淹没磨料射流效应实验研究

在前混合磨料射流系统和淹没射流环境下,借助数码摄像测试系统,研究淹没磨料射流中空泡云的形成以及空泡云长度随泵压、围压的变化规律.研究结果表明:在淹没磨料射流中,空化噪音随围压的增加而减少;在低围压阶段,空化噪音衰减明显,淹没磨料射流不出现最大噪音的峰值围压;而随泵压的增加,空化噪音逐渐增加,其变化规律与清水空化射流产生的空化噪音变化规律基本一致;泵压增加,花岗石的冲蚀深度增加,泵压与冲蚀深度呈指数函数分布;围压增加,花岗石的冲蚀深度减少,最优空蚀效应围压为1 MPa.     

淹没磨料射流的空蚀能力分析

淹没磨料射流的空蚀能力决定着磨料射流在水下切割能力的强弱.采用高压密闭容器模拟水下环境,利用磨料射流系统、数码摄像系统,实验研究了淹没磨料射流的紊流特性,进行了空蚀能力的理论分析.探讨了淹没磨料射流紊流系数随泵压、围压的变化规律.研究表明,文丘里型空化喷嘴的射流系统中,相同条件下,5 MPa以上淹没磨料射流的空化数较纯水空化射流大,磨料的存在使淹没磨料射流空蚀能力降低.     

液氮磨料射流流场特性及颗粒加速效果研究

采用计算流体力学方法,在考虑液氮物性变化以及液氮与磨料颗粒相互作用的基础上,模拟液氮磨料射流流场,并分析液氮射流对磨料颗粒的加速效果。结果表明:在相同喷嘴压降下,液氮磨料射流不仅具有比磨料水射流更高的射流速度和颗粒速度,而且能够在壁面上产生与水射流相当的射流冲击效果;液氮射流能够对颗粒产生较好的加速效果,最大颗粒速度随着喷嘴压降和喷嘴直径的增加而增大,随着颗粒直径的增加而降低;围压和颗粒初始速度对最大颗粒速度影响极小,在工程应用中可以忽略不计。     

磨料浆体旋转射流的速度分布及其受聚丙烯酰胺添加剂的影响

利用粒子成像速度场仪(PIV)对磨料浆体旋转射流的时均速度场进行了测量,得出了射流中磨料粒子的速度分布和滑移速度分布,并考察了聚丙烯酰胺添加剂对其的影响.结果表明,淹没条件下,射流中磨料粒子的速度分布仍类似于高斯分布;随喷距增加,在射流轴心附近的磨料轴向速度和滑移速度都先增加后降低;实验条件下,磨料浆体旋转射流的扩散角为20°,比非旋转射流的扩散角大1.52倍,因而旋转射流具有钻大直径孔眼的能力;聚丙烯酰胺具有抑制射流横向扩展和降低射流轴向衰减的作用,随聚丙烯酰胺质量分数的增加,射流固液两相的速度都相应提高.     

磨料浆体旋转射流的速度分布及其受聚丙烯酰胺添加剂的影响

利用粒子成像速度场仪(PIV)对磨料浆体旋转射流的时均速度场进行了测量,得出了射流中磨料粒子的速度分布和滑移速度分布,并考察了聚丙烯酰胺添加剂对其的影响。结果表明,淹没条件下,射流中磨料粒子的速度分布仍类似于高斯分布;随喷距增加,在射流轴心附近的磨料轴向速度和滑移速度都先增加后降低;实验条件下,磨料浆体旋转射流的扩散角为20°,比非旋转射流的扩散角大1.52倍,因而旋转射流具有钻大直径孔眼的能力;聚丙烯酰胺具有抑制射流横向扩展和降低射流轴向衰减的作用,随聚丙烯酰胺质量分数的增加,射流固液两相的速度都相应提高。     

井底受限射流流场的数值模拟

考虑到深井、超深井中井底围压对射流流场有一定的影响 ,建立了井底受限射流流场的物理模型。采用k ε模型 ,并对模型的主要系数进行了优选 ,用有限元方法对围压条件下井底受限射流的流场进行了数值模拟。给出了高围压条件下射流轴心动压力、径向速度和轴心线上湍流动能等流场参数分布 ,并与零围压条件下淹没自由射流的参数进行了比较 ,得出了高围压条件下受限射流轴心动压力衰减规律的数学模式 ,进一步完善了钻井水力参数设计的理论和方法。     

淹没状态下超高压磨料水射流切割实验研究

利用水射流切割实验系统,在80～240 MPa压力范围内对完全淹没状态下磨料水射流切割岩石的性能进行了实验研究.通过实验及数据分析,得出了磨料粒径和质量流量、射流压力、靶距、切割横移速度等参数对射流切割性能的影响规律.结果表明,在实验给出的工况条件下,磨料流量存在最佳值,在一定范围内切割深度随磨料流量增加而增加,当磨料流量达到一定值后,切割深度随流量增加反而下降;切割深度与射流压力基本呈线性增长关系;随着靶距的增大,切割深度逐渐减小;切割深度随切割速度的增加呈指数衰减趋势.     

井底受限射流流场的数值模拟

考虑到深井、超深井中井底围压对射流流场有一定的影响，建立了井底受限射流流场的物理模型。采用κ-ε模型，并对模型的主要系数进行了优选，用有限元方法对围压条件下井底受限射流的流场进行了数值模拟。给出了高围压条件下射流轴心动压力、径向速度和轴心线上湍流动能等流场参数分布，并与零围压条件下淹没自由射流的参数进行了比较，得出了高围压条件下受限射流轴心动压力衰减规律的数学模式，进一步完善了钻井水力参数设计的理论和方法。     

淹没条件下水射流涡旋特性大涡模拟及实验研究

采用大涡模拟方法对淹没条件下水射流的涡量场进行数值模拟,分析流场中涡旋的产生与扩散机制,并通过相同条件下粒子图像测速仪测量射流的涡量场,对模拟结果和方法进行验证。模拟研究泵压和围压对淹没射流涡旋特性的影响。结果表明:在射流流场中,由喷嘴出口产生一系列涡量集中的点涡旋,随着射流的前进涡旋逐渐扩散,卷吸周围介质并传递能量,卷吸范围逐渐扩大,而卷吸能力沿射流轴向呈指数衰减;随着泵压升高,整个流场中涡旋的涡量值明显增大,涡旋扩散长度直线上升;围压对涡量基本没有影响,围压的增加会使涡旋扩散区长度直线下降,减小卷吸作用范围。     

固液两相射流清洗油管涂料的实验研究

对前混合式磨料射流清洗油管进行了实验研究，研究结果表明，前混合式磨料射流清洗油管涂料的清洗速率随泵压和喷嘴直径的增大而增大，喷距、喷射角和颗粒直径的最佳值分别为１５０ｍｍ、１２０°（或６０°）和０．８ｍｍ。油管旋转速度与喷嘴平移速度的比值与清洗宽度成反比。前混合式磨料射流清洗油管涂料的速率大大高于后混合式磨料射流。     

磨料水射流中磨料颗粒的受力分析

对磨料水射流中磨料颗粒的受力进行了分析，采用量级比较和典型函数法重点研究了Basset力、虚拟质量力、Magnus力和Saffman力与Stokes力的相对重要性。结果表明，对磨料水射流进行模拟研究时，必须考虑惯性力、重力、压差力和Stokes力对磨料颗粒运动的影响。当磨料颗粒在喷嘴的收缩段和直柱段中运动时，磨料颗粒所受的Basset力、虚拟质量力与Stokes力处于同一量级，对磨料颗粒的运动影响很大，不可忽略；随着时间的推移，当磨料颗粒从喷嘴射出后，磨料颗粒所受的Basset力、虚拟质量力与Stokes力相比要小得多，对磨料颗粒的运动影响很小，可以忽略；磨料水射流喷嘴外流场中，流体粘性的存在限制了磨料颗粒的旋转，磨料颗粒所受的Magnus力比Stokes力小得多，可以忽略；在喷嘴外的自由射流区域，由于流速梯度沿径向变化较慢，磨料颗粒所受的Saffman力同Stokes力相比也可以忽略。     

高压空化水射流破碎岩石的试验分析

在不同泵压和淹没压力每件下,针对不同类型的空化喷嘴对高压空化水射流破碎岩石效果进行了一系列实验研究,其主要目的是探讨高压空化水射流的冲蚀能力与水力参数的相互关系,提高破岩效率。结果表明：射流的驱动泵压与冲蚀深度成正比;围压增加将使冲蚀深度降低;水射流存在一个最佳靶距;冲蚀时间具有区域性,冲蚀深度最终将趋于稳定,增加不明显;收敛型喷嘴的冲蚀深度远小于缩放型喷嘴的冲蚀深度．     

大曲率结构化表面湍流流场特性对比研究

湍流模型选择对于小尺寸大曲率圆管内软性磨粒流湍流流场模拟计算具有重要影响.针对此问题,提出使用标准k-ε模型与考虑两相磨粒流平均流动中的旋转及旋流流动情况的重整化群(RNG)k-ε模型进行仿真对比研究的方法.基于颗粒动力学理论的欧拉模型,对软性磨粒流的控制方程进行求解.通过使用两种湍流模型,对小尺寸大曲率圆管内湍流流动进行仿真计算,得到了两湍流模型下软性磨粒流流场的速度、压力、湍动能等数值模拟结果.仿真结果对比分析表明:标准k-ε模型模拟得到的速度值与实验值存在一定误差,而RNG k-ε模型仿真的速度值误差相对较小;标准k-ε模型对湍动能的估值计算比RNG k-ε湍流模型高,难以计算有滞止点的流动过程;RNG k-ε湍流模型能更有效地模拟有大曲率带分离的湍流流动,从而证明该模型更适合小尺寸大曲率圆管内软性磨粒流湍流流动的研究.     

静止环境中水平圆形浮力射流流动特性研究

采用基于重整化群（RNG）方法的k～ε模型结合混合有限分析法（HFAM）对静止环境中有限水深水平圆形热浮力射流进行了数值模拟,计算所得对称面上的温度等值线图与前人所做实验符合较好.进一步地分析表明,在相同的淹没深度下,对称面上温度（速度）衰减速度随密度弗劳德数的增加而减慢;在相同的密度弗劳德数条件下,对称面上的温度（速度）衰减随淹没深度的增加而加快;对射流近区的流动区域划分的初步分析,有助于对流动结构的认识;证明了该数学模型能够有效地对此种流动进行数值研究.     

电磁磨料射流直管射流水介质运动特性数值模拟分析

针对传统磨料设备存在的技术瓶颈,结合电磁磨料射流的技术优势,建立标准的k-ε涡黏模型.基于有限体积法方法模拟加速后的金属磨料粒子对水平圆管流道内水介质的加速和受力特性,揭示金属磨料粒子周围附近水介质的加速影响规律。研究表明,除金属磨料粒子前端附近水介质,金属磨料粒子表面附近其他区域水介质受到压力值较小,金属磨料粒子上侧和下侧附近水介质压力最小;距离金属磨料粒子中心10 mm甚至更远距离,水平圆管管道流体速度变化趋于平缓,水平圆管中心轴线附近水介质区域速度达2. 3 m/s左右;金属磨料粒子前端附近水介质加速趋势相对缓慢,金属磨料粒子后端附近水介质加速趋势显著,在金属磨料粒子后端附近水介质速度峰值可达到14 m/s。     

磨料射流固液两相流场的数值模拟

为了解决磨料射流固、液两相流场运动对割缝效果的影响问题,采用数值模拟的方法,通过建立磨料射流固、液两相流场的数学模型,研究了磨料两相射流割缝的速度场和流动场规律。结果表明:磨料射流中割缝速度可达100 m/s左右,有利于有效割缝;有效割缝需要入射压力至少达到25 Mpa;磨料射流割缝过程中会形成了一道"水墙"阻止磨料射流全部高速射出。产生二次回流。虽然二次加速的效果有限,但二次循环的水和颗粒经过二次加速能够再一次对壁面形成高速打击,提高割缝效率。研究成果对磨料两相射流割缝提高油井采收率具有指导意义。     

环境温度对转炉顶吹氧枪射流特性的影响

联合标准的k-ω湍流模型和雷诺平均的N-S方程,建立了转炉多喷孔氧枪超音速射流可压缩、非等温过程的三维CFD模型,模型的有效性通过实验进行了验证.考察了温度对气体分子黏度的影响,研究了不同温度场下射流动力学特性.结果表明:环境温度对射流速度、密度及温度分布有较大影响,环境温度越高,射流密度越小,速度衰减越慢,速度越大,并且射流径向扩张越厉害;温度越低,射流越易于聚并.随着射流的轴向流动,温度场对射流动压的影响逐渐减小,即射流对熔池的冲击力受环境温度影响减弱,但冲击面积随温度的提高而增大.