超音速气射流破煤机理及其影响因素研究

气射流破煤是高压气体经喷嘴加速,在空气中自由发展,最终冲击破煤的连续综合过程。基于空气动力学与岩石力学理论,利用气射流破煤的连续过程机理。制取4种不同强度的试块进行的气射流破煤影响因素研究,分析不同恒定条件下,高压气射流冲击形成的冲蚀坑深度和面积的影响。存在最优靶距为30mm、最优喷嘴规格为2.75Ma和3.5Ma以及冲蚀坑深度随着喷嘴入口压力的不断提高总体呈不断增大的趋势,冲蚀坑面积亦呈现随着喷嘴入口压力提升而增大的趋势。     

双射流破岩钻孔参数实验研究

双射流是由由心直射流和同轴的环形旋转射流形成的一种新型高效射流,用双射流能够克服门限压力与高破岩比能的制约而高效破岩.采用破岩实验研究了喷嘴锥角、叶片出口角、内喷嘴直径、喷距和压力5个主要参数对双射流破岩效果的影响.结果表明,喷嘴入口锥角为60°、叶片出口角为18°的喷嘴产生的射流具有较强的破岩能力;当双射流喷嘴当量直径一定时,大的内喷嘴直径获得的破岩深度较大但会减小破岩体积;实验条件下,双射流破岩的最优喷距为10～20 mm,破岩门限压力为20～25 MPa,破岩体积随压力的增加而增加.     

气液两相射流破岩流场数值模拟

为解决传统水射流破岩资源消耗巨大的问题,急需研究出一种高效节能的射流破岩技术,以达到节能减排、绿色可持续发展的目的。本文基于计算流体力学方法,在水射流的基础上加入定量气相,形成气液两相射流,并对其进行数值仿真,研究了气液两相射流的速度场、压力场特性,分析了气相体积分数、入射压力和喷距对气液两相射流破岩性能参数的影响规律。研究结果显示：气相体积分数为30%的气液两相射流的最大轴向速度为288 m/s,相比纯水射流提升超过19%。当射流从喷嘴喷出,高压的气泡溃灭会形成高速溃灭微射流,提高射流速度和射流冲击力。随气相体积分数增加,射流最大轴向速度不断增加,而驻点压力略有下降。随入射压力增加时,射流最大轴向速度呈上升趋势,但增幅逐渐变缓。当喷距增加到35 mm时,射流中的大部分气泡在靶面附近发生溃灭,对靶面产生脉动冲击,使驻点压力回升到26 MPa,此时驻点压力高,射流扩散较小,射流破岩性能良好。     

双射流破岩钻孔参数实验研究

双射流是由中心直射流和同轴的环形旋转射流形成的一种新型高效射流,用双射流能够克服门限压力与高破岩比能的制约而高效破岩。采用破岩实验研究了喷嘴锥角、叶片出口角、内喷嘴直径、喷距和压力5个主要参数对双射流破岩效果的影响。结果表明,喷嘴入口锥角为60°、叶片出口角为18°的喷嘴产生的射流具有较强的破岩能力;当双射流喷嘴当量直径一定时,大的内喷嘴直径获得的破岩深度较大但会减小破岩体积;实验条件下,双射流破岩的最优喷距为10~20 mm,破岩门限压力为20~25 MPa,破岩体积随压力的增加而增加。     

高压水射流切割HTPB推进剂的实验分析

为考察高压水射流对HTPB推进剂在安全条件下的冲击效应和主要射流参数在不同工况条件下的切割效果,利用自研的实验平台,在出口压力60～100 MPa的安全范围内,开展了高压水射流切割HTPB推进剂的实验研究。通过正交实验,以质量损失率为衡量指标,完成了固定式切割中出口压力、靶距、喷嘴直径和喷头转速4个参数的优化。以固定条件下的射流参数为基础,以质量损失率及切割深度为衡量指标,分析得出移动式切割中出口压力、靶距和横移速度3个因素对切割效果的影响规律。实验结果表明：固定式切割中的射流参数存在最佳值,即当出口压力为96 MPa、靶距为20 mm、喷嘴直径为0.3 mm、转速为3 000 r/min时,切割损失率最高为68.3%。在此工况下开展移动式切割实验可知,质量损失率和切割深度与出口压力的增大基本呈正比关系,与靶距的增大呈反比关系,并且随横移速度的增加呈衰减趋势。     

直接空冷凝汽器干式吹扫系统的喷嘴流场特性

针对干式吹扫系统压缩空气从喷嘴射入到凝汽器翅片时,其速度减小影响吹扫效果的问题,运用射流动力学和计算流体力学理论对喷嘴外流场进行模拟,分析喷嘴结构和喷嘴到翅片的距离(靶距)对喷嘴射流能力的影响。研究结果表明:在相同靶距和工作压力下,与圆柱长度30 mm、直径为1.6 mm的喷嘴相比,圆柱长度为25 mm、直径为1.8 mm的喷嘴射程更长,速度更高,射流能力更强;在相同条件下,与单孔喷嘴相比,双孔喷嘴的射程更长,射流面积更大,喷嘴射流能力更强。靶距越大,翅片入口的空气速度越小,射流面积则先增大后减小;为满足较高的吹扫效果,当喷嘴入口压力为0.65 MPa时,选取收缩角为40?,圆柱长度为25 mm,圆柱直径为1.8 mm的喷嘴结构,采用双孔布置,最佳靶距为40 mm。     

新型气溶性射流喷嘴设计与数值模拟

针对传统高压水射流清洗耗水量大,能耗和运营费用高、清洗后的废液需要处理才能达到环保要求的缺陷,提出了新型射流清洗方式—气溶性射流.对新型气溶性射流喷嘴进行了结构设计,得到了喷嘴混合室直径、喉部直径、出口直径、收缩段长度以及扩张段长度等关键参数,并对新型喷嘴内外气液二相流场进行了深入计算与分析.结果表明,气液二相流雾滴在喷嘴轴线上速率随气流入口压力增大而增大,在喷嘴喉部速率变化率最大,在喷嘴出口处速率达到最大;当扩散角为10°时,射流扩散较慢,内部扰动和摩擦损失较小;当收缩角为30°时,气液二相流流动性较好,能量损失较小;粒径较小雾滴沿轴线方向速率变化较大,当喷射距离为35mm时,气液二相流雾滴速率达到最大值.     

煤层水力割缝自吸磨料喷嘴特性与参数

针对煤矿纯水射流割缝遇硬煤失效,而磨料射流割缝技术难以实现磨料连续添加等问题,基于引射原理,采用前后双喷嘴结构,设计出一种自吸式磨料射流割缝喷嘴,可以连续吸入割缝产生的煤粒形成磨料射流,提高割缝能力.通过液固两相数值模拟,发现煤粒在喷嘴内经历了3个加速阶段:吸入口加速段、混合腔加速段和后喷嘴加速段.以提高吸入量和最终煤粒的速度为指标,得到喷嘴的最优结构:前喷嘴直径为3 mm,后喷嘴直径为5 mm,后喷嘴长度15 mm.对比割缝实验结果表明,自吸式磨料射流割缝喷嘴的割缝效率较传统割缝喷嘴明显提高.     

诱导喷咀装置基本特征参数的试验研究

淹没射流的有效靶距一般较非淹没射流要小得多。为了提高淹没射流的有效靶距,本文提出了诱导喷咀装置并分析了喷咀装置的诱导机理。当诱导不同介质时,测试了d_2/d_1 (下游喷咀直径/上游喷咀直径)之值的变化对诱导喷咀装置特性的影响。给出了较为合理的装置参数。d_2/d_1=2.0时诱导空气喷咀装置的射流轴心滞止压力随靶距变化曲线的近似直线段达L/d_1=10～12。诱导喷咀装置和普通喷咀进行了冲蚀试样的对比实验,并讨论了诱导喷咀装置的几种应用可能性。     

基于Fluent的射流喷嘴结构设计与优化

合理地选择射流喷嘴参数,实现天然气水合物的固态硫化开采,是促进天然气水合物商业化采掘的关键因素之一.利用Fluent软件建立不同结构参数的单喷嘴流场湍流模型,仿真分析了5种不同结构尺寸的喷嘴对水合物射流破碎的影响,并通过正交试验对单喷嘴结构参数进行优化.仿真结果表明:喷嘴出口处带有扩散角时有利于利用水射流的能量,达到良好的射流破碎效果;最优的喷嘴结构参数为,入口直径D=2.0mm,过渡段直径d0=0.8mm,过渡段长度l=4mm,收缩角α1=24°,扩散角α2=10°.     

超临界二氧化碳粒子射流破岩性能分析

由于页岩和致密砂岩等非常规储层岩石的破岩门限压力大,为充分发挥超临界二氧化碳在开发非常规资源方面的技术优势,提出引入粒子后形成超临界二氧化碳粒子射流,提高射流的破岩效率。在优化超临界二氧化碳射流破岩实验流程的基础上,研制超临界二氧化碳粒子射流破岩实验装置,分析超临界二氧化碳粒子射流的破岩性能。结果表明:相对于纯超临界二氧化碳射流,加入石英砂30 s后超临界二氧化碳粒子射流的破岩性能得到大幅度增强,破岩体积提高了66.67%;超临界二氧化碳粒子射流的破岩性能随着喷嘴直径和喷距的增大先增强后减弱;本试验条件下最优喷嘴直径为3 mm、喷距为6 mm,粒径为0.3～0.5 mm;压力和温度越高,射流的破岩性能越强,但增强的趋势逐渐变缓。     

缝隙冲击射流淬火对流换热的影响因素

采用有限元方法对非淹没缝隙射流冲击区单相对流换热进行数值模拟.结合辊式淬火冷却的特点,分析了缝隙射流冲击区对流换热的影响因素如射流速度、射流出口距冲击板的距离(高度)、喷嘴宽度、射流出口速度方向与冲击板之间的夹角、水温等.结果表明:在淬火100 mm厚钢板时,经济实用的工艺参数为射流速度40～45 m.s-1,射流出口距冲击板的距离(高度)20 mm,喷嘴宽度2 mm,射流出口速度方向与冲击板之间夹角45°,水温10～35℃.     

牙轮钻头自激振荡脉冲喷嘴的实验研究

在理论和实验研究的基础上,设计了几种用于牙轮钻头的自激振荡脉冲喷嘴,在常压下进行了射流脉冲压力测试和冲蚀天然红砂岩的实验。实验结果表明,所设计的风琴管自激脉冲喷嘴和亥姆霍兹振荡腔脉冲喷嘴具有很强的脉冲效果,其冲蚀岩石能力大大高于普通锥形喷嘴,其中风琴管自激脉冲喷嘴的脉冲效果和破岩能力最强。实验还表明,自激振荡脉冲喷嘴射流存在最优喷距,最优喷距的大小为喷嘴出口直径的7～14倍。自激振荡脉冲喷嘴可直接应用在钻头上,能提高钻井速度,降低钻井成本。     

超临界二氧化碳射流破岩试验

采用超临界二氧化碳射流进行破岩钻井是一种极具潜力的非常规油气藏钻采方法。依据石油钻完井的特点和超临界二氧化碳流体的特性,研制超临界二氧化碳钻完井试验系统,并进行超临界二氧化碳射流破岩试验。结果表明:超临界二氧化碳射流比高压水射流破岩具有显著优势;喷嘴直径、喷距、射流压力和岩石性能对超临界二氧化碳射流与高压水射流破岩的影响规律基本一致;井底环境温度对超临界二氧化碳射流破岩效果影响显著,在向超临界态转变的过程中,射流破岩效果随着温度的升高急剧增强,当温度超过临界值后,温度升高对射流破岩效果的改善趋缓。     

射流泵空化影响因素的数值分析

基于URANS方法,对射流泵内空化流动进行了数值模拟.采用喷嘴出口处的脉动压强及泵内平均汽相份额为指标分析了不同工作参数、结构参数和初始含气量对射流泵空化影响.结果表明,对同一射流泵,当初始含气量相同时,随着工作压力的升高或出口压力的降低,空化加剧;对同一射流泵在相同工作参数下,水体中初始含气量越高,空化越严重;对不同面积比的射流泵,当初始气含量和工作参数相同时,面积比越小,空化越严重.     

围压下磨料射流喷射套管及灰岩实验研究

在设计可承受围压的磨料射流喷射实验装置基础上,选取低孔低渗的石灰岩及套管试件,改变喷射压力、围压、喷嘴直径、喷射距离等因素,分析磨料射流切割套管及岩心的特性。结果表明,喷射压力、喷嘴直径等是影响磨料射流喷射效果的主要控制因素,喷射压力及喷嘴直径越大,喷射效果越好,射孔深度越深;射穿套管的时间对喷距及围压较为敏感,但岩样中的射孔深度对二者变化时的响应较小。     

长圆形出口喷嘴射流特性的实验研究

在研究矩形出口喷嘴射流的基础上,对长圆形出口喷嘴的射流特性进行了室内实验研究.结果表明.长圆形喷嘴射流在短轴剖面上的扩散角比在长轴剖面上大.随喷距的增大.其横向截面将逐渐变为圆形.长圆形喷嘴的流量系数大于同样结构特征的矩形喷嘴,其射流的轴心动压力衰减以及横向动压力梯度分布规律与矩形喷嘴射流相似.随喷距增加.长圆形喷嘴的轴心动压力衰减比矩形喷嘴衰减慢.在钻头上使用的长圆形喷嘴的最佳无因次喷距应在无因次等速核长度L_1和最大轴心动压力衰减梯度所在的无因次喷距L_(max)之间.     

小流量磨料射流切割性能的试验研究

在非淹没条件下,前混合磨料射流切割所用的圆形喷嘴直径多在1．3mm以上,磨料消耗量大,射流功率大,不能满足生产所要求的小型化、高压力、小流量的发展方向,为了前混合磨料射流的快速发展,提倡采用直径较小的圆形喷嘴。对φ0．65mm和φ1．38mm普通圆形喷嘴所产生的射流进行了对比试验研究,得出了这两个圆形喷嘴在非淹没条件下切割铝板所产生的射流运动规律。实验结果表明：在非淹没和其他条件相同的情况下,φ0．65mm圆喷嘴射流比φ1．38mm圆喷嘴射流的移动速度减慢了大约20％,但切割比能耗降低了大约57％。     

脉冲空化多孔喷嘴破岩效果试验研究

射流喷嘴是径向水平井技术中的关键部件,其破岩能力直接影响水平井眼的延伸能力和钻进速度。在多孔喷嘴的基础上,设计脉冲空化多孔喷嘴,分析其脉冲空化射流的调制机制,并通过试验与多孔喷嘴的破岩效果进行对比。结果表明:脉冲空化多孔喷嘴破岩效果优于多孔喷嘴,孔眼深度是多孔喷嘴的1.02~2.18倍,破岩体积是多孔喷嘴的1.23~2.35倍;为保证喷嘴破岩形成的最小孔眼直径大于喷嘴外径,试验岩样的喷嘴压降不能小于30 MPa;射流喷嘴破岩存在最优喷距,试验条件下的最优喷距为12 mm;利用脉冲空化多孔喷嘴可增加径向井的水平延伸长度,提高钻进速度。     

冷喷涂制备功能涂层工艺中两相射流数值模拟研究

在材料表面改性新技术——冷喷涂工艺中,喷嘴出口射流流场的特性对喷涂介质参数、涂层性质有重要影响．为此通过适当的工程简化,以不同材料、直径的固体颗粒,对圆喷嘴超音速流场进行了两相射流流场的数值模拟计算,得到了流场的压力和速度分布．结果表明：大密度颗粒与大直径颗粒受流场影响趋势相同;材料密度较大时,颗粒直径应相对取小,材料密度较小时,颗粒直径应相对取大些,喷涂效果最佳;若喷涂气体为空气时,最佳颗粒直径应在1～10μm．