高压水锤低压缸内部流场数值模拟研究

胡 斌，张景松，王树棠

(1.中国矿业大学电力工程学院，江苏徐州221116;2.山东齐鲁电机制造有限公司，山东济南250100)

目前多数煤矿采用大功率采煤机以及综采放顶煤开采工艺，在煤层含水量低的情况下，导致煤尘量增加，损害工人的身体健康［1］，因此有必要采用煤层注水措施，而传统煤层注水技术因注水压力低，注水效果不理想，高压脉动水锤装置作为一种能激发压力冲击的设备［2］，利用其压力瞬态冲击的特性可以得到理想的注水压力。

在高压脉动水锤装置产生压力冲击的过程中，低压缸体起着一个蓄水加压和泄水释能的作用，其腔体内压力水的流场变化对装置产生压力冲击有着直接影响，影响水锤装置冲击产生的峰值压力的大小。可见，高压脉动水锤装置低压缸内部流场的研究，对于水锤装置的结构改进和性能优化有着重要的作用。

1 装置介绍

高压脉动水锤装置［3］(简称水锤装置或WHD)，是一种以低压输入来产生高压输出的冲击设备，其以水 (或乳化液)为工作介质，水泵为动力源。整个装置由高压缸体、低压缸体和主弹簧座三大部件组成，并依次用螺栓联接形成一个整体结构。低压缸体和主弹簧座内部装设有能上下运动的活塞组件，活塞直接放置在主弹簧上。活塞内部装有由主阀芯、触发阀芯和复位弹簧组成的阀芯系统;主弹簧座上装设有触发顶杆，顶杆上端放置触发弹簧，阀芯系统、触发顶杆和触发弹簧组成整个装置的控制结构，通过控制阀芯系统的启闭来使活塞组件往复运动。高压脉动水锤装置的工作过程是由活塞组件、主弹簧和阀芯系统三个基本运动体所组成的，高压脉动水锤装置产生脉冲高压的过程中，其低压缸内部的流场变化对装置激发压力冲击性能有直接影响，因此有必要对冲击过程中低压缸的内部流场及其特性进行深入研究。

2 建立模型

2.1 控制方程

流体不管以何种形式和状态运动，都遵循守恒定律描述的物理规律，基本的守恒定律有:质量守恒定律、动量守恒定律、能量守恒定律等。对于湍流运动的流体，还要遵守附加的湍流输运方程。控制方程就是以数学表达式的形式来描述这些定律。

2.1.1 质量守恒方程 (连续性方程)

按照质量守恒定律，流入和流出控制体的流体质量之差，等于控制体内部流体质量的增量，由此可以得出连续性方程的积分形式为:

式中，V表示控制体，A表示控制面。第一项表示控制体内流体质量的增量;第二项表示通过控制表面流入控制体的净增量。

研究对象为不可压缩均质流体，密度为常数，而且低压缸的计算模型是二维模型，流体在平面内流动，则对应的连续性方程为:

2.1.2 动量守恒方程 (运动方程)

在对冲击过程中低压缸的内部流场进行模拟时，对应的流动问题是黏度为常数的不可压缩流体(密度为常数)在二维平面内的流动，则其运动方程可表述为:

由于高压脉动水锤装置的冲击过程时间很短，流体的运动时间非常短，而且在柱塞冲击、低压缸泄水时，是不可压缩流体流动，此过程中流体产生的热量以及热交换量很小，完全可以忽略，故不考虑能量守恒方程。因此，只需联立求解连续性方程(2)和动量方程(3)即可。

2.2 模型的建立和边界条件的分析

为了便于分析主要因素对低压缸内部流场的影响以及减小数值模拟的计算量，对高压脉动水锤装置的低压缸模型作如下假设和简化:

(1)假设冲击过程中低压缸内的水是不可压缩的，不考虑因低压缸腔体容积减小而引起的水压变化，只考虑因泄水而导致的流场变化。

(2)在触发开始时刻，主阀芯的开启时间相对冲击过程的运动时间很短，故忽略其动作时间，即认为触发时主阀芯瞬间开启。在冲击过程中，主阀芯在随活塞一起上升时有逐渐关闭的运动趋势，但直到冲击过程结束，主阀芯仍处于开启状态，其关闭过程相对冲击过程的时间很长，故假设主阀芯在冲击过程中保持开度不变的开启状态。

(3)在冲击过程中，不考虑空心柱塞中位于出水孔上部空间的水体对低压缸内流场的影响，将出水孔上端截面作壁面处理。

(4)低压缸顶端进水孔直径相对于低压腔的结构尺寸很小，而且高压脉动水锤装置冲击过程的时间仅为0.3～0.4s，故忽略冲击过程中的进水，即冲击过程中不考虑进水对低压腔内水压的影响。

在上述假设和简化的基础上，因低压缸体内流场圆周对称，为减小数值模拟的计算量，可建立二维平面模型来体现其内部流动情形。依据高压脉动水锤装置实物的结构尺寸，使用Fluent前处理软件Gambit可以很方便地建立低压缸模型，如图1所示。初始条件为计算初始给定的参数，即流动问题在给定数值计算中弹簧工作下的计算模型的初始条件3.2MPa。触发弹簧对应的3个不同开度 (5mm，7mm，10mm)的计算模型。

图1 低压缸的计算模型

3 数值模拟的结果分析

实验测量中，由于阀芯和柱塞都位于高压脉动水锤装置的内部，无法观测阀芯的开度及其对流场的影响。数值模拟中，通过在模型中设定不同的主阀门开度，可以对不同开度下流场变化的差异进行比较和分析。图2为不同开度时的计算结果。由图2可以看出，3个不同开度下，采压点的压力曲线具有相似的变化趋势，在冲击过程开始后，压力在很短的时间内迅速降低，并维持平稳值直到冲击结束。通过比较图中3条曲线达到的终值大小以及所对应的时间可以发现，在不同的开度下，采压点的压力在基本相同的时间内降低到对应的终值，时间约为0.03s，而终值压力的大小各有差异，5mm和7mm开度时的终值压力约为0.1MPa，10mm开度下的略低，约为 0.08MPa，虽然只相差约0.02MPa，但终值压力的差异能反映各个不同工况下的泄水情况，终值压力越低，低压缸泄水越完全，在柱塞冲击过程中由低压缸内水体形成的阻力就越小，损耗主弹簧的蓄能少，利于冲击。

图2 不同开度时的计算结果

综合比较3条曲线还可以发现，在不同的开度下，采压点的压力初值不同:5mm开度时约为1.6MPa，7mm开度时降到1.5MPa，而10mm开度下最低，约为1.35MPa，随着开度的不断增大，初值出现较大幅度的降低。数值计算中，在泄水和冲击的零点t=t0时刻，主阀门已经打开，但低压缸还未开始泄水，当t＞t0时，由于巨大的压差作用，缸内的水体迅速泄出。在小开度时，泄水口对水体的出流形成一定的节流影响，使得内部压力较高。其中，10mm开度时泄水口的通流面积最大，节流作用减弱，在相同的压差作用下，相同的时间内，其泄水最多，也即泄水速度最快，缸内压力最低，是3个开度下比较理想的一种泄水状态。

结合图3压力分布云图，可知低压缸流场分布及变化规律。由图3可知，贴近活塞端面处，即低压缸体底端压力较高，特别是靠近缸体壁面附近的区域，在低压缸的中间靠近柱塞根部出水孔的附近，形成一系列以出水孔为中心，不断向低压缸内扩大。随着泄水的增多，云层扩散的面积越来越大，每一层次的压力依次扩散。

图3 压力云图

图4所示为冲击过程前期某一时刻低压缸内部的速度矢量图，可以比较直观地看出泄水时低压缸内水体的流动情况。

图4 速度矢量

在柱塞根部出水孔处和主阀门开口泄水处，由于水体的通流面积的突变，两处出水位置都形成了一定的节流作用，使得水体的流速相对其他位置较大。随着活塞的向上冲击，低压缸内的水体受冲击推挤作用向上运动，同时由于缸体内外的巨大压差作用，缸内的水体要通过根部的出水孔流出缸外，水体有一个向下运动的流动状态。在活塞的推挤和缸内外压差的综合作用下，低压缸内的水体就形成了图4中所示的流动形式，从活塞端面先向上流动，到达缸体顶面附近后改变流向，随主流向下进入根部出水孔，在缸内形成类似圆弧形的曲线轨迹。在冲击过程中，阀芯随着活塞一起以相同速度向上运动，从图4中可以看出，由于阀芯端面的推挤，在主阀芯端面处也出现类似的回转流动。另外，由于低压缸体结构设计时相邻壁面垂直结合，在低压缸内就形成了一些壁面端角，如缸体顶端的凸台分别与顶面和空心柱塞的交角。水体在缸内流动时，由于受到壁面的阻流作用和流动区域的限制，在这些端角处就产生了流动涡旋，会卷吸周围区域的流体，对主流产生一定的阻扰作用，不利于水流的快速泄出。

4 现场实验效果

高压脉动水锤装置是一个循环工作的设备，具有周期性。通过高压脉动水锤对煤层注水试验，设置采集时间为6s，能采集到高压脉动水锤装置循环工作大约2个周期的数据，图5所示为采集6s得到的曲线图。

图5 采集6s全数据曲线

实验测得的压力曲线与模拟所得到的结论基本吻合。

5 结论

(1)模拟发现10mm开度时泄水口的通流面积最大，节流作用减弱，在相同的压差作用下，相同时间内，其泄水量最多，泄水速度最快，缸内压力最低，是3个开度下较理想的一种泄水状态。

(2)冲击过程中，低压缸内的水流形成弧形轨迹曲线。从活塞端面先向上流动，到达顶面附近后改变流向，随主流向下进入柱塞根部出水孔。在主阀芯端面处也出现类似的回转流动，在壁面端角处会产生漩涡。

(3)在冲击过程开始后，低压缸内的压力在很短的时间内从比触发压力略低的初始值瞬间降到很低，时间约为0.02s，在达到终值压力后维持稳定直到冲击过程结束，终值压力大小约为0.2MPa。

(4)冲击过程中，低压缸内顶面处的压力比其他位置的压力略高，而且在从初始值瞬间降到很低之后再到达终值压力时，内顶面处压力变化出现一个较明显的缓冲区段。这是由于活塞组件向上运动，活塞推挤低压缸内贴近其端面的水体形成一定的压力冲击并在水体中向上传播，在内顶面处，压力冲击受到固体壁面的阻挡而挤压该处的水体所导致的。

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