流体力学在安全工程中的运用

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        流体力学在安全工程中的运用

摘要：叙述了流体力学在安全工程中的应用,阐述了流体力学的重要性。分析了流体力学在采掘机械中灭尘及液压系统、煤矿通风系统、选矿机械和自然风压中的应用。

关键词：安全工程；流体力学；煤矿；应用

1流体力学在安全工程中应用的现状

采掘机械在工作时会产生大量的粉尘，灭尘和除尘设备是采掘机械必不可少的部分。常见的灭尘和除尘措施有内外喷雾2种，现代的采掘机械大都采用内外喷雾结合的方式。影响喷雾灭尘和降尘效果的主要因素是喷雾嘴射流的掺气量，而掺气量与喷雾嘴的射流冲击角有直接关系，通过流体力学与计算机结合的计算流体力学的方法可以很好地为喷雾嘴的设计提供帮助，缩短设计周期，减少设计的盲目性。

流体力学是矿井通风机及矿井通风理论的基础，通风机的设计以及通风系统的设计均离不开流体力学理论的支持。如对风机内部流场的模拟来说，就是利用流体力学和计算机技术结合的计算流体力学技术实现的。

选矿是冶金工业，也是如煤炭等非金属矿工业生产中极其重要的环节。

在各种自然因素的作用下，促使风流获得能量并沿井巷流动的现象，称为自然通风。而借助于自然因素产生的促使空气流动的能量，称为自然风压[9]。自然风压是利用进风侧与回风侧的温度差和两井筒井口的标高差，以及能影响空气重率变化的其它因素所造成两井筒空气柱质量不等而产生的压差，它是造成井下空气连续流动的动力之一。

2流体力学在煤矿安全中的应用

流体力学在采掘机械中灭尘及液压系统中的应用：采掘机械中的液压系统中力的放大、压强的放大和运动速度的增大等都是流体静力学的实际应用；在活塞上开设环形槽是液压元器件中常见的结构，它是流体动力学的典型运用，它的作用有2个方面：①阻止活塞轴线的偏移，从而保持配合间隙，保证润滑效果，减小活塞与缸壁的磨损，增强间隙密封的性能；②提高间隙密封的效果，当流体从高压腔向低压腔泄漏时，由于油路截面减小，滑阀中射流使流体在流入或流出阀腔时产生稳态作用力和瞬态作用力，稳态作用力总是使阀口趋于关闭，瞬态作用力方向总是与阀腔内油液的加速度同向，而瞬态作用力中阻尼长L是取油液在阀腔内的实际流程长，它是有方向性的。流体力学的发展能够使得液压技术得到迅速的提高，也会使采掘机械的工作效率和性能得到很好的提高和改进。

流体力学在煤矿通风中的应用：系统对风机内部流场动力学特征和间隙泄漏的研究表明，加装防涡圈后的风机比未加防涡圈的风机，其流场场更加趋于均匀，大尺度涡得到了有效破碎，泄漏损失大大减少，而且在破碎大尺度漩涡和减少泄漏损失方面，不同的防涡圈性能有所不同，研究结果可以很好地为风机的节能改造提供理论依据。

根据流体力学中流线形入口的圆筒内某截面上的静压相等的这一结论，针对大型风机不适合采用标准测量装置测量其流量与压力的现状，提出了分体式组合东亚管测量法。根据流体力学理论，就扩散器流场和速度场问题，应用计算流体力学方法模拟了600倾斜扩散器和流线形扩散器的风流流场和速度场，对研究扩散器的优化设计参数及通风节能有较大的指导作用。

    流体力学在选矿机械中的应用：选矿是把有用矿物与其他矿物分开，以得到一定质量的有用矿物的过程。当有用物料处于单体解离状态时，应用不同的选矿方法,把有用矿物选出来。对没有达到单体解离程度的物料可以通过破碎及磨碎的办法得到。物料的分级，矿浆准备器，选矿产品的浓缩脱水，选矿方法中的重选(重力选矿)、浮选(浮游选矿)以及一些新型的选矿设备中均涉及到流体力学问题。可以说，没有流体力学就没有了选矿。选矿中涉及的流体流动问题有很多，这里介绍一些典型设备的流体流动问题。

旋流器上端成圆筒形，下端呈圆锥形，矿浆快速切向给入旋流器，在旋流器内产生旋转运动。旋流器内的颗粒主要受离心力的作用，同时还受到与离心力相比可以忽略的重力和浮力的作用。在离心力作用下，较粗的矿粒被抛向器壁,以螺旋线的轨迹向下运动，由底流口排出，较细的颗粒及大部分的水分则由溢流管排出。对于颗粒尤其是小颗粒的物料，在离心力场中分选比在重力场中分选有效得多。

旋流器根据用途不同可分为水力旋流器及重介质旋流器(选矿介质不是水而是配制的重介质悬浮液,其密度与水不同)。水力可用于分级(按粒度大小分为若干级别)、还可用于脱泥、脱水及脱除浮选药剂等，重介质旋流器可用于分选。

流体力学在自然风压中的应用：生产过程中，自然风压对井下风流稳定性有很大的影响。自然风压增大时，原风向与自然风压作用方向相同的分支，其风量增加；与自然风压作用方向不同的分支，其风量减小；对于通风网络中的一些敏感分支，自然风压的作用甚至会使分支风流停滞或分支风流风向改变。

自然风压的大小和方向受季节性非常明显，因此整个矿井通风网络中支路风量及风压呈现出不稳定现象随季节的变化发生显著变化，同时，通风机的工况点也产生相应变化。按照矿井通风网络本身固有的这种变化，进行通风网络风阻及风机工况的调节，对于通风系统的节能运行是必要的，对于通风网络的安全运行更是不可缺少的。

3总结

    煤矿中环境与结构错综复杂，而流体力学的研究与发展，使流体力学在煤矿安全中的适用性得到提高，随着数学与流体力学的更加发展，其在煤矿安全中必定起到重要作用。

参考文献：

[1] 吴望一.流体力学[M].北京大学出版社，2011.

[2] 陈矛章.粘性流体动力学基础[M].北京大学出版社，1993.

[3] 吴中立.矿井通风与安全[M].徐州：中国矿业大学出版社，1989.

石化院 安全科学与工程  车雪丽  122083700001