竖井掘进机空气洗井流场与携渣效率的数值模拟

针对现有竖井掘进机排渣方式的不足,借鉴大直径竖井钻机的流体洗井排渣方式,提出了一种适用于井筒全断面掘进的流体洗井系统。基于部分假定并结合实际工况,分析确定了流体洗井系统的基本参数和典型参数取值。主要采用FLUENT流体仿真软件,开展了空气洗井流场与排渣效率的数值模拟。首先,对空气洗井系统的基本参数进行了优化:通过单因素数值分析,以排渣管内径向、切向和竖直方向速度分量以及井底流场涡流情况等为评价指标,得到了1组在一定程度上最优的洗井系统参数;通过正交试验分析得到了排渣管内径、射流口角度等参数对井底流场的影响规律:对井底流场影响最大的为排渣管内径,影响最小的为射流口角度和刀盘与井底夹角。其次,进行了气固两相流的洗井排渣数值模拟:把岩屑假定为均匀的球体颗粒,并将其设置为离散相,以累计排出岩屑质量、排出岩屑的质量速率、清渣率和携渣率为评价指标,得到了岩屑粒径、排渣高度和入口空气流量对洗井排渣效果的影响规律:洗井排渣效果与岩屑颗粒粒径呈负相关、与入射口空气流量大致呈正相关,而排渣高度对洗井排渣效果基本没有较大的影响。最后,简要介绍了相似模型试验的验证情况,基于所推导出的相似准则,开展了相似模化设计;利用自行设计加工的模型实验台,完成了几何相似比为1∶20的模型实验。模型实验和数值模拟获得的规律基本相同,表明数值计算结果具有一定的准确性,为后续开展大尺寸模型实验或现场试验研究,提供了理论依据和基础参数。

竖井大直径钻头井底流场的数值模拟

针对大直径钻头排渣遇到的问题,基于计算流体力学理论,建立了倾斜井底流场的数学模型。采用滑移壁面模型定义钻头的转动,应用RNG κ-ε应力模型模拟湍流变化,使用SIMPLEC算法对数学模型进行数值模拟计算,并定性分析井底流场特性。模拟结果对井底流场的分析研究有重要意义。