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钢丝绳罐道提升容器侧向气动压力模拟计算∗
2019-02-20
为研究钢丝绳罐道提升容器运行时井筒内气体压强变化规律, 求得提升容器侧向气 动压力,采用FLUENT 软件模拟提升容器在井筒中的运行过程和井筒内空气流场变化过程,得出了 井筒内压强具有在X 方向近似呈对称分布,在Y 方向随着箕斗运行剧烈变化的特点;箕斗相会前 受到偏向井壁方向的压力,相会过程中急剧变化,相会后压力恢复到相会之前的水平。研究表明: 计算空气流场引起的容器运行时的水平偏移应以稳态空气动力为主。该研究为计算侧向气动压力 引起的钢丝绳罐道提升容器的偏移量提供支撑,也为确定钢丝绳罐道提升容器的安全间隙提供了 一种新思路。
Serial No. 597 January. 2019 现ꢀ 代ꢀ 矿ꢀ 业 MODERN MINING 总第 597期 2019 年 1 月第 1 期 · 材料·装备· ∗ 钢丝绳罐道提升容器侧向气动压力模拟计算 徐长磊 中国恩菲工程技术有限公司) ( ꢀ ꢀ 摘ꢀ 要ꢀ 为研究钢丝绳罐道提升容器运行时井筒内气体压强变化规律, 求得提升容器侧向气 动压力,采用 FLUENT 软件模拟提升容器在井筒中的运行过程和井筒内空气流场变化过程,得出了 井筒内压强具有在 X 方向近似呈对称分布,在 Y 方向随着箕斗运行剧烈变化的特点;箕斗相会前 受到偏向井壁方向的压力,相会过程中急剧变化,相会后压力恢复到相会之前的水平。 研究表明: 计算空气流场引起的容器运行时的水平偏移应以稳态空气动力为主。 该研究为计算侧向气动压力 引起的钢丝绳罐道提升容器的偏移量提供支撑,也为确定钢丝绳罐道提升容器的安全间隙提供了 一种新思路。 关键词ꢀ 侧向气动压力ꢀ FLUENTꢀ 模拟计算ꢀ 稳态空气动力 DOI:10. 3969 / j. issn. 1674-6082. 2019. 01. 034 Simulation and Computing of Lateral Aerodynamic Force on Hoisted Container with Rope Guide Xu Changlei ( China ENFI Engineering Corporation) Abstractꢀ In order to study the distribution of air pressure in the shaft when the hoisted container with rope guide running , and get the lateral aerodynamic force, the process of hoisted container running in the shaft and the variation of air flow field are simulated by the computing software FLUENT. From the study, we can get that the air pressure distribution in X direction is approximately symmetrical, in Y di- rection changes intensely, and the force is inclined to sidewall before the ships meeting, changes intense- ly at meeting, and after meeting it returns to the state before meeting. Research shows that the steady aer- odynamic force is the main factor to calculate the lateral displacement caused by air flow. The research can support the calculation of lateral displacement caused by air flow, and give a new way to determine the safety clearance in rope-guided shaft. Keywordsꢀ Lateral aerodynamic force,FLUENT software,Simulation and computing,Steady aerody- namic force ꢀ ꢀ 竖井钢丝绳罐道提升容器的安全间隙关系到提 井井筒是一有限空间,井筒内提升容器所占据的空 间只是其一部分。 由于井壁的限制,提升容器运行 时排开的空气不能像在空旷的地方那样及时顺畅地 沿提升容器周围流动,也不像气缸中的空气全部被 活塞推动向前运动。 在提升容器运动过程中,容器 前方的空气被推动向前,产生活塞作用效应;容器后 方由于提升容器运行的诱导作用,产生诱导风流跟 随向前;井筒中提升容器周围的空气被推动和诱导 而随提升容器前进方向相对流动,这种气流的动力 学现象可称之为井筒提升容器的活塞效应。 升容器的运行安全。 研究运行容器的摆动规律及其 影响因素是确定其安全间隙的基础;容器运行产生 的侧向气动压力,是引起钢丝绳罐道提升容器摆动 的主要因素之一。 为研究井筒内提升容器的侧向气动压力,本研 [ 1] 究先引入井筒提升容器的活塞效应 的概念。 竖 ꢀ ꢀ ∗国家重点研发计划项目(编号:2016YFC0600801)。 徐长磊(1982—),男,高级工程师,100038 北京市复兴路 12 号。 1 42 ꢀ ꢀ 徐长磊:钢丝绳罐道提升容器侧向气动压力模拟计算ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2019 年 1 月第 1 期 提升容器高速升降运动产生的活塞效应,会造 的优化等。 (3)后处理器。 FLUENT 软件带有后处理功能, 成井筒内气流和气压的动态变化,气流和气压的变 化会在容器不同侧面产生动态变化的压力。 在各侧 面气动压力的作用下,提升设备会朝向压力较小的 一侧摆动。 同时还可借助于 ANSYS 软件包中的 CFD-post 软件 进行专业化的后处理。 2ꢀ FLUENT 模拟计算过程 提升容器在井筒中运行引起的流场问题属于瞬 态非稳定流场问题。 由于空气运动的复杂性,采用 传统流体力学理论计算难以求出提升容器侧向气动 压力。 目前,国内外对提升容器运行过程中井筒内 流场的变化的研究较少,为获取提升容器运行时井 筒内气体压强分布的变化,求得提升容器侧向气动 压力,本研究采用流体分析软件 FLUENT 模拟钢丝 绳罐道提升容器在井筒中的运行过程,模拟井筒内 空气流场变化,进而得到容器运行过程的侧向气动 压力分布,并对其特征、变化规律进行分析研究。 以某铁矿双箕斗井为模拟计算对象,井筒直径 6. 3 m,井筒深度 1 445 m,最大提升速度 18 m/ s。 3 井筒内配 30 m 双箕斗,箕斗高度约 15 m,斗箱截面 为 2. 6 m×1. 78 m,有效载荷 56 t,箕斗自重约 60 t。 提升系统采用钢丝绳罐道,6 根首绳,4 根尾绳,井底 设置重锤拉紧,罐道绳拉紧重锤质量 15 t。 井筒回 风速度 2 m/ s。 双箕斗井筒断面布置如图 1 所示。 1 ꢀ FLUENT 的主要特点和软件结构 FLUENT 软件是由美国 FLUENT 公司于 1983 年推出的 CFD 软件。 它是继 PHOENICS 软件之后 的第二个投放市场的基于有限体积法的软件。 用于 计算流体流动和热传导问题的程序,其设计基于 “ CFD 计算软件群的概念”,针对每一种流动的物理 问题的特点,采用适合于它的数值解法在计算速度、 稳定性和精度方面达到最佳。 FLUENT 提供的非结构网格生成程序对相对复 杂的几何结构网格生成非常有效,可以生成的网格 包括二维的三角形和四边形;三维的四面体、六面体 及混合网格。 FLUENT 还可根据计算结果调整网 格,这种网格的自适应能力对精确求解有较大梯度 的流场很有效。 它具有丰富的物理模型、先进的数 值方法和强大的前后处理功能。 目前 FLUENT 已被 集合在 ANSYS WORKBENCH 工作平台。 图 1ꢀ 井筒断面(单位:mm) 2 . 1ꢀ 建立几何模型 模拟的工况:不考虑流固耦合,仅分析箕斗在井 筒中运行时的空气流场。 因此,可将实际工况简化 为井筒内设置有上行和下行的 2 个箕斗,其余区域 充满空气,不考虑首绳、尾绳和罐道绳的影响。 为便于建立模型,根据箕斗实际外形轮廓对其 进行简化,由于首尾绳连接装置断面积较小且外形 复杂,模型仅考虑斗箱和框架部分的外形尺寸,建立 箕斗几何模型,见图 2。 FLUENT 软件结构主要包括前处理器、求解器 和后处理器 3 个部分。 ( 1)前处理器。 前处理器主要用来建立所要计 算问题的几何模型和网格划分。 在 FLUENT 早期版 本中,通常使用 GAMBIT 软件来完成几何模型的建 立和网格划分。 在 FLUENT 软件整合进 ANSYS 软 件包 之 后, 可 以 通 过 ANSYS 软 件 包 中 的 Design Modeler 软件来建立几何模型,通过 Meshing 软件进 行网格划分。 ( 2)求解器。 求解器是 FLUENT 软件模拟计算 的核心程序。 一旦网格被读入 FLUENT,剩下的任 务就是使用求解器进行计算了,其中包括边界条件 的设定、流体物理力学参数的设定、解的执行、网格 图 2ꢀ 箕斗几何模型 1 43 总第 597 期 现代矿业 2019 年 1 月第 1 期 应用参考文献[2-4]中的相关研究成果:在箕斗 运行过程中,两箕斗相会前和相会后,上行和下行箕 斗的周围是一个稳定变化的流场;只在两箕斗相会 时,其周围空气流场发生剧烈变化。 据此,取长度 (4)物理模型设定。 选择 K-ε 湍流模型,模型 输入参数见表 1。 表 1ꢀ 湍流模型输入参数 水力半径 m 流体速度 / (m/ s) 雷诺数 7. 403×105 湍流动能 动能耗散率 0. 005 3 0. 000 14 / 2 00 m 的一段井筒建立计算模型,模型计算范围如 6 . 3 2 图 3 所示。 图中箕斗 1 上行,箕斗 1 底端距计算模 型底端 20 m,箕斗 2 下行,箕斗 2 顶端距计算模型 顶端 20 m,井筒内回风速度 2 m/ s,风流方向从井筒 底部至井筒顶部。 在此模型中箕斗 1 上行为顺风箕 斗,箕斗 2 下行为逆风箕斗。 ꢀ ꢀ (5) 材料性质设定。 选择空气,空气物理参数 定义见表 2。 表 2ꢀ 空气物理性参数 3 温度 / ℃ 压强 / Pa 101 325 黏度/ (Pa·s) 密度/ (kg/ m ) ꢁ 5 15 1. 789×10 1. 225 ꢀ ꢀ (6) 边界条件设定。 井筒下口设定为速度入 口,风速 2 m/ s;井筒上口设定为压力出口;井壁和 箕斗均设定壁面条件,粗糙度 0. 02。 ( 解器。 ( 7)求解控制参数设定。 选用 SIMPLE 分离求 8)初始条设定。 定义全局初始条件,Compute from 栏选择井筒下口,初始速度 2 m/ s。 ( ( 9)初始化计算,设置迭代次数为 500。 10) 初始化计算完成后,重新设置求解器,选 择 Transient 时间类型。 图 3ꢀ 计算模型尺寸 (11) 建立并读入 Profile 文件,定义 cage1 和 cage2 的运动方式。 2 . 2ꢀ 划分几何模型网格 采用四面体单元对井筒内箕斗模型以外的区域 (12) 设 置 动 网 格。 设 置 动 网 格 参 数, 选 择 Smoothing 和 Remeshing 选项卡; 设置动网格区域 cage1 和 cage2。 划分网格,共生成 1 581 330 个四面体单元,FLUENT 计算模型见图 4。 ( 13)设置 X、Y、Z 3 个方向的箕斗 1 和箕斗 2 输出压力文件。 ( 14)求解计算。 设置 time step size 为 0. 002 s, 共 3 500 个时间步。 本次计算共用时约 100 h。 3 ꢀ 模拟计算结果分析 3 . 1ꢀ 箕斗运行过程中井筒内流场变化和压强分布 选取 t=2 s 时井筒内的流场变化进行分析,此 时两箕斗相距 94 m。 图 5 是 t=2 s 时沿井筒 Y 轴的 纵剖面压强分布图,图 6 是 t = 2 s 时+65 m 井筒横 截面压强分布图,图 7 是 t = 2 s 时+135 m 井筒横截 面压强分布图。 由图 5 ~ 图 7 可知,箕斗相会前,井 筒内箕斗 1 的顶端区域压强为正值(大于标准大气 压),箕斗 1 的侧面区域和底端区域压强均为负值 图 4ꢀ FLUENT 计算模型 2 . 3ꢀ FLUENT 动网格求解计算 ( 1)启动 FLUENT,选用 3D 模式导入模型网 格。 ( 小于标准大气压);箕斗 2 的底端区域压强为为正 ( 2)设置求解器。 选用 Pressure-Based 求解器, 值,箕斗 2 的侧面区域和顶端区域压强均为负值;且 井筒内压强分布是关于 Y 轴大致是对称的。 选择 Steady 时间类型,速度方程选择 Absolute。 3 ) 操 作 条 件 设 置。 操 作 压 强 缺 省 值 为 101 325 Pa。 44 ( 1 ꢀ ꢀ 徐长磊:钢丝绳罐道提升容器侧向气动压力模拟计算ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2019 年 1 月第 1 期 图 5ꢀ 箕斗相会前井筒纵剖面压强云图 图 9ꢀ 4. 0 s 时井筒内+95 m 横截面压强云图 图 6ꢀ 2 s 时井筒内+65 m 横截面压强云图 图 10ꢀ 4. 0 s 时井筒内+105 m 横截面压强云图 3 . 2ꢀ 箕斗侧向气动压力输出数据分析 计算过程可输出箕斗 X、Y、Z 3 个方向的侧向 气动压力值。 图 11 是上行箕斗(cage1)在运行过程中沿 Y 轴 方向的水平压力图。 从压力图可知 Y 轴方向的水 平压力具有如下特征:①容器相会之前(0 ~ 3. 5 s), Y 方向水平力变化不大,从开始时的接近 600 N 逐 渐减小到约 350 N,然后稳定在 350 N 上下波动;② 容器相会过程中(3. 5 ~ 4. 5 s),Y 方向水平力出现 剧烈变化,从 350 N 迅速增大到约 1 900 N,然后又 迅速减小至 0,直至力的方向由正转负,反向力峰值 为约ꢁ1 300 N,然后水平力又迅速回归至相会之前 的状态,呈现明显的波峰波谷变化规律;③容器相会 之后,Y 方向水平力快速恢复到约 300 N,并在此数 值上下波动。 图 7ꢀ 2 s 时井筒内+135 m 横截面压强云图 选取 t=4 s 时井筒内的流场变化进行分析,此 时两箕斗已相会。 图 8 是沿井筒 Y 轴的纵剖面流场 图,图 9 是 + 95 m 井 筒 横 截 面 流 场 图, 图 10 是+105 m 井筒横截面流场图。 由图 8 ~ 图 10 可 知,箕斗相会时,箕斗 1 和 2 不同截面上压强变化较 大,且井筒内压强分布是关于 Y 轴大致是对称的。 图 8ꢀ 箕斗相遇时井筒纵剖面压强云图 以上对压强云图分析表明:X 方向的压强分布 近似对称分布,Y 方向的压强分布随着箕斗运行而 剧烈变化。 图 11ꢀ cage1Y 轴方向水平压力(顺风) 图 12 是下行箕斗(cage2)在运行过程中沿 Y 轴 方向的水平压力图。 从压力图可知 Y 轴方向的水 平压力具有如下特征:①容器相会之前(0 ~ 3. 5 s), 1 45 总第 597 期 现代矿业 2019 年 1 月第 1 期 Y 方向水平力变化不大,从开始时的接近ꢁ800 N 逐 渐减小到约ꢁ450 N,然后稳定在ꢁ450 N 上下波动; 空气动力对容器的侧向力按作用状态分为容器正常 运行时的稳态空气动力 FA(Steady state aerodynamic force) 和 空 气 冲 击 动 力 FB ( Aerodynamic buffeting ② 容器相会过程中(3. 5 ~ 4. 5 s),Y 方向水平力出 [ 5-6] 现剧烈变化,从ꢁ450 N 迅速增大到约ꢁ1 500 N,然 后又迅速减小至 0,直至力的方向由负转正,反向力 峰值为约 600 N,然后水平力又迅速回归至相会之 前的状态,呈现明显的波峰波谷变化规律;③容器相 会之后,Y 方向水平力快速恢复到约ꢁ400 N,并在此 数值上下波动。 force) 。 在箕斗运行过程中,箕斗相会前和相会后箕斗 运行时所受的侧向空气动力即属于稳态空气动力 FA ,该力在箕斗相会前、后变化不大;箕斗相会时所 受的空气动力即属于空气冲击动力 FB ,其在箕斗相 会过程中发生急剧变化。 空气冲击动力 FB 较稳态 空气动力 FA 大,但由于 FB 作用时间很短,且容器 相会过程中还会出现空气冲击动力的反向作用,对 容器水平偏移的影响小,研究表明因 FB 影响产生 的偏移为 2 ~ 5 mm,因而,研究空气流场引起的容器 运行中的偏移应以 FA 为主。 5 ꢀ 结ꢀ 语 图 12ꢀ cage2Y 轴方向水平压力(迎风) 综合研究图 11 和图 12 发现,两箕斗 Y 向水平 受力具有相同特征,相会之前均表现为受到偏向井 壁方向的压力,相会过程中有短暂的剧烈变化,相会 之后又恢复到相会之前的水平。 顺风的箕斗比迎风 的箕斗受到的 Y 方向水平力稍小,这是因为顺风箕 斗与风流的相对速度小于迎风箕斗与风流的相对速 度。 引起提升容器水平摆动的因素有多种,侧向气 动压力是主要因素之一。 它对确定提升容器以钢丝 绳罐道导向运行时的安全间隙至关重要。 空气流场对提升容器的侧向力可分为稳态空气 动力 FA 和空气冲击动力 FB ,研究空气流场引起的 容器运行中的水平偏移宜以稳态空气动力 FA 为 主。 通过该研究,可为计算侧向气动压力引起的柔 性罐道提升容器的偏移量提供支撑;同时也为确定 钢丝绳罐道提升容器的安全间隙提供了一种新思 路。 对于 X 方向的水平力,其变化规律与 Y 轴方向 水平力相同,也是在箕斗相会过程中呈现明显的波 峰波谷变化。 只是由于井筒的对称布置,井筒内压 强分布是关于 Y 轴基本对称的(见井筒内的压强云 图 5 ~ 图 10),X 方向水平压力较小,箕斗相会之前 和相会之后均为约 50 N。 参ꢀ 考ꢀ 文ꢀ 献 [ [ 1]ꢀ 王海桥,田ꢀ 峰,施式亮,等. 矿井井筒提升容器活塞风效应分 析及计算[J]. 湖南科技大学学报( 自然科学版),2007(9):1- 对于 Z 方向的压力,由于其不影响箕斗的水平 偏移,且相对于箕斗所受的提升钢丝绳的拉力,气流 在 Z 方向对箕斗的压力可以忽略,故本文对此力不 做深入探讨。 简单说明如下:箕斗在 Z 方向所受的 压力在容器相会过程中无明显波峰波谷变化规律; 在箕斗相会过程中,其压力幅值降低明显。 4. 2]ꢀ 王ꢀ 峰,赵耀华,胡定科. 地铁隧道活塞风的简化计算[J]. 铁 道建筑,2012(5):41-43. [3]ꢀ 王海桥,田ꢀ 峰,黄俊歆,等. 矿井井筒提升设备绕流的数值模 拟[J]. 中国安全科学学报,2006(9):29-33. [ [ [ 4]ꢀ 胡鹏华,张以虎,李先杰,等. 铀矿井罐笼提升竖井活塞风效应 影响分析[J]. 铀矿冶,2013,32(4):195-199. 4 ꢀ 气动压力的特点和分类探讨 5]ꢀ KRIGE G J. Guidelines for the design of rope guides[C]∥Perth, WA:Hoist and Haul Conference,2005:275-283. 通过分析本文模拟计算结果,并结合国内外有 关研究成果可结论如下:空气动力对井筒内提升容 器的作用根据作用方向的不同可分为竖向力和侧向 力;竖向力(Z 方向的压力)与提升钢丝绳的拉力相 差很大,对容器水平位移的影响很小,可不予考虑; 6]ꢀ GREENWAY M E. Lateral stiffness and deflection of vertical ropes with application to mine shaft hoisting[ J]. Australian Journal of Mechanical Engineering,2007,5(1):59-69. ( 收稿日期 2018-10-09ꢀ 责任编辑ꢀ 徐志宏) 1 46
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