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《河北工程大学》 2017年
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湿式混凝土喷浆机喷嘴的优化设计研究

王清强  
【摘要】:喷浆机是喷射混凝土支护的重要机具,广泛应用于矿山、公路隧道、涵洞、煤矿井巷和水利水电工程。喷嘴是喷浆机的核心部件,其结构设计是否合理以及结构参数的匹配关系直接影响喷嘴内出口混合均匀程度,进而影响喷嘴施工时的回弹量。然而,现实中喷嘴结构的设计并不合理,导致在施工作业中,依然会出现物料混合不均匀、物料粘结管壁、回弹量大、脉冲现象严重等问题。为解决上述问题,本论文做了如下工作:1.运用多相流基本理论对喷嘴内混合流体建立了数学模型。通过理论计算得到喷嘴出口混合流体的速度值和压力值。分析了喷嘴内砂子、速凝剂、压缩空气、水泥浆各相在喷嘴内部的混合机理,根据流体的流动特性选择了正确的数值模拟方法和湍流模型。2.对喷嘴结构模型进行了简化,在流体前处理软件Gambit中建立了流场分析模型,完成了喷嘴不同区域的网格划分,最后定义了不同的边界类型。3.将划分好的网格导入到Fluent软件对喷嘴内混合流体进行数值模拟,得到了喷嘴内混合流体速度场、压力场、各相体积分数的分布情况。并分析流场分布与喷嘴结构之间的关系,运用数理统计当中的均值和标准差对喷嘴出口混合均匀程度做了定量分析,得到喷嘴内不同截面上成分均匀度和速度均匀度。4.为了提高喷嘴出口混合流体混合效果,完成了喷嘴结构的初步改进。引入正交试验法,对改进后的喷嘴结构参数进行了优化,选取出口成分均匀度和速度均匀度为考核指标,以泥浆管入射角、预混合管长度、变径管长度、聚料管长度为优化参数,设计了16组试验方案,利用Fluent软件对16组不同结构模型进行数值模拟,采用极差分析法对正交实验所得结果进行处理,得到了各个参数对喷嘴混合程度影响的主次顺序以及喷嘴最优结构参数组合,研究结果对喷嘴结构的设计具有一定的指导意义。
【关键词】:喷浆机 喷嘴 流场分析 均匀度 正交试验
【学位授予单位】:河北工程大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TU643
【目录】:
  • 摘要6-7
  • Abstract7-11
  • 第1章 绪论11-19
  • 1.1 课题研究的背景与意义11-12
  • 1.2 混凝土喷浆机研究现状及发展趋势12-14
  • 1.2.1 混凝土喷浆机研究现状12-14
  • 1.2.2 混凝土喷浆机发展趋势14
  • 1.3 湿国内外喷浆机喷嘴的研究现状14-17
  • 1.4 本文的研究内容与方法17-18
  • 1.5 本章小结18-19
  • 第2章 喷浆机喷嘴内部混合流体数学模型的建立19-31
  • 2.1 喷浆机简介19-20
  • 2.2 喷嘴的结构及工作原理20-21
  • 2.3 喷嘴内气-液-固三相流理论分析21-22
  • 2.4 喷嘴内混合流体数值仿真研究22-26
  • 2.4.1 研究两相流的方法22-23
  • 2.4.2 流体动力学控制方程23-26
  • 2.5 多相流模型的选择26-27
  • 2.6 喷浆机喷嘴流场湍流模型27-30
  • 2.7 本章小结30-31
  • 第3章 流场分析前处理31-39
  • 3.1 CFD技术概述31-33
  • 3.1.1 Fluent软件简介32-33
  • 3.1.2 Gambit软件简介33
  • 3.2 喷嘴几何模型的建立33-36
  • 3.3 网格划分36-38
  • 3.3.1 流场域的建立36-37
  • 3.3.2 网格的划分37-38
  • 3.4 本章小结38-39
  • 第4章 流场的数值模拟和仿真分析39-53
  • 4.1 求解器参数设置39-41
  • 4.2 仿真结果与分析41-47
  • 4.2.1 速度场分析41-44
  • 4.2.2 压力场分析44-45
  • 4.2.3 体积分数分析45-47
  • 4.3 混合程度分析47-52
  • 4.3.1 混合效果计算公式47-49
  • 4.3.2 成分均匀度计算49-50
  • 4.3.3 速度均匀度计算50-52
  • 4.4 本章小结52-53
  • 第5章 喷嘴结构的改进及其参数优化53-63
  • 5.1 问题的提出53
  • 5.2 喷嘴结构的改进53-54
  • 5.3 结构参数优化54-60
  • 5.3.1 正交试验概述54-55
  • 5.3.2 正交试验设计55-56
  • 5.3.3 正交试验结果分析56-60
  • 5.4 优化前后结果对比60-62
  • 5.5 本章小结62-63
  • 总结与展望63-65
  • 致谢65-66
  • 参考文献66-69
  • 作者简介69
  • 攻读硕士期间研究成果69-70

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