不稳定破碎（共3篇）
不稳定破碎 篇1
以高压气体作为动力源推动其他物质高速喷出管外的现象在军用和民用领域都十分普及。研究表明, 当液滴的尺寸达到一定量级时, 其作用效果能显著提高。对脉冲防暴水炮而言, 将刺激剂分散为小的液滴 (如40 μm) , 不仅能够节约刺激剂的使用量, 减少对环境的污染, 而且小液滴能够对人体皮肤、呼吸道等产生比大液滴强烈得多的效果。但液体在高速气流中的雾化破碎极其复杂, 还没有任何一种模型能够适用于所有的雾化破碎过程。计算机硬件和计算流体力学的发展为用数值模拟的方法研究液体雾化破碎创造了条件。利用CFD技术进行数值模拟, 能够减少实验投入, 缩短开发周期, 且能够将结果可视化, 直接得到图像和数据, 便于分析。笔者利用CFD软件包中的开源计算流体力学软件Open FOAM对脉冲防暴水炮气液两相流进行了二维模拟, 采用大涡模拟 (LES) 方法模拟湍流, VOF方法捕捉气液界面, 用K-H和R-T不稳定性理论建立数学模型来描述水炮的一次破碎和二次破碎, 表明水弹在高速气流中破碎是由于气液界面间液体表面增长最迅速的不稳定波所引起的。
1 计算模型
1.1 几何模型
脉冲防暴水炮通过开启电磁阀释放高压气体, 将静态液体喷射到大气环境中, 笔者进行数值模拟采用的某型脉冲防暴水炮的二维模型如图1所示。为简单起见, 不考虑电磁阀的影响, 直接简化成一段圆柱。根据实验观察的喷雾形状, 为减少计算网格, 大气环境设置成梯形。
1.2 控制方程
假设两相流体互不相溶, 流体不可压缩, 则密度为常数。二维轴对称问题的连续性方程见式 (1) :
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式中:u为轴向速度分量;v为径向速度分量。
对于二维轴对称几何外形, 轴向和径向上的动量方程式见式 (2) :
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式中:ρ为密度;P为静压;μ为动力粘度;w为旋涡速度;Fx, Fy为作用在流体控制体的体力在轴向x和径向y上的分力;undefined见式 (3) :
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1.3 计算方法
作为一种细观模拟手段, 大涡模拟 (large-eddy Simulation, LES) 像一张筛子, 在计算时, 可以有效地滤掉比过滤网格小的漩涡, 从而得到大涡的动量方程。对流动的大尺度涡进行直接求解, 对近似各向同性的小尺度涡采用一个亚格子 (sub-grid scale, SGS) 模型进行模拟, 所给出流动信息的准确与丰富程度仅次于直接数值模拟 (direct numerical simulation, DNS) , 是研究湍流拟序结构的先进数值模拟工具之一。
体积分数方程方法 (VOF) 的基本原理是通过研究网格单元中流体和网格体积比函数F来确定自由面, 追踪流体的变化, 而非追踪自由液面上质点的运动。若F=1, 则说明该单元全部为指定相流体所占据;若F=0, 则认为该单元内无指定相流体;当0
笔者采用LES和VOF相耦合的方法求解, 第一步用LES方法在考虑亚网格尺度影响下求解N-S方程;第二步用VOF方法求解单元内的体积分数并捕捉气流交界面。
1.4 网格划分
由于所要计算的区域比较简单, 且都为规则的几何形状, 采用Gambit软件对计算几何模型进行结构化网格划分, 对高压气室和水室间的连接阀部分进行了局部网格加密, 网格总数约为200万。
1.5 初始和边界条件
模拟时静态高压气体通过膨胀直接冲击静态液柱, 因此没有入口边界条件, 大气环境采用压力出口边界条件, 高压气室与阀、阀与水室、水室与大气环境间的边界由软件自动默认为内部边界, 其余均为壁面。高压气室填充初始压力为2.5 MPa的理想气体, 水室充满密度为1 000 kg/m3的水, 大气环境设为标准大气环境。采用标准壁面函数处理壁面, 考虑重力的影响。
2 数值模拟结果与分析
在惠普Z800工作站上用Open FOAM软件对脉冲防暴水炮50 ms内的发射过程进行数值模拟, 结果如图2所示。
从图2中可以看出, 液体从喷嘴高速喷出后, 形成没有空气卷入的液核区和有空气卷入的气液混合区。气液交界面上由于受到压力、速度、喷嘴内表面粗糙度等因素影响而产生扰动。随着扰动增长, 气液交界面产生波形位移。由于各种因素引起的扰动增长速率不一样, 增长最迅速的扰动导致表面波振幅迅速增大, 由于表面波的破碎作用, 液体从射流本体上剥离, 形成液滴。这种现象可以用K-H不稳定性来解释, 假设射流表面受到轴向上的速度扰动为u′, 径向上的速度扰动为ν′, 压力扰动为p′, 密度扰动为ρ′, 界面高度的扰动为y′, 并假设这些扰动具有形如exp (i (kx+wt) ) 的解。根据稳定性分析, 可以得到射流色散方程见式 (4) :
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式中:ω为时间增长率;k为波数;U为液相速度;dg为射流气液边界层厚度;ρ为液相密度;下标l、g分别表示液相和气相。
射流色散方程可以通过数值计算的方法来求解, 根据不同气液相的速度和边界层厚度得到增长最迅速波的波长。当表面波的振幅达到增长最迅速的波长ΛKH时, 液膜表面开始破碎, 破碎时间见式 (5) :
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式中:R为液滴半径;ΛKH和ΩKH分别为增长最迅速波的波长和速率;C2用于修正破碎特征时间, 其值由喷嘴形式决定。
由射流稳定性分析得到式 (6) 、式 (7) :
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式中:ρ为密度;σ为表面张力;We为韦伯数, We=ρ υr2α/σ;vr为气液相对速度;α为粘度;Oh为欧索尼数, Oh=We1.5Re-1;Re为雷诺数Re=υrR/υ;T为泰勒数, T=OhWe0.5;υ为液体运动粘度。
从射流表面剥离的液滴半径Rstable与增长最迅速波的波长ΛKH成正比例关系, 可以表示为式 (8) :
Rstable=C1ΛKH (8)
式中:C1为比例系数, 一般取为0.61。
如果破碎发生在振幅中点, 则可求出射流表面破碎出的液体体积VKH, 见式 (9) :
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式中:ηKH为破碎时的振幅;La为拉普拉斯数。
在气液混合区, 液滴已经从液膜表面剥离, 液滴直接处于空气中, 有气动力作用下, 液滴还将发生二次破碎。液滴二次破碎模拟结果如图3所示。
由图3可以看到, 暴露在空气中的液滴, 在空气动力作用下被压缩成液膜状, 其腹部逐渐收缩, 并最终断裂成两个体积不等的子液滴。从图3可以清晰地看到, 父液滴破碎为成对出现的子液滴, 其过程类似于细胞的分裂。
可用R-T不稳定性理论来描述气流混合区液滴的破碎过程, 破碎时间见式 (10) :
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式中:C1为常数, 根据实验确定;B0为邦德数;ΛRT为R-T不稳定波最迅速增长频率, 见式 (11) :
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式中:g0为重力加速度;g为垂直向下的加速度, 见式 (12) :
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对于球形液滴, 根据Schiller和Neumann的结论有式 (13) :
式中:Red为液滴雷诺数, Red=ρg|υr|Dd/μ;Dd为液滴直径;μ为液体运动粘度。
实际液滴一般不会是标准的球形, 需要根据实验对CD进行修正。
根据动量守恒, 可求得破碎后液滴的速度分量ui见式 (14) :
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式中:i=x, y, z;ui0为破碎前的速度分量。
4 结 论
笔者采用LES和VOF相耦合的数值模拟方法, 较好地模拟了脉冲防暴水炮气液两相射流的破碎过程。模拟结果表明, 脉冲防暴水炮发射的气液两相射流在对称性不稳定表面波的作用下, 形成由表面到内部, 由大液滴到小液滴的逐渐破碎过程。初次破碎在各种扰动作用下, 射流表面形成波浪, 随着扰动加剧, 波动振幅增加, 液体从液面表面剥离, 形成尺寸较大的液滴。二次破碎为直接暴露在气体中的液滴由于外力 (气动力等) 与内力 (表面张力等) 不平衡而进一步破碎为更小的液滴。液体的破碎过程符合KH-RT破碎模型, 可以用K-H和R-T不稳定理论来解释。模拟结果较为客观地反映了脉冲防暴水炮气液两相射流的破碎过程和破碎机理, 具有一定的现实意义。
摘要：在Open FOAM平台上, 利用大涡模拟 (LES) 和VOF相偶合的方法对脉冲防暴水炮气液两相射流的破碎过程进行数值模拟, 分别利用K-H和R-T不稳定性理论建立液滴破碎数学模型来描述水炮的一次破碎和二次破碎, 用不稳定性理论中表征波的参数来表示液滴的破碎参数。数值模拟结果表明, KH-RT模型较好地描述了脉冲防暴水炮气液两相流的破碎过程。
关键词：脉冲防暴水炮,大涡模拟,不稳定破碎
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不稳定破碎 篇2
平顶山天安煤业股份有限公司五矿二水平己二扩大采区回采的己16.17煤层不稳定, 平均厚度3.5m, 最厚10m以上, 煤层赋存状况比较不稳定, 出现鸡窝煤的状况, 且存在地质构造极其复杂, 煤层节理、裂隙发育, 层理紊乱, 倾角及煤层走向变化较大, 煤层倾角局部地段达到35°以上, 属于煤与瓦斯突出煤层, 煤炭自然发火期短, 同时该工作面为下分层开采。对于具体的地质条件在工作面回采过程中顶板控制、综采设备防滑、煤壁片帮对生产管理产生了极其严重的制约因素。
2 工作面概况
己17-22202综采工作面为五矿二水平己二扩大采区西翼第一个区段, 该工作面周边煤层已采完, 形成孤岛工作面, 该工作面斜长150m, 走向长度500m, 煤层平均倾角20°, 局部最大倾角35°以上, 工作面从机头位置向上以17°上山掘进, 中间地段以20°下山掘进, 上半部分以35°上山掘进, 工作面形成一个平躺的“Z”型, 且工作中间地段揭露一条落差为8m-30m的正断层, 由于受断层影响采面中间形成一个背斜构造, 局部倾角最大达到35°以上。
3 破碎复合顶板下分层顶板管理技术
3.1 综采工作面压力监测与控制
工作面沿走向直线把支架从机头至机尾均匀分成10个组, 每组支架的中间三组支架设一个压力监测分站, 分站仪器安设在中间支架架箱中, 然后将仪器上的压力管路联通, 以便监测支架受力的相关参数。每班设专人对压力监测数值进行收集分析, 对液压支架工作阻力、初撑力达不到要求的进行量化细化、对比分析, 找出具体的原因, 采取具体的措施。
对液压支架进行巡回检查制度, 每天安排专人对支架进行摸排检修, 查找液压支架的“跑、冒、滴、漏”等现象, 同时每班对液压支架的立柱安全阀组进行检查, 确保液压支架完好, 使液压支架的初撑力和工作阻力满足设计要求和生产要求。
3.2 综采工作面顶板控制技术
在综采工作面生产过程中顶板控制是实现安全生产的重要因素。该工作面顶板管理主要从液压支架管理和工作面工程质量管理着手, 在液压支架管理中, 要及时调整液压支架, 确保支架不出现咬架、倒架、挤架和错差架, 使支架垂直工作面顶底板, 支架的最大仰角不超过7°。在工程质量管理过程中, 使工作面达到工作面平直、运输机平直、液压支架平直、工作面煤壁平直、工作面上下出口畅通等。
顶板管理过程中要及时拉超前架, 减少工作面在回采过程中顶板暴漏的时间, 使工作面顶板能及时有效地得到支护, 及时控制矿山压力对顶板造成的破坏, 对与综采工作面构造地段和顶板破碎地段, 要超前维护和及时维护, 延工作面走向架设木棚, 同时在顶板控制不住的情况下载架棚子前上双层金属网, 在煤壁侧架设木梁腿子, 有效的控制矿山压力的煤壁的二次破坏。
4 破碎复合顶板综采设备管理技术
4.1 液压支架防滑
由于该工作面受煤层倾角影响较大, 在工作面局部地段倾角达到35°以上, 支架在自身重力和工作面倾角的共同影响下, 极其容易向机头方向倾倒, 支架倒架后, 不能给工作面顶板造成有效的支护, 导致压力超前移动, 破坏煤壁的完整性, 从而失去有效的支护。针对该工作面的具体情况, 在支架过程中主要采取防滑措施, 在每5组支架的相邻支架中采用支架的护帮板和直径30mm以上的运输机链子相配合拴住相邻支架下的四连杆结构, 在支架自身重力倾倒的方向添加一个轴向力, 使支架在自身重力与添加的轴向力相互抵消, 减小支架向下倾倒的纵向力, 从而确保了支架不出现下滑倾倒, 使支架在最大程度上达到设计的工作阻力和初撑力, 满足安全生产的需求。
4.2 可弯曲刮板运输机的防滑
在大倾角工作面, 由于运输机受自身重力及工作面煤层赋存角度影响, 运输机极容易下滑, 造成设备损坏, 同时降低了支架推移千斤顶轴向力推力, 使运输机推不到位置。防止刮板输送机在大倾角工作面使用过程中下滑, 在工作面回采过程中要科学合理地调整工作面的伪倾斜, 使工作面与机巷形成一个钝角, 增大运输机的摩擦力, 人为地在运输机自身重力的方向和液压支架轴向推力方向, 形成一个合力, 在最大程度上消减运输机的下滑力, 确保运输机在正常回采过程中不出现大幅度下滑。同时在工作面坡度较大地段, 操作运输机时进行分段作业。
在与大倾角极其不稳定煤层过地质构造时, 对于顶板控制更为艰难, 在过地质构造前, 先对构造的具体情况进行详细的对比分析, 制定过构造的详细方案, 提前对构造影响地段按措施进行施工, 最大程度地减小构造对生产的影响, 最小程度地降低人力物力的投入。
总之, 通过对大倾角极其不稳定煤层破碎复合顶板下分层开采技术的不断摸索与探讨, 对大倾角综采设备的防滑、极其不稳定煤层下分层开采过程中顶板控制等方面, 取得了一定的技术经验和技术借鉴。
参考文献
拉线安装不规范电死男童家破碎 篇3
2008年6月的一天，某县西坡村9岁男孩王某与几位小朋友玩耍时，无意中触及路边低压转角杆的拉线，当即触电倒地。等其他几个孩子把大人叫来，王某已触电死亡。事故发生后，王某的父母抱着儿子的尸体失声痛哭，几次昏死过去。王某的奶奶因痛失爱孙不久也过世，一个原本和美幸福的家庭支离破碎，村民都深感惋惜。
经查，转角杆的跳线由于长时间接触不良闪络，特别是农村工副业加工负荷重，导致跳线烧断，有电的线头搭在了横担上，因拉线与横担捆在一起，且拉线上未装绝缘子，导致拉线带电。
2 事故原因分析
因拉线引起触电伤亡事故的原因大部分是拉线上未装绝缘子，或拉线绝缘子安装的位置不符合规程要求。一般有以下几种情况。
(1)拉线没有按规程安装，拉线或拉线抱箍紧靠横担，一旦横担带电，将直接导致拉线带电。
(2)跳线不规范，过长或强度不够，时间久了，跳线下垂，触及横担或拉线，致使拉线带电。
(3)用绝缘线做跳线时，直接搭在横担上，或将跳线穿过拉板。初装时绝缘完好没问题，一旦绝缘破损，横担直接带电，如果横担与拉线接触，拉线自然带电。
(4)绝缘子破碎或绑扎线断开，导线落在拉线上。
(5)跳线接触不良打火烧断，断头搭在拉线上。
(6)临时用电将导线直接系在电杆拉线处，时间长了，绝缘破损，使拉线带电。
说到这里，有人可能要问，即使拉线带电但拉线的一端埋在地下，为什么还会发生触电伤亡事故呢?这与拉线接地电阻的大小和人体接触带电拉线时所承受的接触电压的大小有关。拉线地下部分大都锈蚀严重，致使其接地电阻增大，这时如果人体接触到带电拉线，人体所承受的电压将大大超过安全电压，从而造成人身伤亡。
3 防范措施
(1)拉线应按规程安装，与横担保持一定安全距离，严禁拉线紧靠横担安装。
(2)跳线要规范，不能过长;用绝缘线做跳线时，不能触及横担或穿过拉板;转角的外角跳线及耐张段之间的跳线，应加装针式绝缘子固定，以增加其强度，避免其下垂触及横担和拉线。
(3)绝缘子绑扎要规范。
(4)跳线连接要牢固，防止接触不良打火烧断跳线。
(5)临时用电的导线应固定在绝缘子上，线间距离不小于200mm，禁止把导线直接缠绕在电杆或拉线上。