屈小兵

(潞安集團(tuán) 東盛煤業(yè)有限公司，山西 沁源 046500)

乳化液在礦井綜采電氣設(shè)備中始終擔(dān)當(dāng)高壓液動(dòng)系統(tǒng)血液的角色，其濃度的精準(zhǔn)直接決定了乳化液泵的使用壽命，并且直接影響了其他供液設(shè)備的工作狀態(tài)[1]。然而在井下環(huán)境中，常常伴隨著煤塵、碎渣、箱體殘留焊接物、膠管脫落物以及鐵屑等各種管路雜質(zhì)混雜在回路中，長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行高壓供液難免會(huì)使得部分雜質(zhì)附著在藍(lán)寶石感光元件表面。因此，只有確保濃度傳感器長(zhǎng)時(shí)間保持潔凈，避免雜質(zhì)長(zhǎng)時(shí)間或永久性的損傷感光元件，才能夠提高設(shè)備的使用壽命，降低配件更換的頻率，高效推進(jìn)礦井生產(chǎn)[2]。

1 濃度傳感器作用原理

濃度傳感器是乳化液泵回路中的一個(gè)組成部分，安裝于箱體內(nèi)壁一側(cè)?；驹頌椴捎霉鈱W(xué)發(fā)射與折射的方式，使傳感器內(nèi)的感光元件與液體直接接觸，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)乳化液濃度的監(jiān)測(cè)。然而乳化液中常含有雜質(zhì)，會(huì)對(duì)感光元件造成劃割，并附著在其表面，大大降低了其靈敏度與準(zhǔn)確性。因此，應(yīng)當(dāng)對(duì)感光元件設(shè)置防護(hù)罩，對(duì)回液中的雜質(zhì)進(jìn)行過(guò)濾，起到保護(hù)作用[3-5]。

如圖1所示，傳感器通過(guò)管夾固定在安裝座上，并且在回路進(jìn)液側(cè)設(shè)置了保護(hù)罩。保護(hù)罩與傳感器安裝座無(wú)縫焊死，乳化液通過(guò)側(cè)面的圓孔與感光元件進(jìn)行接觸。此外，在保護(hù)罩內(nèi)裝備了回復(fù)彈簧以及箱壁堵件，其作用是當(dāng)更換或檢修傳感器時(shí)，彈簧力減小開(kāi)孔面積，隔檔回液。

圖1 濃度傳感器的各組成部件

感光元件是傳感器濃度測(cè)量中的主要元件，乳化液由保護(hù)罩開(kāi)孔與感光元件進(jìn)行接觸。而開(kāi)孔的形狀與大小直接決定了乳化液特性，開(kāi)孔過(guò)大，則通過(guò)的雜質(zhì)過(guò)多，對(duì)感光元件損壞較大；開(kāi)孔過(guò)小，則無(wú)法滿足適應(yīng)溶液高壓、高速的特性[6]。此外，乳化液在攪拌過(guò)程中，箱體內(nèi)各處湍流速度不同，并且通過(guò)感光元件乳化液的沖刷效果也不同；改變濃度傳感器的安裝位置，也會(huì)直接決定改變感光元件的沖刷效果[7]。為了確定最佳的傳感器安裝位置以及保護(hù)張開(kāi)口形式，分析感光元件的清洗效果，采用FLUENT仿真對(duì)攪拌器模擬流場(chǎng)。

2 濃度傳感器位置的FLUENT仿真過(guò)程

2.1 模型建立

本次仿真采用Solidworks建立三維立體模型，并采用Gambit對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。模型尺寸為長(zhǎng)×寬×高=3 400 mm×1 400 mm×1 300 mm，模型中采用開(kāi)式45°渦輪攪拌器，安裝在距離底座250 mm的位置， 模型與實(shí)際安裝位置與長(zhǎng)度按照1∶1布置。網(wǎng)格劃分時(shí)對(duì)于螺旋槳與濃度傳感器等復(fù)雜的部件進(jìn)行非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，剩余整體區(qū)域采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，如圖2所示。

圖2 FLUENT三維立體仿真模型

將三維立體仿真模型倒入FLUENT模塊進(jìn)行模擬計(jì)算，采用原理為壓力分離式原理求解，計(jì)算模型以k-ε為準(zhǔn)[8]。初始條件為：ME25-5乳化油與水的混合物，濃度為3%；動(dòng)區(qū)域邊界條件為120 rpm逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)流動(dòng)的乳化液，靜區(qū)域邊界條件為0 rpm；箱壁邊界為固定邊界，即為Wall邊界。

2.2 模型計(jì)算與分析

通過(guò)改變濃度傳感器的安裝位置，三種安裝位置如圖3所示。利用Tecplot求解各項(xiàng)參數(shù)滿足收斂條件下的動(dòng)壓云圖與速度云圖，如圖4所示。

圖3 傳感器的三種安裝位置(mm)

圖4 三種不同安裝位置下的動(dòng)壓與速度云圖

由圖4可知：位置1時(shí)，保護(hù)罩內(nèi)的乳化液按照從上至下的流動(dòng)形式循環(huán)流動(dòng)，此時(shí)感光元件的流速約為0.3 m/s，動(dòng)壓30 Pa，漿葉帶動(dòng)液體進(jìn)行軸向和切向流動(dòng)，其中切向流體直接流經(jīng)傳感器進(jìn)行清洗，而中心漿也會(huì)帶動(dòng)液體由中心射出一部分流體沖洗傳感器，循環(huán)系統(tǒng)較好。位置2與位置3時(shí)，傳感器所處位置的流體流動(dòng)性較差，動(dòng)壓與流速幾乎為零，其原因是：處于位置2時(shí)流體在碰壁之后，軸向與切向流都產(chǎn)生了繞保護(hù)罩的循環(huán)流動(dòng)，罩內(nèi)未形成內(nèi)循環(huán)，位置3時(shí)，攪拌器旋轉(zhuǎn)使流體由右向左流經(jīng)保護(hù)罩，罩內(nèi)只有一小部分液體流經(jīng)感光元件，循環(huán)性較差。由此可見(jiàn)當(dāng)傳感器安裝在位置1時(shí)，感光元件的清洗效果較強(qiáng)。

3 堵件開(kāi)孔的FLUENT仿真過(guò)程

堵件的開(kāi)孔形式與大小直接影響了藍(lán)寶石感光元件處乳化液的流動(dòng)狀況，設(shè)計(jì)圖5所示的三種開(kāi)孔形式，并對(duì)其進(jìn)行仿真計(jì)算。

圖5 小孔、長(zhǎng)孔與大孔三種不同開(kāi)孔形式

將收斂結(jié)構(gòu)導(dǎo)入FLUNET計(jì)算求解，得到三種開(kāi)孔形式下的動(dòng)壓與速度云圖，如圖6所示。

圖6 三種開(kāi)孔方式下流體的壓力與速度云圖

由圖6可知：三種開(kāi)孔形式下的流體運(yùn)動(dòng)形式近似相同，都屬于自上而下的循環(huán)式流動(dòng)。相比較而言，小孔處流體流動(dòng)效果最弱，僅在罩內(nèi)下側(cè)存在較小的流速；當(dāng)堵件以大孔布置時(shí)，流速為三者中最大，且能夠形成上下貫通的循環(huán)流動(dòng)；長(zhǎng)開(kāi)孔布置時(shí)，流速與動(dòng)壓大小都介于前兩者之間。但是在分析開(kāi)孔方式時(shí)，應(yīng)當(dāng)考慮乳化液中存在雜質(zhì)的可能，開(kāi)孔過(guò)大，動(dòng)壓與流速較大，會(huì)使得煤粒與鐵屑等雜質(zhì)劃傷感光元件，并降低雜質(zhì)的沉降效果。因此，選取長(zhǎng)開(kāi)孔形式設(shè)計(jì)堵件能夠充分發(fā)揮保護(hù)罩的作用，起到阻擋雜質(zhì)沖擊感光元件的作用，并且確保保護(hù)罩內(nèi)存在足夠的流速與動(dòng)壓，實(shí)現(xiàn)對(duì)保護(hù)罩的清洗。

4 結(jié) 語(yǔ)

1) 通過(guò)對(duì)傳感器不同安裝位置進(jìn)行FLUENT仿真，得到了三組速度云圖與動(dòng)壓云圖。對(duì)比三組云圖可以得出，當(dāng)濃度傳感器安裝在攪拌器偏左的位置時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)乳化液的循環(huán)流動(dòng)，更好地實(shí)現(xiàn)對(duì)感光元件的清洗。

2) 通過(guò)對(duì)不同開(kāi)孔形式進(jìn)行FLUENT仿真，得到了三種云圖與動(dòng)壓云圖。對(duì)比三組圖可以得出，小孔布置時(shí)，乳化液流速與動(dòng)壓最低，清洗效果最差；大孔布置時(shí)，雖然動(dòng)壓與 速度最大，但通過(guò)大孔的雜質(zhì)在較大的動(dòng)壓作用下會(huì)加大對(duì)感光元件的磨損。因此選取長(zhǎng)開(kāi)孔布置，既滿足乳化液流動(dòng)時(shí)的速度與動(dòng)壓等條件，又能減小未過(guò)濾雜質(zhì)對(duì)感光元件部位的磨損，沖洗效果最好。