环空钻柱内煤粉液力输送模拟及其动态特性研究

作     者：杨朝发 

作者单位：东北大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李鹤

授予年度：2018年

学科分类：0819[工学-矿业工程] 081903[工学-安全技术及工程] 08[工学] 

主      题：输流 固液两相流 数值模拟 动态特性 附加质量系数 

摘      要：水平定向钻机在煤层瓦斯抽采中得到广泛应用。定向钻机钻进过程中,环空钻柱内对煤粉的输送技术一直是确保定向钻机持续钻进的关键因素,输运能力的好坏也直接决定了钻进效率的高低。在钻进过程中要保证工作顺利的进行,一方面要考虑外界参数对内部输流特性的影响,确保钻进中打下的煤粉可以顺利地输送至地面。另一方面要保证钻进过程中钻柱本身不会发生损坏。钻柱在输流的情况下,受到内部流体的影响,其本身动态特性也必然会发生变化,因此研究充液管道本身的动态特性可以作为设备发生早期故障的判断方法。由此可见,研究双管钻机的输流技术和钻柱的动态特性具有重要的现实意义和工程应用价值。论文的主要研究内容包括:(1)本文在总结国内外关于两相流研究的基础上,按照固液两相流的流动形式,详细分析了两相流中颗粒的受力情况,确定合适的两相流物理模型,推导出煤粉和输运介质的两相流控制方程和湍流运动方程。(2)针对环空管道内流体输运的特点,运用Fluent模拟钻柱内流体状态,分析获得了流体输运的最小沉积速度,得到不同输流条件对输运能力的影响规律,通过结果发现颗粒在流体中的速度随着输运速度的增加而增加;内管道的转动在一定程度上有利于颗粒速度的提高;流体粘度越大,颗粒输运速度越大。高粘度的输运介质对会降低管内颗粒浓度,有利于输运。两相的压降远大于单相流的压降,另外内管偏心会降低压降比。(3)建立了水平充液管道模型,通过实验测试了充液管道在不同输运速度、不同管道参数下的动态特性,基于此提出一种附加质量系数来计算充液管道固有频率的方法,并运用软件仿真对比,验证该方法的准确性。