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煤矿瓦斯是以吸附或游离方式赋存于煤层及其围岩中的天然气,若能将其有效利用不仅可以带来巨大的经济利益,而且还能减小对大气环境的污染。近些年随着研究的不断深入,低浓度瓦斯—细水雾混合流体管道安全输送技术在煤矿中开始应用。但因瓦斯—细水雾气液两相流动的复杂性,在其管道输送动力方面和安全保护方面还有待进一步研究。本文通过对输送管道中常用的90°弯管、T型三通、阀门等局部管件进行分析,得到不同工况下,瓦斯—细水雾混合流体在各个局部管件处的压降及沉积规律,其结果为低浓度瓦斯—细水雾安全输送系统的动力设备选型以及安全经济运行提供一定的理论基础。 本文采用理论分析、数值模拟和试验验证相结合的方法,针对瓦斯—细水雾输送管道中不同局部管件处的压降及沉积情况进行系统的分析研究。首先,运用气液两相流的均相流和分相流理论模型,对瓦斯—细水雾混合流体在局部管件处的压降变化进行理论分析并得到其压降计算公式;通过对细水雾颗粒在输送过程中受力和运动情况进行分析,得到细水雾颗粒在瓦斯—细水雾气输送管道内局部管件处的运动方程和轨迹方程,为细水雾颗粒的沉积情况提供理论研究。其次运用FLUENT软件对输送管道中90°弯管、T型三通、阀门处瓦斯—细水雾混合流场进行数值模拟研究,进而确定各局部管件处压降及沉积情况。最后搭建瓦斯—细水雾管道输送试验平台对混合流体在各局部管件处压降及沉积规律进行试验验证。 数值模拟和试验验证研究结果表明:输送管道局部管件处瓦斯—细水雾混合流场的压降略小于瓦斯流场的压降;90°弯管处混合流体压降及沉积随流场速度的增大而增大,速度较小时其沉积现象不明显,沉积速率几乎为0;其压降和沉积速率随管径的增大而减小,管径为100mm时,细水雾沉积速率变化速度明显大于其它管径;随弯径比的增大其压降总是先减小后增大,其沉积速率是先增大后减小,最佳弯径比应该在2.8~3.2之间;T型三通处混合流体压降及沉积随流场速度的增大而增大,但 T型三通直管处压降增加不明显;随着侧支管管径增大,其沉积速率逐渐减小,T型三通侧支管处压降也迅速减小;不同阀门处的压降随流场速度的增大而增大,截止阀压降增大速度远大于蝶阀、球阀和闸阀;截止阀和蝶阀处的沉积速率随流场速度的增加而增加,在球阀和截止阀处,不论速度如何变化,其沉积速率很小,几乎为0;瓦斯—细水雾混合流体以不同速度流经局部试验管段时压降及沉积速率验证试验与数值模拟基本拟合,且试验值略大于数值模拟值。 本文对不同管件处瓦斯—细水雾混合流体压降及沉积规律理论与试验的研究成果,为低浓度瓦斯输送细水雾安全保护系统工程设计及应用中的动力设备选型和安全经济运行提供一定的参考依据。