煤矿排水管道流体仿真研究

摘 要：为充分了解矿井水在煤矿排水管道内的流动变化，本文设计了60°、90°与120°三种不同类型的煤矿排水弯管，通过有限元分析了矿井水流动速度变化，结果表明：矿井水在煤矿排水弯管的弯段处流动速度开始发生明显增大，60°弯管的弯段处内侧的流动速度最大，90°次之，120°最小。

关键词：煤矿排水管道；仿真；有限元；速度

关于管道内流体流动状况的研究得到了众多学者的重视，李斌[ 1 ]、贺尚红[ 2 ]、武维生[ 3 ]、杨雪峰[4]等人均采用了不同方法對管道内流体流动进行了分析与仿真。但上述文献中主要是针对普遍意义上的管道进行的研究，缺少对特定管道类型的分析，不便于发现某一种管道内具体的流动状况。

本文选择以煤矿排水管道作为研究对象，通过限元分析了矿井水在不同类型的管道内的流动速度变化。

1 建立模型

管道从外形上可分为直管道和弯管道，直管道内流体流动状况较为统一，弯管道在弯段处其截面形状变化较大，流动的运动轨迹和流动状态会发生交的变化，从而引起流体速度、压力等状态的变化。

为更加清楚的描述煤矿排水管道内矿井水的流动状况，本文利用SolidWorks设计了不同类型的煤矿排水弯管，即为60°、90°与120°三种，如图1所示。

2 模拟仿真

2.1 管道参数

选取管道材质为合金钢，管径规格为外径300mm，内径为250mm，直管长度为700mm。

2.2 初始条件

使用Flow Simulation进行初始设置：国际制（SI）长度单位为mm，入口速度单位为m/s，分析类型为内部流动，排除内部没有流动条件的空腔，流体为液体。

2.3 边界条件

设定整个煤矿排水管道所处的环境温度为293.15K，入口速度为1m/s，与入口平面法向平行。出口环境压力为101325Pa，壁面条件为绝热壁面。

2.4 表面目标

已知煤矿排水管道出口静压力和入口速度，将仿真目标值设定为表面目标，即通过管道出口排水量最大作为评价指标。

2.5 仿真结果

求解運行结束后，对煤矿排水弯管内矿井水流动速度状况进行切面图分析。

以右视基准面作为剖面，对60°、90°以及120°弯管内矿井水的流动速度进行切面图分析，速度分布云图如图2所示。

由图2可知，煤矿排水管道在直段处矿井水流动速度变化不明显，与入口速度相差无几。在弯段处矿井水流动速度开始发生明显变化，弯段处内侧的流动速度大于入口速度。60°弯管的弯段处内侧的流动速度最大，90°次之，120°最小。

3 结论

本文利用SolidWorks设计了三种不同类型的煤矿排水弯管，通过有限元分析了矿井水流动速度变化，发现矿井水在煤矿排水弯管的弯段处流动速度开始发生明显增大，60°弯管的弯段处内侧的流动速度最大，90°次之，120°最小。

参考文献：

[1] 贺尚红，钟掘.管道流体的瞬态仿真模型[J].中南工业大学学报（自然科学版），2000，02：173-176.

[2] 武维生.基于粒子系统的管道流体虚拟可视化研究[D].山东大学，2006.

[3] 李斌，刘明亚，牟静，郭健，梅越民.管道流体的瞬态仿真模型[J].科技传播，2016，11：183+216.

[4] 杨雪峰，张妍，宋敏. FHP-2格子气模型仿真管道流体流动[J].抚顺石油学院学报，1996，01：43-46.

作者简介：

刘阳（1991-），男，汉族，山东临沂人，山东科技大学矿业与安全工程学院在读研究生，研究方向为系统设计与优化。