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矿用防爆柴油机排气栅栏结构研究

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  • 发布时间:2014-11-28
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Study on Exhaust Fence Structure of M ine Flame Proof Diesel EngineQI Li-li ,ZHANG Cui-ping ,QI Dong-dong ,ZHANG Zhong-guo ,LI Tian-peng(1.School ofMechanical Engineering,Taiyuan University ofTechnology,Taiyuan 030024,China;2.Taiyuan Research Institute,China Coal Technology and Engineering Group,Taiyuan 030006,China)Abstract:The exhaust fence of the flame proof diesel engine is applied to extinguish the combustible gas in the exhaustsystem and is a safety device to reduce the exhaust temperature. But the instalation of the exhaust fence would increase theresistance of the exhaust system and thus would influence the power and economy of the flame proof diesel engine. A UGsoftware was applied to establish a 3D geometric model of the exhaust fence of the flame proof diesel engine. A FLUENTsoftware was applied to the simulation On the inner flow field of the exhaust fence. A comparison analysis was conducted onthe different structure exhaust fenoes of the long square tube and the short square tube.The results showed that when theair flow passing through the exhaust fences,due to the sudden change of the cross section between the inlet section and theinlet square tube,a max pressure drop would be at the exhaust fence and a pressure zone would be at the side of the inletsquare tube. A pressure difference would be formed between the low pressure zone of the square tube side and the highpressure zone of the square tube surrounding area.Thus the air flow would be reversed,vortex would be formed and thepressure drop at the two sides of the fence would be reduced. The exhaust fence in the square tube could efectively reducethe vortex strength,reduce the air flow lost and improve the stability of the flow field.Thus the exhaust perform ances ofthe flame proof diesel engine could be improved。

Keywords:flame proof diesel engine;FLUENT;exhaust fence;pressure lost煤炭工业是我国的基础产业,在国民经济中占有举足轻重的地位。随着煤矿开采技术的迅速发展 ,无轨辅助运输取得 了较快的发展,煤矿井下运输对防爆柴油机车的需求量不断增大。因此,为 了确保井下防爆运输和矿工生命财产安全,对防爆柴油机的排气系统进行研究显得非常重要 。

收稿日期:2012-07-13基金项目:2012年太原市大学生创新创业人才项 目(120164048);山西省煤矿装备研究生教育创新中心科研项 目(MKY2011-007)作者简介:齐丽丽(1984-),女 ,山东菏泽人,2010年毕业于山东理工大学热能与动力工程专业,现主要研究方向为防爆柴油机的研究。

121煤 炭 工 程 2013年第3期防爆柴油机的排气系统 由带冷却水套排气歧管、带冷却水套排气管、排气水洗装置和排气栅栏等组成。其 中,排气栅栏是-种利用器壁效应和淬熄效应降低排气温度、熄灭火焰的安全装置。但排气栅栏的安装,加大了排气系统的排气阻力,使得防爆柴油机缸内残余废气量增多,影响缸内燃烧过程,导致发动机功率下降,油耗增加,排气性能降低。所以,在保证防爆能力的前提下 ,要提高防爆柴油机的动力性与经济性,需致力于排气栅栏结构的研究。

计算流体动力学分析方法(CFD)是 目前用于解决三维流动问题的重要手段 。本文应用 CFD分析软件 FLUENT对防爆柴油机不同结构的排气栅栏进行数值模拟,获得了其结构内部流场的详细信息,包括流场内的压力分布、速度分布和湍动能分布等。通过对计算结果进行分析,为排气栅栏的改进设计提供理论依据。

1 排气栅栏的 CFD建模1.1 结构描 述本文所研究的防爆柴油机排气栅栏为板片式。主要包括 :左右法兰、进 口方管、栅栏片和栅栏框架等。左右法兰与方管之间为焊接固定。此结构可分为栅栏进 口段、栅栏段、栅栏m口段三部分。排气栅栏的结构如图 1所示。

(a)短方管防爆排气栅栏 (b)长方管防爆排气栅栏图2 排气防爆栅栏内部空间结构1.3 基本控制方程排气栅栏内气体流动满足连续方程与N-S方程 。欧拉观点认为,流场中的物理量都是空间坐标和时间的函数 ,研究任意物理量对时间的变化率 ,则有物质导数:122-dt (1)根据连续介质模型,气流 排气栅栏中连续分布,不会出现空隙,将连续介质模型和质量守恒定律结合起来,则导出排气栅栏气体流动的连续方程:粤 :0 (2) 8t 0x 8 az 、N-S方程能够较准确地描述流体实际的流动,理想流体的 Euler方程为: 8t ,O u 盟Oz -p业3x(3) dt 8x 8v 、 熹 老 -。盟c)'v (4) dt at ax av az 、 、 O w 丝Oy O以w -。O p (5)at at ax 8z 0az 、 。

式(1)~(5)中:Ⅳ代表任意物理量 ;t代表时间;,, 代表速度矢量 沿 ,Y,z轴的速度分量;P代表气流密度; 、 、 代表单位质量分力。

1.4 网格划分为了减少网格数量,提高计算精度,采用混合网格划分模型 ,排气栅栏进、出口段采用 四面体 网格 ,栅栏段采用结构化六面体网格。

1.5 边界条件排气栅栏应用的防爆柴油机排量 为 6L,额定功率 为80kW/2200rpm,最大扭矩为 360Nm/l600rpm。为使研究方便,假设防爆栅栏中流动的高温废气为理想气体 ,在发动机转速恒定的情况下,假设气体流动为不可压缩黏性湍流流动,其动力学模型采用标准 ,c-s湍流模型.进出口均采用压力边界条件。壁面边界采用黏性流动中默认的无滑移边界条件。边界条件参数设置见表 1。

表 1 边界条件参数设置参数 数值栅栏进 口压力/Pa栅栏进口温度/K栅栏出口压力/Pa栅栏出口温度/K壁面温度/K栅栏进出口湍流强度/%105825353iO13253434232 计算结果及分析采用 FLUENT软件短方管排气栅栏和长方管排气栅栏进行迭代计算。这两种不同结构排气栅栏在 X0面上的压力云图如图3所示。由图3可以看 ,两种不同结构排气栅栏的压力分布规律存在-定的相似之处。最大压降均位于栅栏段处,这是因为气流在流经栅栏段时,流通面积减小,阻力增大,造成气流在栅栏段左侧堆积,出现高压区,与栅栏右侧的低压区形成压力差▲口方管边侧均存在低压区,这是由于在排气栅栏进口段与进口方管之间存在截面突变。方管2013年第 3期 煤 炭 工 程边侧的低压区与周围的高压区形成压差 ,使气流逆向,形成涡流,减弱了栅栏段两侧的压降。

由图 3(a)可看 出 短 方 管 排 气 栅 栏 进 口压 力 为105395Pa,出口压力 101233Pa,压差为 4162Pa,进 口方管边侧的最低压力值为 103794Pa。由图3(b)可看出长方管排气栅栏进 口压力为 105297Pa,出口压力 101385Pa,压差为3912Pa,进口方管边侧的最低压力值为 104645Pa。对比图3(a)与图 3(b)可知,长方管排气栅栏进、出口压力损失减小,且长方管排气栅栏进 口方管边侧的低压区最低压力值增大,与周围高压区形成的压差减小,逆向气流减弱,栅栏段两侧压力明显上升。另外,由于长方管的稳压作用,排气栅栏内压力分布均匀性明显增加,流动增强。

(a)短方管防爆排气栅栏 (b)长方管防爆排气栅栏图3 排气栅栏压力云图排气栅栏速度矢量如图 4所示。由图4(a)可 以看 出,短方管排气栅栏 的栅栏段 中间位置气流速度较大,栅栏段两侧位置速度较小,从而使气体流动不均匀▲ 口方管两侧涡流中心速度为 12.83m/s。由图4(b)可以看出,长方管排气栅栏的栅栏段气流速度分布较为均匀,且出口流速明显增大▲ 口方管两侧的涡流没有消失,但涡流 中心速度降为 5.54m/s。由此可见 ,长方管排气栅栏结构可降低涡流速度 ,提高气体流通性能。

霸 睁 (a)短方管防爆排气栅栏 (b)长方管防爆爆排气栅栏图4 排气栅栏速度矢量图排气栅栏湍动能分布如图 5所示。由图 5(a)可 以看出,短方管排气栅栏最大湍动能位于栅栏段出口中间位置处,其值 为 322m /s ,进 口方管 两侧 最 大湍 动 能值 为112.67m /s 。由图 5(b)可以看出,长方管排气栅栏最大湍动能也位于栅栏段出口处 ,其值为 333m /s ,大于短方管排气栅栏的最大湍动能值。这主要是由长方管排气栅栏的栅栏段出口处截面突变和流速增加造成的▲ 口方管两侧最大湍动能值为 25.5m /s ,小于短方管排气栅栏进 口方管两侧的最大湍动能值 ,涡流强度变弱,栅栏段对气流的引导作用加强,大大增加了排气栅栏的流通能力。由此可见,长方管排气栅栏的气流阻力小于短方管排气栅栏。防爆排气栅栏结果对比见表 2。

(a)短方管防爆排气栅栏 (b)长方管防爆爆排气栅栏图5 排气栅栏湍动能分布图表2 防爆排气栅栏结果对比表3 结 论1)气流流经排气栅栏时,由于进口段与进口方管之间存在截面突变 ,最大压降位于栅栏段处,进 口方管边侧存在低压区。

2)短方管排气栅栏中,进口方管两侧存在明显的低压区,方管边侧的低压区与周围的高压区形成压差 ,使气流逆向,形成强烈涡流 ,减弱了栅栏段两侧的压差 ,使栅栏段两侧气流速度降低,从而使栅栏段流速分布不均匀。

3)长方管排气栅栏中,进 口方管两侧压力升高,涡流减弱,栅栏段两侧速度增加 ,且排气栅栏 出口流速增加。

4)防爆柴油机长方管排气栅栏 ,能够增加气流稳定性 ,减小气流排气阻力,从而使防爆柴油机的动力性与经济性得到-定程度的提高。

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