CC BY
41
22 А. В. Бартышев
ГОРНЫЕ МАШИНЫ И КОМПЛЕКСЫ
УДК 662.232.522.2
А. В. Бартышев
РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ДИНАМИЧЕСКОГО ДАВЛЕНИЯ В ГИДРОМОНИТОРНОЙ СТРУЕ
Гидромониторная струя является связующим звеном между гидромонитором и его способностью разрушать угольный массив. Параметры струи зависят от свойств струеформирующих устройств гидромонитора и определяют эффективность гидравлического разрушения массива. Основной энергонесущей характеристикой струи является динамическое давление, которое прямо пропорционально плотности и квадрату скорости водовоздушного потока. Недостатком существующих описаний параметров гидромониторной струи является отсутствие универсальных закономерностей изменения динамического давления, приводимые закономерности справедливы только для конкретных струеформирующих устройств, исследованных в лабораторных условиях.
В настоящей работе предлагается модель гидромониторной струи, позволяющая определять распределение динамического давления для широкого диапазона гидромониторов. Установлено, что параметры струи зависят от конструктивных особенностей струеформирующего устройства, насадка или успокоителя и качества их изготовления. Эти особенности гидромонитора возможно выявить только по результатам стендовых испытаний.
Отличительной особенностью предлагаемой модели является ее прикладной характер. Описывается только рабочая часть струи, граница которой определяется условием: дина-
мическое давление не ниже некоторого порогового значения Ртіп, зависящего от свойств разрушаемого угля. Таким образом, длина рабочего участка 1р является функцией характеристики крепости угля.
Рабочий участок струи гидромонитора разделен на два: начальный, длиной 1н, и основной, длиной 10 (рис.1).
Динамическое давление на основном участке распределяется по закону, соответствующему решению уравнений пограничного слоя, используемых при рассмотрении движения турбулентной осесимметричной струи-источника несжимаемой жидкости, допускающих автомодельное решение:
1ф - расстояние от фокуса струи до среза насадка; г - радиальная координата струи
На начальном участке осевое динамическое давление в струе рт постоянно и равно величине давления при выходе из насадка гидромонитора Р0
(ядро постоянных давлений).
Основной участок расположен после начального и заканчивается вместе с рабочим. В рамках модели предполагается, что на начальном участке производительность разрушения постоянна, а на основном убывает до нуля на расстоянии 1р. Поэтому распределение динамического давления на основном участке струи является главным параметром, оценивающим её разрушающую способность при существующей дистанционно-сти.
Р =--------~2-------- (!)
(1 + —/
(е- 1Г
где £ - эмпирическая константа, определяемая из опыта.
Изменение осевого динамического давления рт на основном участке определяется формулой
8
Рт’ = О+и • (2)
Коэффициент пропорциональности 8 определяется из опыта и характеризует струеформирующее устройство. На начальном участке струи осевое давление постоянно и равно подводимому к насадку рт=Рд. Сопоставление теоретической
Горные машины и комплексы
23
Рис. 2. Изменение осевого динамического давления по длине
струи
кривой с данными, полученными на стенде, приведено на рис.2.
Формула (1) определяет скалярное поле динамического давленияр=/(г, I) на основном участке гидромониторной
струи. Эмпирические констан-
ты ё и £ выражают связь между условиями истечения и динамическими параметрами струи.
Гидравлическое разрушение обеспечивается эффективным ядром струи (рис.3), которое обладает энергией, достаточной для разрушения массива, и зависит от Ртйп, связанного с крепостью угля.
В исследованиях динамики струи эксперимент имеет решающее значение. В рамках разработанной модели гидромониторной струи достаточно измерить осевое (максимальное) динамическое давление ртк на расстоянии 4 в пределах основ-
ного участка для того, чтобы из соотношений (1) - (2) и закона сохранения импульса вычислить основные параметры качества струи через основные технические параметры гидромонитора: подводимое давление и диаметр насадка
£ = ( 400^ У\ (3)
5 = К,(200^)2р(1 + 4к~а) ,
„ V — Р тк
где К, -------.
а р
1 0
При этом «коэффициент компактности» и «коэффициент дальнобойности» позволяют
вычислить параметры струи, определяющие эффективность разрушения: рабочую длину
струи и радиус эффективного ядра
'-=15.
Р \Рт,
=е'' - ’] (4)
У \ V тгп )
Радиус и площадь эффективного ядра на основном участке определяются параметрами угольного массива и убывают с увеличением I. На начальном участке радиус ядра постоянен.
В результате выполненных исследований установлено, что динамическое давление в гидромониторной струе обратно пропорционально квадрату расстояния до насадка, а в поперечном сечении закон распределения близок к нормальному. Для серийных гидромониторов (типа ГМДЦ - 3) осевое динамическое давление на расстоянии 2 - 3 м от насадка уменьшается в 1,8 - 2,7 раза. Полное описание пространственно -динамических характеристик струи обеспечивается предложенным коэффициентом осевого динамического давления, который позволяет рассчитывать размеры эффективного ядра струи, непосредственно участвующего в разрушении массива и определяющего рабочую длину струи.
Рис. 3. Поперечное сечение струи: 1 - эффективное ядро; 2 -граница ядра; 3 - нерабочая часть струи
□ Автор статьи:
Бартышев Александр Васильевич - соискатель Института угля и углехимии СО РАН
