水垫带式输送机水垫压力场数值模拟研究

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【摘 要】为了进一步了解水垫带式输送机水垫压力场的形成机理，对水垫压力场进行了数值模拟研究。在对水垫带式输送机压力场理论研究的基础上，建立了水垫压力场的数学模型。在FLUENT6.1软件上，对水垫压力场的分布进行了数值模拟。研究结果表明：改进的喷嘴错位布置方式与传统的喷嘴平行布置方式相比，能够大幅度的提高水垫带式输送机的承载能力；减小排距和列距可以改善水垫压力场的均匀稳定性；提高带速或者增大喷嘴直径都可以提高水垫压力场的压力值。

【关键词】水垫带式输送机；水垫；压力场；数值模拟

胶带输送机主要用于输送煤炭、矿石、沙石、谷物等散装物料，其应用范围相当广泛，遍及矿山、冶金、化工、建筑、轻工、港口和车站货场。而传统托辊带式输送机具有运动件数目多、维修费用高、启动阻力大等一些缺点，并且托辊与输送带之间摩擦会产生静电火花，极易在矿井下引起火灾和瓦斯爆炸事故。为克服传统托辊带式输送机的缺点，近代出现了多种胶带与支承件之间不直接接触的带式输送机。前苏联科学家最早研制成功了水垫带式输送机，由于水垫带式输送机胶带与滑槽间的摩擦系数大大降低，胶带的耐磨性得到很大的提高，从而较大程度提高了输送机的使用寿命。胶带在滑槽内滑动的结构更加简单，运动部件也减小。这种水垫运输机较之通常的皮带托辊结构运输机节省80%的运输成本，设备投资只为其一半，是一种很有应用前景的输送设备，因此受到了人们越来越多的关注。

1.数学模型

水垫带式输送机的基本结构如图1所示。盘槽为圆弧型，沿长度方向对称分布着若干排喷嘴。工作中，如果装料均匀，由于传送带受有较大的张紧拉力，其上部受到物料的压力，下部由高压水均匀地支承，因此，可以认为传送带不会发生局部变形，传送带整体变形后的形状仍近似。

图1 水垫装置示意图

1.盘槽；2.集水槽；3.螺栓；4.喷嘴；5.支架；

6.垫片；7.中间架；8.托板；9.刮水器

假设水垫内的液体流动为等温过程。忽略流体的惯性项和体力项，并假设水的密度和粘度不发生变化。根据以上假设，采用如图2所示坐标系，由流体力学基本方程中的运动方程、连续性方程可得水垫雷诺方程为：

图2 水垫带式输送机坐标系

2.计算网格以及边界条件

为了减少计算量，根据相似准则将水垫带式输送机缩减为一个300mm×190mm的模型进行压力场分析。在贴近进水孔等流体流动变化较大的区域采用局部网格加密处理。给定计算条件下水的出入口边界条件：在喷嘴喷水口截面给定进水压力3500Pa；水垫带式输送机胶带与盘槽之间水垫侧面为出水口，设环境压力为0Pa。由于水流动比较快，热交换比较少，所以忽略传热问题。以上述数学模型为基础，在流体力学商业软件FLUENT6.1上，采用工程上应用最广泛的流场计算方法―速度和压力耦合方程组的半隐式方法（SIMPLE算法）。

3.数值模拟结果及分析

3.1喷嘴的布置对水垫压力场的影响

3.1.1喷嘴的分布对水垫压力场的影响

水垫带式输送机的喷嘴布置方式基本上有两种：平行布置和错位布置。平行布置和错位布置的列距与排距均相同，所不同的是错位布置每列喷嘴都与邻列的喷嘴在y轴方向上都有12.5mm的错位。喷嘴错位布置在压力场中央所形成的高压区的压力值在1580-1750Pa之间，这不仅比喷嘴平行布置所形成的高压区（1400-1580Pa）压力高而且面积要大得多。可见将常规的喷嘴平行布置方式稍微进行改动就可以大幅度的提高水垫带式输送机的承载能力。

3.1.2排距对水垫压力场的影响

在相同情况下对4排喷嘴到9排喷嘴的水垫压力场进行数值模拟，水垫压力场的压力值随喷嘴排数的增加而增加，并且压力场在y轴方向上的分布也随喷嘴排数的增加而更加均匀。当排数为9排时，水垫压力场的分布形状接近于一个弧形，与胶带上的物料载荷分布形状比较吻合。水垫中间是整个水垫承受载荷最大的地方，因此需要的压力也是最大。若排数为偶数时，水垫压力场在水垫中间出现一处凹值，而排数为奇数时，水垫中间的压力值则是水垫压力场的最高值，可见对于水垫带式输送机来说，排数为奇数比排数为偶数是更理想的。

3.1.3列距对水垫压力场的影响

在相同情况下对5列、7列、9列喷嘴的水垫压力场进行数值模拟，压力场中间区域的压力值随列距的减少而增大。

在喷嘴周围压力值较大，在两列喷嘴中间，压力值比较小，列距越大，则中间压力越小，水垫压力均匀稳定性就越差。而喷嘴在单位长度上的总面积不应超过某一固定值，因此当列距过小时必然要减少喷嘴的排数，对水垫压力横向的均匀稳定性。

3.2带速对水垫压力场的影响

在相同情况下对带速为0m/s、10m/s进行数字模拟，水垫压力场随带速的增大而相应地增加，不仅提高了压力峰值，而且改变了压力场压力的分布状态，在压力场纵向的中后部形成了比较明显的动压压力带。这是因为当胶带在运动时，由于水的粘性而不断将水裹挟入胶带与盘槽的间隙中，并且驱动胶带与盘槽间隙中的水沿胶带的运动方向流动。因此，带速越高，水垫的动压作用就越大，水垫承载能力就越高，越有利于水垫的形成，这也是水垫带式输送机适合于高速运输的原因。

3.3喷嘴直径对水垫压力场的影响

分别对喷嘴直径为2mm、4mm、6mm的水垫压力场进行数值模拟。压力场的压力值随喷嘴直径的增大而增加，此时水垫场压力随外界压力变化而变化的程度减少，即水垫压力场的刚度增大，水垫比较稳定。但如果喷嘴直径过大，那么在相同压力下流量也会相应增加，将导致功耗的无谓损失。因此应根据输送机的实际负载情况，选择适当的喷嘴直径。

4.结论

水垫带式输送机的水垫压力场形成机理和影响因素是十分复杂的，但是通过对水垫带式输送机模型进行数值模拟研究，可以基本掌握水垫压力场的分布规律。通过计算发现：

1）改进的喷嘴错位布置方式与传统的喷嘴平行布置方式相比，能够大幅度的提高水垫带式输送机的承载能力。减小排距和列距不仅可以提高水垫压力场压力值，还可以改善压力场的均匀稳定性。但由于喷嘴在单位长度上的总面积不应超过某一固定值，因此要将排距和列距结合起来，根据具体工况进行设计。

2）在喷嘴孔径、布置方式不变的情况下，提高带速可以提高水垫压力场的压力值，这也说明水垫带式输送机适合于高速运输的原因。

3）水垫压力场的压力值随喷嘴直径的增大而增加，要综合考虑到输送机上物料的实际负载情况，选择适当的喷嘴直径。

4）水垫带式输送机的水垫压力场的数字模拟研究为今后的水垫带式输送机实际应用和完善提供了基础。