基于迭代算法的磨料颗粒加速机制研究

在前混合射流磨料加速机制研究中一般将阻力系数当作常数且忽略巴西特力的影响。针对这一问题,采用实时对比插值法分析阻力系数且考虑巴西特力对磨料加速的影响,在此基础上建立磨料运动微分方程,并通过迭代算法进行求解,较为全面、准确地阐释磨料加速机制。结果表明:在管道及喷嘴直线段内磨料受力由大到小分别为黏性阻力、巴西特力、视质量力,在喷嘴收敛段内磨料受力由大到小分别为压强梯度力、视质量力、黏性阻力、巴西特力,且全程中巴西特力都有不可忽略的影响;在喷嘴收敛段前半段磨料加速度大于液相加速度,在收敛段后半段磨料加速度略小于液相加速度,在喷嘴直线段内磨料加速趋缓。     

前混合磨料水射流磨料颗粒加速机理分析

为了提高前混合磨料水射流的切割效果,以固液两相流理论为基础,建立了磨料颗粒在前混合磨料水射流中不同阶段的运动受力模型,分析和研究了磨料颗粒的加速机理和运动规律.理论研究表明,磨料颗粒在高压管路中加速不明显,主要加速过程是喷嘴收敛段、圆柱段和射流在大气中的核心段.数值计算结果证实了前混合磨料水射流切割同样的材料所需压力仅为后混合磨料水射流的1/10左右.     

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.     

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。     

基于数值模拟的高压磨料射流喷嘴流场分析及结构优化

为得到高压磨料射流喷嘴内部水流和磨料颗粒运动分布的最佳特性,本文基于二相流理论,利用数值模拟方法研究了高压喷嘴内部混合水相的速度及湍流强度分布,重点分析了磨料入口位置对喷嘴出口处磨料颗粒收束性及喷嘴内壁面磨损状况的影响,并提出了减轻壁面磨损的改进措施。结果表明,距喷嘴中心轴线距离越远,喷嘴内部混合水相的湍流强度越低,但由于磨料入口处存在旋涡,混合水相速度则随之先降低后升高。随着磨料入口位置越靠近高压水入口,出口处磨料的收束性呈现先变好后变差的趋势,磨料颗粒则会大量聚集于磨料入口与上壁面交界处,造成喷嘴内壁磨损,此时可通过在后壁面和上下壁面使用圆角过渡来改善射流流向,进而减少聚集处磨料颗粒的体积分数。     

前混合磨料水射流连续加料系统设计与实验研究

针对现有前混合磨料射流系统不能实现磨料连续供给的问题,提出利用射流泵原理抽吸和混合磨料实现连续加料的新思路,即利用有压水从射流泵喷嘴以一定速度喷出而引起的负压场卷吸磨料进入射流泵内的混合腔,并与水混合后经喉管和扩散管进入高压胶管,最后经切割喷嘴加速后喷出,形成连续磨料水射流。为使系统性能最优,分析了连续加料系统的结构组成及工作原理,并设计了系统的结构与尺寸;运用数值模拟方法对影响连续加料与射流性能的主要因素——切割喷嘴与射流泵喷嘴面积比进行优化设计,分析了其对系统性能的影响规律,确定了其最优取值范围;通过室内压力测试、连续加砂及切割试验对系统性能进行了验证,结果表明,在合适的面积比结构下,该连续加砂系统在磨料入口能形成负压及足够的压力梯度,将磨料吸入并加速,且在切割喷嘴端仍然保留足够的静压转化为动能,实现前混合磨料水射流的连续高效作业。     

喷嘴内液固两相射流流场的数值模拟

基于连续介质理论,考虑了液固两相间的相互作用,给出了喷嘴流道内液固两相射流的控制方程,利用标准的k-ε两方程模型对磨料射流喷嘴内流场进行了数值模拟研究,并对模型中的主要参数进行了优选。研究结果表明,水与磨料颗粒之间存在速度滑移,在相间力的作用下磨料颗粒一直作加速运动,颗粒速度逐渐趋向水的速度;进入喷嘴收缩段后,水与磨料颗粒同时得到加速,但由于惯性力的作用,达到相同速度磨料颗粒的加速过程要长;进入直柱段后,液相速度继续增加至最大速度,此后缓慢降低,而磨料颗粒在整个直柱段内一直加速,液固两相的速度差逐渐减小,直至从喷嘴喷出;喷嘴出口处液固两相的速度剖面近似为抛物线形,在喷嘴截面中心处速度最大,沿径向逐渐减小,离壁面越近,速度降低的幅度越明显。与前人的研究结果对比发现,模拟所得的结果是正确的。     

前混合式磨料水射流磨料颗粒运动的理论分析

应用液固两相流理论,分析前混合式磨料水射流磨料颗粒在高压水管路内输送过程中的轴向运动和横向运动,得出磨料颗粒在进入高压水管处和喷嘴处均产生轴向加速运动的结,并建立了轴向加速运动方程,求解表明,磨料颗粒在加速过程中需要一定的时间和空间,其速度以负指数形式趋近于高压管中水的速度,且在短时间内磨料颗粒的速度就能近似达到水的速度,磨料与水的混合液达到速度平衡状态,提出了重量、紊流运动时小漩涡垂直向到水的速度,料与水的混合液达到速度平衡状态,提出了重量,紊流运动时小漩涡垂直向上的份力,马格驽斯升力,颗粒尾迹间的作用力等是使磨料颗粒产生横向运动的力。     

基于BP人工神经网络的磨料水射流切割深度模型

在已知的磨料水射流切割混凝土实验数据的基础上,应用BP人工神经网络理论,并且借助MATLAB神经网络工具箱,建立磨料水射流切割深度模型.模型中包括的射流参数有射流压力、靶距、磨料粒径、磨料流量、磨料喷嘴直径、磨料喷嘴长度及横移速度.通过模型预测结果与实验结果的比较,表明模型具有一定的精度.     

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.     

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。     

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。     

前混合水射流喷丸喷嘴内流数值模拟

为研究弹丸在前混合水射流喷丸喷嘴内的运动特性,应用FLUENT软件对前混合水射流出口带圆柱段和扩散段的圆锥收敛形喷嘴内液固湍流进行了数值模拟。控制方程为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k-ε模型,离散相采用拉格朗日模型。分析了喷嘴出口圆柱段长度、圆锥收敛角和出口扩散段对内流特性的影响。结果表明,出口圆柱段长度为30 mm、圆锥收敛角为13°时,连续相可以获得最大的轴向速度,且离散相的加速效果也最佳;出口带扩散段的喷嘴使得连续相和离散相的出口速度均会下降,但会增大喷丸的覆盖率,提高喷丸工作效率。