防爆柴油机引射式废气处理装置设计研究Word下载.docx
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从煤炭开采量上来看，中国的产量约占世界的46%；
从煤炭使用量上来看，使用量约占世界总用量的70%,并且我国每年煤炭的开采量还在逐年的提高，为世界源源不断的提供煤炭资源，因此这对我国的煤矿开采设备，提出了更高更苛刻的要求。
因为我国的制造业起步较晚，致使我国的矿山机械发展与西方发达国家相差甚远，作为矿山机械的代表矿用辅助运输设备首当其从。
自20世纪80年代起，改革开放的实施，使制造业的发展迎来春天，从而矿山机械也随之快速发展。
矿用辅助运输设备开始走上自主创新之路，逐步取代进口。
何为辅助运输设备，顾名思义就是矿井下b被用来运送材料、设备及人员的输送装备。
按照有无轨道对矿用运输设备进行分类，分为有轨运输设备和无轨运输设备。
无轨道辅助运输设备使用的牵引力为防爆柴油机或者蓄电池，并安装有橡胶轮胎来避免行驶途中摩擦产生静电火花；
有轨传送装置采用牵引力电力、低温柴油机，其线路为悬挂单线与地基双线，顺着之前搭建线路运行的车辆。
无轨胶轮车因其方便的机动性能以及同机动车相同的操作特点。
被非常广泛的使用在国外的煤矿运输中[1]。
随着我国，科学技术水平的不断提高，制造业水平也有了质的飞跃，以前只能依靠进口防爆胶轮车，但是其高昂的购买成本和使用维护成本，使许多煤矿企业增加许多生产成本。
因此我国许多矿山机械研究院，自助研发防爆胶轮车并取得巨大成果从而降低生产成本，利益最大化。
因为柴油机具有输出高扭矩、高热效率、范围广功率以及在井下恶劣环境下高可靠性等特点，动力机械的喜爱。
柴油机以其低消耗率和燃油高经济性的特点，超越汽油机，被防爆胶轮车选为其动力源。
压燃式点火所拥有的特点：
（1）能燃烧充分；
（2）燃烧热效率大；
（3）燃油消耗率小。
压燃式被评选为内燃机启动的第一选择。
燃料在内燃机中彻底反应，见产出一点CO1及NX和微小碳粉尘等有害物质。
人人皆知，煤炭开采行业被列为高危行业，是由于煤炭的开采是在井下封闭空间作业，并且在开采过程中产生大量的易燃易爆气体，稍微的疏忽就将酿成巨大事故。
而柴油机排放的废气温度高达600摄氏度，这对充满瓦斯气体的井下来说是致命的。
从1996年制定和实施的《煤炭法》到2002年颁布实施的《安全生产法》中[2]。
规定防爆发动机设计改造要求、试验方法、检验规则[3]。
因此，防爆柴油机引射式废气处理装置的研究，被看为国之大事，能大大提升煤矿开采和运输能力，意义非凡。
1.2防爆柴油机现状及发展
1.2.1国外防爆柴油机现状及发展
自从20世纪二十年代，柴油机作为动力源应用在煤矿运输设备，至今已经使用与发展了80多年了。
20世纪五十年代，英国成为国际第一个矿井下人员、材料和设备被防爆胶轮车运输的国家。
至此，防爆胶轮车进入了人们的视野之中。
20世纪六七十年代，国际上矿用柴油机进入快速发展期，取得了巨大成果。
20世纪八十年代，美国在井下投入使用的防爆胶轮车达到五千辆之多。
20世纪九十年代初，国际上在矿井下使用防爆胶轮车占总数的百分之六十之多。
多年在国外煤矿的发展，形成一个包含产品开发、制造、质量控制和售后服务的产业链防爆柴油机领域。
现在主流产品是德国的莫哈姆公司开发和生产的[4]。
汽车外国公司生产防爆柴油机的型号有很多，功率的，最大的可以达到300千瓦以上,并且增添了许多新技术。
1.2.2国内防爆柴油机现状及发展
早期，由于我国机械制造业的落后，致使防爆胶轮车的发展较晚并且恨落后。
自从20世纪九十年代，国外防爆胶轮车被神东集团公司最先引进，至此以后，国内很多公司先后从澳大利、美国和德国引进多辆防爆胶轮车，让我国的煤炭产业有了质的飞跃。
“七五”期间，机械制造业在国家投入重资的背景下得以快速发展发展，因此，我国防爆胶轮车的自主品牌得以发展。
4105型防爆柴油机就是在我国研发的，国家战略七五期间开发出来的6105型防爆柴油机，可以应用于实际生产中。
有煤炭科学研究所太原分公司，太原美凯源等[5]。
常州科研开发中心开发了WC3Y（A），WC3Y（D），WC8E型爆炸包括WC8E防爆柴油机，如图1-1所示橡胶车;
ZL16EFB，ZL20EFB，ZL30EFB防爆装载机，fb，WJWJ-4-6fb防爆柴油刮刀等等。
还与国外企业建立了合资企业，引进了国外先进技术。
虽然国内防爆胶轮车有很大的发展，但也暴露了许多使用中的问题，最典型的是“3高一低”-出勤率低，污染高，燃油消耗高，噪音大，这些问题还有待解决。
图1-1WC8E型防爆柴油机无轨胶轮车
1.3防爆柴油机防爆技术
在现如今的防爆车研制途中，其选用的机密部件为低温内燃机，其设计参数与构造被评定为核心指标。
期中使用的防爆技术包含：
进、排气系统的防爆技术、电气设备的防爆技术[6]。
图1-2防爆柴油机
1.3.1进气系统防爆技术及原理
较普通动力机械使用的柴油机而言，防爆柴油机含有独特的进气装置。
由软管、滤清器、阻火栅栏、关断阀门组成进气装置[7]。
该装置的阻火被广泛用于石油化学工业，煤矿，阻火厚度应不小于50毫米，围栏间隙不得大于0.5mm。
在井下阻断柴油发动机的回火点燃可燃瓦斯气体这是它的作用。
在空气过滤器后端设置空气截流阀时，该阀门在异常情况下切断进气口，使防爆柴油机紧急停止。
1.3.2排气系统防爆技术及原理
防爆柴油机也具有独特的排气系统。
由水冷式排气直管和歧管、排气尾管、阻火栅栏与废气处理装置五部分组成[8]。
柴油机带有涡轮增压器这是本文所选用的模型，因此还要将水冷涡轮增压器、水冷排气歧管以及水冷排气波纹管等额外的装置添加到废气处理系统中。
水冷的优点是：
保证柴油机机体表面的温度不高于150摄氏度在其运行过程中，与此同时也降低了排除的废气的温度。
目前，湿式尾气冷却系统在国内研发防爆柴油机中使用广泛，但是湿式尾气冷却系统具有很多不尽如人意的地方如下：
（1）通过水洗箱废气，由于水的阻力，增加了废气通过阻力，因而导致动力性能下降；
（2）补水箱是使用水洗箱冷却的必备装置，矿井下严峻的环境下，带来了许多不足与不便。
（3）水洗箱设计结构复杂，有很高的生产使用成本[9]。
（4）冷却水中的水持续蒸发排放到大气中，需要定时注水，增加工人工作量和使用费用。
正因为，湿式尾气冷却系统具有许多不足与缺点，并且干式尾气冷却系统具有整体重量轻、结构简单及购买价格与维护费用低等特点，所以干式尾气冷却系统的研究成为下一发展目标。
本文将对式尾气冷却系统中的废气处理装置（引射式排气管）进行研究。
1.4课题研究的主要内容和方案
1.4.1研究内容
本文采用某六缸柴油机为原型（其额定功率2200r/min,质量流约为0.177kg/s），作为矿用柴油机的使用机型。
并在其机型的基础上，对其干式引射式废气处理装置（引射式排气管）进行结构设计与分析，并使得柴油机向着含有防爆性能的方向改造，使其达到在矿井下使用的要求。
1.4.2课题研究方案
本课题研究采用CAD、CAE及仿真分析的方法，对废气处理装置（引射式排气管）进行方案设计。
同时使用计算流体动力学的程序的知识，引射式排气管数据分析，以确定该结构的参数，并探索引射器排气管的各种参数的影响的整体关系，为达到优化设计要求采用正交实验方法和单个变量的方法。
图1-3课题研究方案流程图
2引射式废气处理装置的设计
干式引射式排气管作为防爆柴油机干式排气装置的重要组成部分。
引射排气管等同于引射器的工作原理。
用防爆柴油机工作时产生的高温高压气体作为喷射介质，周围的常温空气由压强差的作用被吸入排气管内，让常温空气融入到高温废气中，使混合气体温度下降。
2.1引射理论基础
2.1.1引射原理
引射原理作为引射器的工作原理。
引射装置也可以视为能量转换组件的一个类别，在具有两种不同压力的流体（既可以两种气体，也可以是气液）的结构中彼此融合及交换能量，最后排出两个流体合并形成混合流体。
引射器构成元件有：
引射喷口、被引射流体入口、混合气混合段、扩压段[10]。
其原理图如2-1所示：
图2-1引射器详细结构分析图
从喷口进入的工作流体是高压力的状态，并通过直径很小的通道口，产生高流速状态的工作流体。
流速高的地方将产生低压区，使其与周围产生压力差吸引周围其他流体，在混合段中充分融合交换能量，最后通过直径较大管道，是混合工作流体降压降速排入大气。
根据计算流体力学相关知识，将工作流体模型简化为稳定流动模型。
假设
、
。
满足能量守恒方程、连续性方程与动量守恒方程[11]：
能量守恒方程：
连续性方程：
动量守恒方程：
2.1.2引射器的类别及应用
查阅相关文献可知，引射器具有很多分类方法如下：
（1）流体弹性特征作为分类标准分类：
弹性流体作为引射流体与工作流体；
非弹性流体和弹性流体单独作为引射流体和工作流体；
非弹性流体作为引射流体与工作流体。
（2）介质形态作为分类标准分类，如表2-1。
表2-1引射器分类
由防爆柴油机在矿井下工作的性质决定，采用气体引射器，作为废气降温处理装置。
根据矿井下实际情况决定，下文将对气体引射器进行结构分析、参数确定及优化完善。
2.1.3性能评定标准
判断引射管的工作性能，从一下几个参数标准进行评定：
2.2引射器的设计方法
引射装置是一个构造简单的装置，无移动组件，但喷管内部的流量变化非常复杂。
现如今对于该装置的设计与分析没有一套完整实用的方法，因而引射装置的设计方法成为研究的重中之重。
目前，其设计中采用的方法：
气体动力学函数法，经验系数法和经典热力学方法[12]。
气体动力函数法是基于前苏联科学家Sokurov教授单相气体引射器设计理论上提出的完整理论。
Sokurov教授在动量守恒的基础上提出，引入动力函数相关知识（如：
相对熵、相对压力、相对密度、表观速度和功率等），以及辅助设计的校正系数，使可以将流体的等熵速度与相应的热力学参数相关联。
并通过使用自身的流量理论推动相应的注入系数计算方法。
该方法可以通过相应的结构计算得到设计参数，至此，可以脱离自身经验进行设计，使设计有理可依。
图2-2引射器原理图
引射器设计公式的Sokurov推导过程：
根据引射器原理图（图2-2）可知，喉口处（截面1-1与截面2-2）使用动量守恒方程，再假设在喷口处（截面3-3与截面2-2之间）工作流体既不扩张也不出现流体融合。
推导出公式：
其中：
公式推导的假设条件为：
，其中
为射流器被引射流体吸入压力；
为射流器喷嘴出口截面；
为射流流体在截面3-3处的速度；
以各个截面处的流速可以写做：
查阅流体力学相关文献，并根据计算流体力学知识，可得流体临街截面公式为：
管内流体流过的任何截面都可以表示为：
由上述式子可以得出：
综上所述，整理可得引射管基本方程：
2.3引射式废气处理装置工作原理
引射式废气处理装置工作原理图（图2-3），柴油机的废气通过排气管输送到干式引射式废气处理装置（引射式排气管）的环形集流腔，集流腔的作用是让气体通过一个尺寸很小的环形翼面喉，从而提高气体的流速。
在高速气流周围形成了低压区，使周围的常温空气受到压强差被吸到引射式排气管的喉部，被吸入的常温空气和被柴油机排出的高温废气充分融合，使其冷却和稀释，从而实现为高温废气降温的目标，提高柴油机的防爆性能。
图2-3引射式废气处理装置工作原理图
如图2-4所示，建立干式引射式排气管模型，其结构参数包含以下几项：
废气射流角度
、喉口尺寸
、排气尾管长度
、环形集流腔腔体高度h、排气出口直径
及废气进口直径
图2-4干式引射式排气管工作原理图
上图各个结构参数直接影响着干式引射式排气管的各项性能指标，设计符合防爆喷射干式排气管的要求，需要对排气管内部流场变化是由哪些结构参数变化引起的开展探究。
随着计算机技术的快速发展，计算机模拟技术已经非常成熟了，可以实现对排气管各项指标的模拟。
较现实实验，这样大大节省了研发阶段对研发经费、研发时间及科研人员的投入。
3引射式废气处理装置仿真分析
针对防爆柴油机研发的新型引射式废气处理装置，其工作原理、基本结构及影响参数已在本篇文章上一章节有详细讲解与陈述。
并将这一研究创新点巧妙的应用到柴油机上，使其具有更好的防爆性能。
为更清楚的了解引射式排气管工作时内部流场特点。
利用计算流体动力学方法对射流干排气管的数值模拟和喷管内部流场的变化进行综合分析[13]。
分析步骤为：
首先，建立引射式排气管三维模型；
其次，对模型划分网格；
最后，数据分析处理与模拟仿真。
3.1软件简介
3.1.1Soildwork三维造型软件简介
在其问世之前，业界需求一款能够实现3D造型与Windows搭载，解放设计者劳动量的程序。
于是，SolidWorks便应运而生。
其是达索系统公司股价S.A.品牌。
是一个3D世界领先的解决方案，帮助数以百万计的工程师和设计师通过创新获得成功。
其产品提供一个直观的体验在产品设计、仿真、出版、数据管理和环境影响评估。
在使用SolidWorks三维建模过程：
首先，要对要建立模型进行整体分析，了解其结构及各个参数节点；
其次，整体分析、思考、规划建模的顺序和类别；
再次，选取基准面，开始进行二维草图的绘制并对二维草图进行拉伸、切除、扫掠和拔模，实现二维到三维的转化；
最后，将绘制好的各个零件图装配在一起并做干涉检验，完成三维建模。
DassaultSystè
mesSolidWorksCorp工具包，给SolidWorks主软件提供了附加功能，使其功能更加完善和强调。
这样给使用者有了更好的设计、分析和造型体验。
使新产品的研发与设计更加便捷及更加完美，节约公司的研发投入和工程师的研发时间。
使其在如今快节奏的社会中立于不败之地。
下面具体说明一下各组件功能：
（1）SolidWorks3D功能是让三维造型与装配的过程更具有灵活性、直观性和间接，大大缩短产品的研发周期。
（2）SolidWorksProfessional功能是为三维设计中，对三维模型进行渲染、错误检查、装配干涉检测和预算成本，使设计过程更美观与便捷。
（3）SolidWorksPremium站在SolidWorksProfessional肩膀上对其程序深入编写生成的。
其功能是加强设计和仿真验证能力。
还具有ECAD/MCAD协作、逆向工程和高级线缆及管道步路功能[14]。
3.1.2仿真软件STAR-CCM+简介
下面本论文要对引射式废气处理装置内部流场进行分析，所以使用CAE技术。
CAE中常用的分析软件CFD[15]。
一般热传倒和流动模拟的实际问题用该软件处理。
下面简要介绍一下使用该软件对问题处理的步骤：
首先，对所研究分析的问题建立模型，如何建立模型在上一小节已经详细陈述；
其次，对建立的模型划分网格，这是前期处理的核心部分，网格的划分方式和参数设定直接影响网格的质量和划分时间，进而影响分析处理的结果和效率。
因此，在此过程中要不断的完善网格，最终达到完美；
最后，就是分析计算，得出目标结果。
如今有许多公司在做此类软件并且种类繁多，本论文选用STAR-CCM+来进行模拟分析。
之所以选用，因为该软件具有许多优势如下：
（1）软件STAR-CCM+具有强大完整的网格划分体系，具有多种网格类型例如：
多面体网格，四、六面体网格。
这些多种网格类型，使得网格划分过程更加简便和高精度，得到更加完美和满足该问题分析的网格。
（2）软件STAR-CCM+自带造型功能，这省去使用其他造型软件造型后再导入的过程，也避免了模型不同软件转换过程中的失真，大大提高了分析的效率和精度。
（3）软件STAR-CCM+良好的人机交互功能，是更多人青睐的主要原因，给技术人员在分析过程中带来美感。
（4）计算流体分析软件，可以实现实时耦合计算和其他结构分析软件ABAQUS，来提高分析效率和精度在解决流体和固体的耦合问题的时候。
该软件的高效、高精度特点，让越来越多公司的青睐和使用。
3.2引射式废气处理装置网格划分
3.2.1引射式废气处理装置三维模型的建立
本文利用soildwork三维造型软件，对引射式废气处理装置（引射式排气管）进行三维造型。
为了便于数值计算、分析和建模，简化引射式排气管的结构，省略安装及装配零件的设计。
经过查阅相关文献，选取引射式废气处理装置（引射式排气管）常用的结构参数作为原始设计模型。
其主要尺寸如下：
其三维造型如图3-1、图3-2。
图3-1引射式废气处理装置
图3-2引射式废气处理装置截面图
3.2.2网格划分
本论文使用的STAR-CCM+软件，其本身带有前期处理使用的划分网格工具包，对引射式废气处理装置（引射式排气管）的工作流体区域进行网格的划分。
在划分网格之前，要对STAR-CCM+软件划分网格的参数预先设定，再进行计算与划分，得到相关数据和划分结果。
3.3引射式废气处理装置内部流场分析
通过截面云图展示处引射管内流体流动分布情况。
如图3-3、图3-4、图3-5。
3.3.1速度场分布
由图3-3分析可知，高温废气通过喉口将气流速度增加到约146m/s，并因压差形成涡流域，无回流现象。
图3-3速度矢量云图
3.3.2压力场分布
由引射原理可知：
从柴油机排放出的高温废气，通过起增压作用的环形集流腔，以高压状态从喷口进入，并通过直径很小的通道口，产生高流速状态的工作流体。
由图3-4分析可知，集流腔将废气加压到约9.5千帕，而因此产生的负压区约-2.5千帕。
根据这些数据可以得出，该模型符合干式引射式排气管工作原理。
图3-4压力分布云图
3.3.3温度场分布
研究防爆柴油机排气系统的根本原因是为高温废气降温，所以分析模拟引射式排气管内部的温度分布状况成为必不可少的一步，经过对温度模拟数据的分析来判断可否满足防爆这一核心目标。
图3-5温度分布云图
云图中的速度场分布与温度场分布具有一定的联系，而且从云图中可以看出喷口处无逆流现象、高温区域集中在环形集流腔内和喷口处。
对两张云图作对比观察与分析，可以得出一下结论：
（1）排气管管壁处温度高、速度快较其他区域来说；
（2）常温空气与高温废气融合缓慢且不充分；
（3）温度与速度成锥形分布。
由排气管出口的温度云图来看（图3-6）可得到一下结论：
（1）高温气体主要分布在下端，且混合不充分，有待优化；
（2）流出处热量的数值最高为97.5度，数值最低为66.2度，能够起冷却废气效果，达到防爆目的。
图3-6温度分布云图
4引射式废气处理装置参数分析与优化
4.1引射管各参数对其性能影响的探究
引射系数
：
吸引外界空气的能力
；
混合气混合度：
表4-1干式引射管参数
4.1.1入射角对引射式排气管性能影响的探究
采用表4-1中模型标号为16-24的九组入射角数据（其在5°
-45°
范围内），分别进行数值计算与模拟分析。
得到引射式排气管在不同入射角数值下的性能，如图4-1。
图4-1入射角度与引射系数及出口平均温度关系图
通过对图4-1的研究与分析可得以下
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