带孔刚性壁对水下爆炸气泡特性影响研究

基于Autodyn对近带孔刚性壁气泡脉动及水射流现象进行模拟,将气泡运动分为破孔射流击穿气泡和壁面射流击穿气泡两种情况,分析破孔半径、爆距、装药量对气泡运动特性的影响.针对气泡的射流速度、压力、脉动周期、中心位移等参数进行分析,发现减小破孔半径对于破孔射流起增益作用,增大爆距对壁面射流起减益作用,并与近无孔刚性壁气泡及水射流特性进行对比,发现同种工况下带孔刚性壁壁面射流压力、速度峰值及气泡脉动周期均小于无孔刚性壁情况.      

高压气液两相射流冲击破煤特性

目前,水力割缝技术已经成为治理煤矿瓦斯灾害,实现煤层卸压增透的主要手段之一.高压气液两相射流作为一种新型高效的多介质强力射流,在冲蚀破岩性能上优于传统单介质射流.为了提高高压气液两相射流的破煤性能和卸压增透效果,通过改变高压气液两相射流的含气率、射流压力、冲击靶距以及喷嘴直径等基本参数,并结合超声波系统,探究了关键参数对两相射流冲击破煤的影响.结果表明:高压气液两相射流的冲击侵蚀破煤比传统纯水射流效果更显著,并且当含气率Fa=30%,射流压力Pw=10 MPa,冲击靶距Ds=300 mm,喷嘴直径Dn=3.5 mm时,气液两相射流冲击破煤的效果更好.试验研究结果对于含气率、射流压力、冲击靶距及喷嘴直径等关键参数的选择提供了合理的参考,有效地提高了高压气液两相射流冲击破煤的效果.     

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.     

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。     

后混合水射流喷丸喷头外流连续相数值模拟

为研究后混合水射流喷丸喷头外流场的运动特性,应用FLUENT软件对后混合水射流喷丸喷头外流场连续相进行了数值模拟。根据射流的湍动特性,连续相采用三维不可压缩稳态雷诺时均N-S方程,湍流模型采用标准k-ε模型。分析喷丸压力和靶距对外流连续相轴向速度和轴向动压强的影响。结果表明,外流连续相水的轴向速度和轴向动压强具有显著对称性,最大轴向速度和轴向动压强均出现在射流轴线上。其值随喷丸压力的增加而增大,随喷丸靶距的增加而减小。当喷丸压力为350 MPa、喷丸靶距为50 mm时,最大轴向速度为22.0 m/s,最大轴向动压强为0.24 MPa。该研究为外流离散相弹丸运动状态的分析奠定了基础。     

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。     

基于ALE算法的水射流破土特性

为探究水射流破土过程中射流参数对破土特性的影响,通过ALE流固耦合算法建立了淹没状态下水射流破土的数值模型,开展水射流破土的室内试验验证了数值计算结果的准确性。基于数值模型分析不同射流速度和靶距下冲蚀深度与体积的变化特征,探讨射流参数对破土特性的影响机制。研究结果表明：水射流破土形成的冲蚀深度随着射流速度的增大而逐渐变大,且随着射流时间的增加会呈现线性增长、缓慢稳定增长和稳定三个阶段;靶距越大冲蚀深度越小,但冲蚀体积受射流速度的影响较大,在低速时冲蚀体积随靶距的减小而增大,而在高速时冲蚀体积则会先减小后增大再减小;基于试验结果分析敏感性可知射流速度对冲蚀深度与体积的影响程度要大于靶距。     

低比转速离心泵气液两相流动的可视化试验及数值模拟

为研究低比转速离心泵内部气液两相流动的流型和气泡直径的变化规律,采用高速摄像技术对泵内部气液两相流动进行可视化试验,同时采用Eulerian-Eulerian非均相流模型和RNG k-ε湍流模型对泵内部气液两相流动进行数值模拟,得到不同进口气相体积分数φ_0下叶片表面中间流线气相体积分数随中间流线相对位置的变化规律。研究结果表明:当φ_0从0.4%增大到3.5%时,叶轮内部流型分别为泡状流、聚合泡状流、气团流和分层流,泵进出口压差损失逐渐增加;保持初始液相流量不变,当进气量由1 L/min增大到3 L/min时,气泡的平均直径由0.61 mm逐渐增大到0.85 mm;保持进气量不变,当液相流量由5 m~3/h增大到10 m~3/h时,气泡的平均直径由1.00 mm减小到0.82 mm;叶片压力面和吸力面中间流线上的气相体积分数从叶轮进口到出口先增大后逐渐降低,出口附近由于漩涡的存在而使气相体积分数略有增加,且随着φ_0增加,压力面的气相积聚区域逐渐扩大。     

高压连续水射流切割煤岩降低比能的途径

高压连续水射流作为破煤、破岩工具虽有无尘、无火花、无机械磨损等优点,但也存在能耗较大的缺点。本文综合参考了国内外文献资料,对比能大的原因进行了分折,并从多方面提出了降低比能的途径。其中包括在最小比能条件下射流压力的选择计算,射流进给速度的计算,横向移动速度的确定,射流有效靶距的计算以及如何实现射流自动喷射的设想等等。     

围压对旋转射流破岩钻孔效率的影响

根据现场径向水平钻井技术的需要 ,在前期常压条件下研究的基础上 ,对围压条件下旋转射流的破岩钻孔效率进行了试验研究。结果表明 ,在围压条件下 ,随着射流压力的增加 ,旋转射流破岩效率呈现出线性增加的趋势。随着喷距的增加 ,破碎效率呈现出先增加后减小的趋势 ,即存在最优喷距。在围压低于 5MPa时 ,破碎红砂岩的最优无因次喷距为 2～ 2 .5 ;随着围压的增加 ,破岩效率呈指数下降趋势 ,最优喷距随围压的增加而减小。在同压差条件下 ,围压比射流压力对破碎效果的影响更大。     

连铸喷嘴气路加速环对喷嘴出口处液相运动与分布的影响

为获得更好的高速连铸二冷区铸坯冷却效果,本文提出在气-水雾化喷嘴气路通道内增设加速环装置。根据生产工艺条件,利用Fluent软件建立了优化前后气-水雾化喷嘴的三维气-液两相流模型,分析了喷嘴进水压力和进气压力对喷嘴出口处液相速度和液相体积分数分布的影响。结果表明,本文计算条件下,当喷嘴进水压力一定时,随着进气压力的增加,喷嘴出口处液相速度显著增大,液相体积分数呈减小趋势;当喷嘴进气压力一定,随着进水压力的增加,喷嘴出口处液相速度减小,液相体积分数整体呈增大的趋势;相同工况条件下,喷嘴气路设置加速环后,喷嘴出口处的液相速度分布较优化前更稳定,液相分布均匀性得到改善。     

底吹冰铜吹炼炉中气-液流动状况的数学模拟

采用Eulerian-Eulerian模型描述了底吹冰铜吹炼炉内气液两相流行为,在模拟结果与实测结果一致的基础上,对双喷嘴在不同喷气角度下熔池内的气液两相流行为及气体含量进行模拟计算与比较.结果表明:随着喷吹角度的增大,喷溅情况相应有所减弱,在14°对喷角度下的喷溅现象最为严重.随着双喷嘴对喷角度的增大,射流轴线横向穿透距离增大,湍动能的分布区域也相应增大,气泡在容器中停留时间增加.但当夹角超过一定范围后,继续增大角度会使喷嘴口距离液面垂直距离减小,气泡在熔池中的停留时间反而减小,其中28°对喷角度下,熔池中的气体体积分数最大,而且湍动能分布范围最广.     

页岩气钻井岩屑运移规律仿真分析

页岩气水平井钻井过程中岩屑在重力作用下极易在斜井段及水平段中沉积形成岩屑床,清洁难度大,进而导致井底高摩阻、高扭矩和阻卡,严重时造成卡钻、钻具断落井下安全事故。基于液固两相流理论,建立了三维井眼环空岩屑运移模型,通过控制变量法分别分析了钻杆转速、排量、岩屑粒径、偏心度、井斜角度等因素变化对环空井筒岩屑体积分数及运移轴向速度的影响规律。研究结果表明：随着转速和钻偏心度增大,岩屑体积分数降低及轴向速度增大;随着岩屑粒径增大,岩屑体积分数增加及轴向速度降低;随着井斜角降低,岩屑体积分数降低及轴向速度增加。可见提高转速、钻井液排量和控制钻头破坏岩屑粒径大小有利于提高井眼清洁,降低井下安全事故。     

射流冲击载荷对井底岩石应力场的影响

考虑三向地应力、液柱压力、孔隙压力和射流速度的影响,建立射流冲击井底岩石流固耦合模型,运用有限元及有限体积法进行求解。结果表明:井底压差越大,井底岩石最大主应力越大;射流最大冲击压力与速度平方成正比,孔隙压力在冲击面和冲击轴线上随距离增加均呈"三次抛物线"减小;射流冲击井底岩石存在明显的局部效应,射流主要影响区域在冲击面上约为2倍射流半径,在冲击轴线上约为2.5~3.5倍射流半径,与应力波理论结果相吻合。     

近刚性圆柱水下爆炸气泡动力学特性研究

针对刚性圆柱附近水下爆炸气泡的动力学特性进行了研究. 基于Navier-Stokes方程结合流体体积法捕捉气液两相界面,建立了数值模型;采用电容器放电产生水下爆炸气泡并用高速摄像机记录了气泡的脉动,并将实验结果与数值模拟结果对比验证了数值模型有效性. 通过数值模拟得到了气泡与刚性圆柱相互作用的流场细节信息. 结果表明:气泡在刚性圆柱附近脉动使得刚性圆柱表面流体介质存在速度梯度,速度较大的流体液层冲击气泡形成不同的气泡形状. 定义了一个量纲一的距离参数来表征气泡与刚性圆柱之间的相对距离,研究了距离参数对射流冲击压力、最大射流速度及气泡型心运动的影响. 随着距离参数的增大,射流冲击压力逐渐减小,气泡内部最大射流速度先增大后减小;气泡型心的偏移随距离参数的增加而减小.      

高压水射流破碎高围压岩石损伤场的数值模拟

利用ALE(arbitrary lagrange-euler)算法,考虑到一般情况下岩石处于高围压状态,建立了高压水射流冲击高围压岩石的数值模型.分析了高压水射流冲击下高围压岩石的损伤演化过程,指出岩石破碎过程呈阶跃式;通过对比无围压状态下岩石和高围压状态下岩石在高压水射流作用下破碎坑演化情况,指出处于高围压状态下的岩石损伤沿轴向的演化速率明显低于无围压状态下的岩石,沿径向的损伤演化受围压影响较小.通过分析4个典型单元在不同速度射流冲击下损伤演化情况,表明在提高射流速度可明显提高射流破岩效率,并在理论上对射流速度与射流破岩性能的关系进行了解释.     

高压水射流破岩机理研究

由于高压水射流破岩涉及的因素较多 ,且影响因素的作用规律比较复杂 ,致使其破岩机理一直未能被准确揭示 ,从而制约着水射流技术的应用和发展。对水射流破岩理论研究的状况进行了回顾 ,系统评述了水射流破岩研究中的理论要点 ,在此基础上指出水射流的冲击动载荷、岩石的动态本构关系、岩石与水射流的耦合作用以及水射流破碎岩石的数值模拟研究等是水射流破岩机理研究的发展方向 ,这对高压水射流破岩理论的深入研究和水射流技术的应用具有现实的意义     

旋转水射流破岩的数值模拟分析

采用非线性动力有限元和岩石动态损伤模型模拟了旋转水射流作用下岩石的损伤破坏过程 ,其中岩石损伤场的求解采用解耦的方法。同时还对旋转水射流的破岩机理进行了分析。模拟计算结果与前期的试验结果一致 ,均显示旋转射流具有较强的破岩能力 ,其原因在于旋转射流的质点具有三维速度 ,破岩时以倾斜冲击为主 ,易于在岩石表面形成拉伸和剪切破坏 ,回流的干扰较少 ;破岩过程首先是形成一环形破碎带 ,然后沿径向和轴向发展 ,所形成的破碎坑呈内凸锥状。旋转射流破岩的优势在于破碎面积大、效率高。     

脉冲水射流破岩过程中的应力波效应分析

引入Johnson-Holmquist-Concrete岩石非线性本构关系,利用光滑流体粒子动力学方法,模拟了脉冲射流在破岩过程中应力波形成、传播及衰减过程,得出了高速脉冲射流作用下岩石表面不同位置处应力值随时间变化曲线,以及应力波峰值强度与离射流作用点距离的关系曲线,根据计算结果分析了岩石在应力波效应下的破坏行为以及射流速度、岩石性质对应力波效应的影响。分析结果表明：脉冲射流的应力波效应具有较强的局部性,应力波峰值强度随与射流作用点距离的增大而急剧减小;脉冲射流应力波强度、作用范围与射流速度呈正比例关系,其对岩石的体积破坏存在一个门限速度;不同岩性岩石在脉冲射流应力波作用下的破坏形式有所不同,砂岩等强度较低岩石的破坏形式主要为应力波对岩石加卸载过程中的拉应力下的裂纹扩展,而石灰岩、花岗岩等脆性硬岩的破坏形式主要为应力集中导致的纵向破坏。