Применение CFD-моделирования в исследовании и проектировании пневматических и гидравлических ударных устройств

Дан краткий критический анализ применяемых в настоящее время методов исследования и проектирования пневматических и гидравлических ударных устройств для горного дела и строительства. Обозначены ограничения, накладываемые этими методами на получение полных достоверных результатов при моделировании работы этих устройств. Представлено краткое описание метода вычислительной гидродинамики (CFD). Приведено обоснование для применения методов вычислительной гидродинамики при проектировании и исследовании пневматических и гидравлических ударных устройств как наиболее полно и точно отражающих процессы, происходящие в этих машинах. На примере тестовой двумерной нестационарной задачи, имитирующей движение бойка пневматической ударной машины, решенной в комплексе Ansys Fluent, показаны преимущества, которые дает метод в получении информации о физических процессах, происходящих при движении бойка ударной машины, по сравнению с методами физического и одномерного моделирования. Получено стационарное решение задачи, являющееся начальным для нестационарной постановки. Получены распределения основных физических параметров во времени и пространстве, графики перемещения, скорости бойка ударника. Представлены результаты распределения давления, плотности, векторов скорости, температуры, чисел Рейнольдса и Маха в определенный момент времени.

Речкин А. А. Применение CFD-моделирования в исследовании и проектировании пневматических и гидравлических ударных устройств // Горный информационно-аналитическийбюллетень.–2022.–№7.–С.104–114.DOI:10.25018/0236_1493_2022_7_0_104.

Речкин Александр Аркадьевич — аспирант, Институт горного дела им. Н.А. Чинакала Сибирского отделения РАН, e-mail: lexxer68@gmail.com, ORCID ID: 0000-0002-0102-3824.

1. Сысоев Н. И., Гринько A. A., Гринько Д. A. Обоснование структуры и рациональных конструктивных параметров перфоратора с винтовым рабочим ходом бурового инструмента // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2021. — № 7. — С. 113— 124. DOI: 10.25018/ 0236_1493_2021_7_0_113.

2. Данилов Б. Б., Смоляницкий Б. Н., Чанышев A. И. Чещин Д. O. Определение усилий для изменения траектории движения пневмопробойника в грунте // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. — 2017. — № 4 — С. 69—79. DOI: 10.1134/ S1062739117042667.

3. Тищенко И. В., Червов В. В. Основы создания пневмомолота с разделенным ударником для погружения стержней в грунтовый массив // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. — 2018. — № 6. — С. 75—86. DOI: 10.15372/ FTPRPI20180608.

4. Юнгмейстер Д. А., Бричкин В. Н., Исаев A. И. Конструктивные и технологические параметры пневмоударника для разделки негабарита // Обогащение руд. — 2019. — № 2. — С. 3—7. DOI: 10.17580/or.2019.02.01.

5. Liu R., Yao C., Zhou X., Wang H., Ba Y., Sun Z. Dynamic frequency response model for gas turbine considering air hammer effect / Asia Energy and Electrical Engineering Symposium (AEEES). 2020, pp.247—252. DOI: 10.1109/AEEES48850.2020.9121550.

6. Gorodilov L. V., Pershin A. I. Simulation model of a hydro-impact system with two limiters of striker movement // IOP Conference Series. Earth and Environmental Science. 2022, vol. 991, no. 1, article 012037. DOI: 10.1088/1755-1315/991/1/012037.

7. Redelin R. A., Kamanin Y. N., Panichkin A. V. Designing hydraulic impact devices for low-temperature operation // Journal of Physics. Conference Series. 2021, vol. 2096, no. 1, article 012005. DOI: 10.1088/1742-6596/2096/1/012005.

8. Galdin N. S., Semenova I. A., Galdin V. N. Analysis of the striker stroke impact on the hydropneumatic impact devices energy performance // Journal of Physics. Conference Series. 2019, vol. 1260, no. 11, article 112010. DOI: 10.1088/1742-6596/1260/11/112010.

9. Slidenko A. M., Slidenko V. M. Numerical research method of an impact device model // Journal of Physics.Conference Series. 2019, vol. 1203, no. 1, article 012086. DOI: 10.1088/17426596/1203/1/012086.

10. Slidenko A. M., Slidenko V. M. The research of discrete and continuous models of impact devices by numerical methods // Journal of Physics. Conference Series. 2021, vol. 1902, no. 1, article 012024. DOI: 10.1088/1742-6596/1902/1/012024.

11. Slidenko A. M., Slidenko V. M., Valyukhov S. G. Discrete-continuous three-element model of impact device // Journal of Physics. Conference Series. 2021, vol. 2131, no. 3, article 032091. DOI: 10.1088/1742-6596/2131/3/032091.

12. Болобов В. И., Плащинский В. A. Влияние продолжительности удара на эффективность разрушения горных пород и пластического деформирования металлов // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2022. — № 3. — С. 78—96. DOI: 10.25018/0236_1493_2022_3_0_78.

13. Юнгмейстер Д. A., Исаев A. И., Ячейкин A. И., Соболева П. Д. Экспериментальные исследования погружного пневмоударника бурового станка // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2021. — № 3. — С. 28—36. DOI: 10.25018/0236-1493-20213-0-28-36.

14. Gorodilov L. V., Efimov V. P., Sazhin P. V., Kudryavtsev V. G., Pershin A. I. Method of studying the movement of the impact device case in the well taking into account the reaction of the rock massif // IOP Conference Series. Earth and Environmental Science. 2022, vol. 991, no. 1, article 012048. DOI: 10.1088/1755-1315/991/ 1/012048.

15. Tambovtsev P. N. Experimental studies of pneumatic impact device with a reduced specific consumption air // IOP Conference Series. Earth and Environmental Science. 2022, vol. 991, no. 1, article 012032. DOI: 10.1088/1755-1315/991/1/ 012032.

16. Vanag Y. V. Experimental study of pneumatic impact mechanism with three pneumatic chambers // IOP Conference Series. Earth and Environmental Science. 2022, vol. 991, no. 1, article 012017. DOI: 10.1088/1755-1315/991/1/012017.

17. Данилов Б. Б., Речкин А. А., Смоляницкий Б. Н. Исследование динамики пневмоударного механизма с эластичным клапаном при работе с противодавлением в выхлопном тракте // Интерэкспо ГЕО-Сибирь. — 2018. — Т. 6. — С. 3—11. DOI: 10.18303/2618-981X2018-6-3-11.

18. Данилов Б. Б., Речкин А. А. Обоснование принципиальной схемы и определение энергетических и конструктивных параметров гидромолота объемного типа для проходки скважин в грунте методом виброударного продавливания // Фундаментальные и прикладные вопросы горных наук. — 2018. — Т. 5. — № 2. — С. 234—237.

19. Плохих В. В., Данилов Б. Б., Чещин Д. О. Исследование динамических параметров и рабочего цикла виброударных систем, участвующих в реализации адаптивных технологических процессов // Интерэкспо ГЕО-Сибирь. — 2021. — Т. 2. — № 4. — С. 67—77. DOI: 10.33764/2618-98IX-2021-2-4-67-77.

20. Данилов Б. Б., Речкин А. А. Оценка применимости в пневмоударных машинах и оптимизация формы стационарно установленного упругого клапана // Интерэкспо ГЕО-Сибирь. — 2021. — Т. 2. — № 3. — С. 189—194. DOI: 10.33764/2618-981X-2021-2-3-189-194.

21. Thang V. T., Duc T. M., Dat N. T., Trung N. T. Tung V. T. Simulation in design air spindle with orifice and distribution grooves // International Journal of Modern Physics. 2020, vol. 34, nos. 22—24, article 20401323. DOI: 10.1142/ S0217979220401323.

22. Autio E. Dynamic overset CFD simulation of a pneumatic impact device. Master of Science Thesis. Tampere University of Technology, 2018. 55 p.

23. Nilsson T. 2-way FSI simulations on a shock absorber check valve. KTH Royal Institute of Technology. Stockholm, 2015. 68 p.

24. Zhang X., Luo Y., Fan L., Peng J., Yin K. Investigation of RC-DTH air hammer performance using CFD approach with dynamic mesh method // Journal of Advanced Research. 2019, vol. 18, pp. 127—135. DOI: 10.1016/j.jare.2019.02.001.

25. Zhang X., Luo Y., Gan X., Yin K. Design and numerical analysis of a large-diameter air reverse circulation drill bit for reverse circulation down-the-hole air hammer drilling // Energy Science and Engineering. 2019, vol. 7, no. 3, pp. 921—929. DOI: 10.1002/ese3.321.

26. White F. M. Fluid mechanics. New York: McGraw-Hill Education, 2016. 864 p.

27. Blazek J. Computational fluid dynamics: principles and applications. Elsevier Science, 2005. 496 p.

28. Sutherland W. The viscosity of gases and molecular force // Philosophical Magazine. 1993, S. 5, no. 36, pp. 507—531.

29. Chou P. Y. On velocity correlations and the solutions of the equations of turbulent fluctuations // Quarterly of Applied Mathematics. 1945, no. 3, pp. 38—54.