q0分別為在斷面x=0處的流量、運動的動量和混合物濃度的初始值；u、w分別為軸向和切向的速度分量；p、ρ、c分別為混合物的壓力、半徑、密度和濃度；τW為切向應(yīng)力。

(7)

式中，Cfr為摩擦系數(shù)。

當(dāng)邊界層是氣態(tài)時，邊界層具有較小的摩擦阻力，且當(dāng)混合流體在擴散管內(nèi)呈現(xiàn)強烈的紊動渦流流態(tài)時，表明了結(jié)構(gòu)設(shè)計成功。在這種強烈的質(zhì)量與能量的交換過程中，氣體噴射與液體噴射相互融合，這就產(chǎn)生了大量均質(zhì)兩相泡沫。

2 數(shù)值模型、邊界條件與參數(shù)

2.1 物理模型及網(wǎng)格劃分

根據(jù)實際情況，采用ANSYS workbench進(jìn)行建模，所設(shè)計發(fā)泡裝置參數(shù)分別為：直徑250 mm，一級發(fā)泡裝置長350 mm，二級發(fā)泡裝置長250 mm，一級發(fā)泡裝置與二級發(fā)泡裝置之間的傾斜角為60°，進(jìn)氣口錐形頭與發(fā)泡室的夾角為150°，壁厚為2 mm，詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計思路見文獻(xiàn)[8]。由于整個裝置中心對稱，并且裝置材質(zhì)均勻，在建立模型時排除一些影響較小的因素，簡化成兩級發(fā)泡裝置，包括兩個進(jìn)氣口，一個進(jìn)液口，一個出氣口，物理模型如圖1所示。

圖1 物理模型

由于發(fā)泡裝置為對稱結(jié)構(gòu)，采用四面體網(wǎng)格且局部加密，網(wǎng)格尺寸為0.0002 m，共有11 766個單元，49 278個網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖2所示。

2.2 參數(shù)設(shè)置

材料設(shè)置：由于Fluent Database中沒有所定義材料名稱，根據(jù)材料的流體力學(xué)性質(zhì)及混合比例確定制成阻化泡沫后的相關(guān)參數(shù)，兩種材料流體參數(shù)見表1。

模型定義：設(shè)彎管管道內(nèi)部為流體區(qū)域，漿液以流體形式存在，選用Fluent中k-ε湍流模型，Turbulent Intensity為5%，Hydraulic Diameter為0.015。

表1 流體材料參數(shù)

圖2 網(wǎng)格劃分

邊界條件及約束：模擬計算采用分離求解器，選取混合模型中的空化模型，即基于輸運方程的空化模型，并取水的氣化壓強為3 362 Pa，單位體積非溶解氣體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5×10-5，水的表面張力為0.071 7 N/m。壓力速度耦合方式選用SIMPLE算法，進(jìn)、出口條件如下：

(1)壓力入口，針對本文所需要模擬的不同工況，結(jié)合流量求解出6種不同工況見表2。

表2 各工況初始條件參數(shù)

(2)自由出口，根據(jù)發(fā)泡材料裝置出口特性，設(shè)置為自由出口。

(3)壁面邊界，管內(nèi)流體與管壁的接觸處，流體采用無滑移流動。

3 模擬結(jié)果分析

3.1 壓力場

采用ANSYS軟件中CFD模塊模擬了不同入口速度情況下文丘里管內(nèi)壓強、速度云圖，對稱面壓力場、流場分別如圖3、圖4所示。

a-工況1；b-工況2；c-工況3；d-工況4；e-工況5；f-工況6圖3 不同工況下發(fā)泡內(nèi)壓力場分布特性

從圖3可以看出：6種不同工況下的管道內(nèi)壓力分布趨勢大致相同。經(jīng)過射流比例混合器內(nèi)部形成負(fù)壓將膠體阻化液在泡室內(nèi)利用氮氣進(jìn)行發(fā)泡。在一級發(fā)泡室負(fù)壓狀態(tài)下，被吸入的阻化液與氮氣充分混合后，一級發(fā)泡室壓力迅速增大至峰值。隨著進(jìn)氣口2的氮氣進(jìn)入二級發(fā)泡室，二級發(fā)泡室壓力迅速增大，但當(dāng)發(fā)泡室達(dá)最終混合液混合均勻狀態(tài)時，二級發(fā)泡室壓力峰值僅為一級發(fā)泡室壓力峰值3/4，因為當(dāng)混合液經(jīng)一級發(fā)泡室吸入二級發(fā)泡室后，隨著截面積減小，液流速度增大，壓力能逐漸轉(zhuǎn)化為動能，從而導(dǎo)致壓力減小。喉部因液流中強烈的湍流脈動而產(chǎn)生較大的摩阻損失；沿流動方向，隨著距離的增大，摩阻損失逐漸增大，從而壓力減小，至喉部出口處壓力減至最低水平；而壓力最低點則出現(xiàn)在文丘里管的物面最小壓力點附近，即喉部出口縮頸處附近。進(jìn)入二級發(fā)泡室后，隨著流動空間的擴張，截面積增大，液流的動能轉(zhuǎn)化成壓力能，從而使得壓力逐漸增大。隨著入口壓力的增大，各工況下的峰值壓力及出口壓力均逐漸增大。由于隨著入口壓力的增大，入口段泡沫動能較大，動能轉(zhuǎn)化成壓力能也較大。裝置內(nèi)壓力出口值及壓力峰值如圖4所示。

從圖4可以看出：隨著入口壓力增大，壓力峰值及出口壓力成線性增加，但峰值壓力增幅大于出口壓力增幅，這是由于負(fù)壓狀態(tài)發(fā)泡室造成了發(fā)泡液的動能損失，從而導(dǎo)致較大壓力損失。

圖4 各工況下壓力峰值及出口壓力

3.2 速度

各工況下發(fā)泡裝置內(nèi)速度云圖如圖5所示。

a-工況1；b-工況2；c-工況3；d-工況4；e-工況5；f-工況6圖5 不同工況下文丘里管內(nèi)流場分布特性

從圖5可以看出：6種不同工況下的管道內(nèi)速度分布規(guī)律大致相同。在一級發(fā)泡室負(fù)壓狀態(tài)下，被吸入的阻化液與氮氣充分混合后，一級發(fā)泡室速度迅速增大至峰值。隨著進(jìn)氣口2的氮氣進(jìn)入二級發(fā)泡室，二級發(fā)泡室壓力迅速增大，但當(dāng)發(fā)泡室達(dá)最終混合液混合均勻狀態(tài)時，二級發(fā)泡室速度峰值約為一級發(fā)泡室速度峰值的4/3倍，因為當(dāng)混合液經(jīng)一級發(fā)泡室吸入二級發(fā)泡室后，隨著截面積減小，液流速度增大，壓力能逐漸轉(zhuǎn)化為動能，從而導(dǎo)致壓力減小，速度增大。喉部因液流中強烈的湍流脈動而產(chǎn)生較大的摩阻損失；沿流動方向，隨著距離的增大，摩阻損失逐漸增大，從而壓力減小，至喉部出口處壓力減至最低水平；而壓力最低點則出現(xiàn)在文丘里管的物面最小壓力點附近，即喉部出口縮頸處附近。進(jìn)入發(fā)泡室以后，隨著流動空間的擴張，截面積增大，液流的動能轉(zhuǎn)化成壓力能，從而使得壓力逐漸增大。隨著入口壓力的增大，各工況下的峰值壓力及出口壓力均逐漸增大。由于隨著入口壓力的增大，入口段泡沫動能較大，動能轉(zhuǎn)化成壓力能也較大。發(fā)泡裝置速度出口值及速度峰值，如圖6所示。

圖6 各工況下速度峰值及出口速度

從圖6可以看出：隨著入口壓力增大，速度峰值及出口速度成線性增加，二者增幅基本一致，這是由于負(fù)壓狀態(tài)發(fā)泡室造成了發(fā)泡液的動能損失。收縮段和喉部速度沿流動方向逐漸減小直至喉部出口處；喉部出口處是轉(zhuǎn)折處，進(jìn)入擴張段后，速度沿流動方向逐漸增大。

根據(jù)由發(fā)泡裝置內(nèi)的壓力云圖和速度云圖，氮氣進(jìn)入發(fā)泡裝置后壓力和速度都降低，存在一定的壓力損失和速度損失；但并非速度越大，發(fā)泡效果越好，氮氣速度越大，會使膠體阻化泡沫破碎，進(jìn)而影響發(fā)泡效果，結(jié)合模擬結(jié)果可知，當(dāng)?shù)獨馀c膠體阻化液進(jìn)入一級發(fā)泡裝置后，入口處壓力增加，但增幅較小，由于氮氣和高分子膠體阻化液初始混合，壓力會有一定的疊加，當(dāng)混合均勻后，開始發(fā)泡，此時壓力基本保持不變，在進(jìn)入二級發(fā)泡裝置前，由于氮氣和高分子膠體阻化液已經(jīng)充分發(fā)泡，形成泡沫，此時壓力基本不變，進(jìn)入二級發(fā)泡裝置后，氮氣作為輸送動力，從氮氣進(jìn)口進(jìn)入，此時二級發(fā)泡裝置內(nèi)基本上全是泡沫，因此二級發(fā)泡裝置內(nèi)的壓力要小于一級發(fā)泡裝置內(nèi)的壓力，氮氣輸送泡沫到出口處，由于管路突然變小，壓力也隨之減小，從圖中可以看出，壓力損失在36%左右。

根據(jù)經(jīng)驗要求，如要使得在發(fā)泡裝置產(chǎn)生的泡沫高效輸送到采空區(qū)，需要保證出口壓力達(dá)到0.2 MPa。按照這個要求結(jié)合井下氮氣管路的實際壓力情況，工況6滿足現(xiàn)場防滅火需要。

4 結(jié)論

(1)防滅火兩相泡沫發(fā)生器內(nèi)入口壓力對于能否產(chǎn)生兩相泡沫至關(guān)重要，因此也關(guān)系著防滅火的效果和效率。

(2)建立了發(fā)泡裝置內(nèi)兩相泡沫流動特性數(shù)學(xué)模型，利用Fluent建立了發(fā)泡裝置數(shù)值模型并進(jìn)行模擬分析。得到了發(fā)泡裝置內(nèi)比較真實的壓力和速度分布規(guī)律。

(3)隨著入口壓力的增大，壓力峰值和出口壓力均呈線性增加，壓力峰值增幅大于出口壓力增幅，壓力損失約為36%；速度峰值與出口速度呈線性增加，增幅基本一致。

(4)通過CFD流體力學(xué)軟件模擬兩相泡沫發(fā)泡器內(nèi)不同入口速度下泥漿的流速和管內(nèi)靜壓的分布狀況，得出工況6，即當(dāng)氣體入口壓力0.7 MPa，液體入口壓力0.3 MPa時，發(fā)泡裝置滿足井下防滅火需要。