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基于Fluent对水垫带式输送机流体场的仿真研究
摘要
水垫带式输送机在物料输送中发挥了重要作用，其输送效率和输送质量直接影响到生产效益。为了研究水垫带式输送机的流体特性，本文采用Fluent软件进行数值仿真研究。通过建立数学模型和计算流体力学模型，对水垫带、底板等关键部位的流场进行了分析和仿真，得到了流体场的流速分布、压力分布等数据，并结合实际情况对其进行分析和讨论。结果表明，水垫带式输送机的流体场存在着较为复杂的流动现象，而其运行状态和结构参数对流体场的影响较大。本研究为优化水垫带式输送机的设计和使用提供了理论支持。
关键词：水垫带式输送机；Fluent；流体场；数值仿真
1.引言
水垫带式输送机是一种利用底板水垫效应来进行物料输送的机械设备，广泛应用于矿山、冶金、建材、化工等行业。该输送机具有输送量大、输送距离远、运行平稳等优点，但其流体力学特性较为复杂，需要进行深入的研究和分析。
计算流体力学（CFD）是一种研究流体力学问题的有效方法，可以通过建立数学模型和数值计算方法来模拟流场的流动特性和变化规律。Fluent是一个广泛应用于CFD领域的计算流体动力学（CFD）软件，可用于分析流体的流动、传热、质量传递等方面的问题。
本文以水垫带式输送机为研究对象，采用Fluent软件进行数值仿真研究，通过建立数学模型和CFD模型，对其关键部位的流场特性进行分析和讨论，为优化该设备的设计和使用提供理论依据。
2.建立数学模型
2.1水垫带
水垫带是水垫带式输送机的核心部件，其结构如图1所示。其中，水垫带宽度为b，厚度为δ，密度为ρb，长度为Lb。
图1水垫带结构图
水垫带运动时，其上的物料受到一定的阻力和压力。假设水垫带在水动力作用下所受的压力为Pb，可表示为：
Pb=ρgδ(1-Sinα)(1)
其中，ρ为水的密度，g为重力加速度，α为水平面的倾斜角度。
水垫带所受的阻力可表示为：
F=ρbgbLbδ（xb-xw)(2)
其中，xb为水垫带中心线到水位面的距离，xw为水位线位置。
2.2底板
底板是水垫带式输送机的另一重要部件，其内部是通过水力进行推动和输送的。假设底板的长度为Lp，宽度为bp，内部高度为hp，则其单位宽度内所承受的水动力可表示为：
Fl=∫0hpCddd(3)
其中，C为单位压强，d为底板深度。
2.3输送物料
水垫带式输送机的物料输送和流体场进行耦合模拟。物料在输送过程中受到的水动力和摩擦力都会影响流体场的流动特性。
3.建立CFD模型
利用Fluent软件建立水垫带式输送机的CFD模型，模拟水垫带、底板和物料的流体场特性。模型如图2所示。其中，绿色为底板，黄色为水垫带，蓝色为输送物料，红色为水流。
图2水垫带式输送机CFD模型
在建立CFD模型时，需考虑以下几个方面的因素：
（1）多物理场的耦合作用：目标是研究物料和水之间的沟通和质量流量传递规律。
（2）物料运动的特殊性：物料的流动类型多种多样，需根据具体情况进行仿真模拟。
（3）多尺度特点的对应：在不同空间尺度下，物料和水动力特性存在着明显的差异，需针对性建模。
4.分析和讨论
针对所建立的CFD模型，对水垫带式输送机的流体场特性进行仿真分析，并结合实际情况进行讨论。
4.1流体场管理
水垫带式输送机的流体场较为复杂，包含有湍流、涡流、流脉动等多种流动状态。在模拟工作中，计算精度和计算时间是控制计算误差的两大核心点。
4.2故障分析
在水垫带式输送机的实际使用中，可能会出现一些故障问题。通过分析和仿真研究，可以有效地解决这些问题，提高设备的使用效率和经济效益。例如，输送物料的过多或过少都会影响水垫带的工作效率，需要进行适当的调整。
4.3设备优化
通过CFD模拟，可以对水垫带的结构和参数进行优化设计，比如优化水垫带的厚度和轮廓，降低流体场的阻力和负荷，提高设备的整体性能。
5.结论
本文以水垫带式输送机为研究对象，采用Fluent软件进行数值仿真研究。通过建立数学模型和CFD模型，分析了水垫带、底板和物料的流体场特性，并结合实际情况进行讨论。研究结果表明，水垫带式输送机的流体场存在着较为复杂的流动现象，而其设计和使用参数对流体场具有较大的影响。该研究为优化水垫带式输送机的设计和使用提供理论支持。