淹没条件下星形喷嘴射流流动特点的模拟研究

为了优化钻头水功率配置,提高井眼净化效果,对新近引入石油工程中的星形喷嘴射流进行了模拟研究,建立了喷嘴射流流场的流动控制方程,采用有限体积法对其进行离散,结合Realizable k-ε模型对方程组进行求解,并将计算结果与圆形喷嘴射流的结果进行了对比。对比结果发现,淹没条件下喷嘴出口截面形状对射流的影响主要体现在射流的起始段,起始段内星形喷嘴射流流场较圆形喷嘴射流的要复杂。当喷距大于4倍喷嘴当量直径时,星形喷嘴最大、最小截面上轴向速度和湍动能的衰减趋势同圆形喷嘴的衰减趋势一致,两个截面上射流速度剖面满足自相似性。     

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.     

送粉气流对冷喷涂流场及粒子速度影响的数值模拟

通过建立二维数值模型,利用计算流体力学软件进行数值模拟,研究了送粉气流压力和温度对冷喷涂过程中流场及粒子速度的影响.结果表明:喷涂中不可忽略送粉气流对流场及粒子速度的影响;为将粉末注入喷管,送粉气流的出口压力不能小于出口处的主气流压力,但增大送粉气流压力会使得进入喷管渐缩段的送粉冷气体流量增大,从而排挤高温主气流,同时也降低喷管气体流动的滞止焓,导致喷管喉部声速减小,不利于粒子加速;增加主气流温度对粒子加速效果不明显,而增加送粉气流温度可有效提高粒子撞击基板的速度,进而提高粉末粒子的沉积效率.     

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。     

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。     

欧拉模型的后混合水射流喷丸喷头内流数值模拟

为研究后混合水射流喷丸喷头内部两相流的运动规律,采用FLUENT软件对其内部液固两相流场进行数值模拟。根据其流动特性,数学模型采用欧拉模型,湍流模型采用标准的k-ε模型,并将固体相看作拟流体,分析喷丸压力和靶距对轴向速度和轴向动压强的影响。结果表明:喷头内的轴向速度和轴向动压强的变化规律是相似的,并且在相同的喷丸条件下,水流场的轴向速度大于弹丸流场的轴向速度,水流场的轴向动压强小于弹丸流场的轴向动压强。当喷丸压力为10MPa、靶距为55 mm时,水流场和弹丸流场在弹丸喷嘴出口处的轴向速度分别为63.3和56.9 m/s,水流场和弹丸流场在弹丸喷嘴出口处的轴向动压强分别为1.97和3.94 MPa。     

缩放喷管内的气固两相流动和缩放喷管长度的研究

采用一元流动理论和拉格朗日方法,研究了用于气、固两相分离试验装置的缩放喷管内,被气流拖曳的颗粒加速率与颗粒大小和缩放喷管长度的关系.研究表明,在气流参数和缩放喷管长度不变的情况下,被气流拖曳的颗粒越大,颗粒在缩放喷管出口处的速度就越低;在颗粒加速率相同的情况下,颗粒越大,所需的喷管长度就越长.为了更好地实现气、固两相分离,颗粒在缩放喷管出口处的速度应该足够大,因而缩放喷管就应该足够长.     

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。     

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。     

收缩扩张喷管中稀疏颗粒加速运动及喉道优化

直升机、运输机在简易场地起降过程中,发动机可吸入的二氧化硅等微小颗粒,对叶片造成冲击磨损,冲击速度可达200m/s以上。冲蚀试验常采用直喷管加速固体颗粒,在入口总压为0.6 MPa时,颗粒速度难以达到200m/s。为更有效地加速颗粒,采用超音速收缩-扩张喷管,通过数值模拟研究了该喷管对稀疏二氧化硅颗粒的加速运动,并利用实验验证了数值模拟的准确性。在此基础上,对喉道尺寸进行优化以提高喷管对颗粒的加速性能。结果表明:收缩-扩张喷管对颗粒的加速主要发生在扩张段,管内激波不会引起颗粒速度的震荡,颗粒的加速度与气流、颗粒之间的相对速度以及气流的密度有关;在入口总压为0.6 MPa的条件下复现5级砂尘环境,喉道半径为0.001 6m的喷管加速效果最佳,可获得的颗粒速度达到218m/s。     

后混式磨料射流清洗油管涂料的实验研究

通过对后混合式磨料射流清洗油管涂料的实验研究,得出了后混合式磨料射流清洗油管涂料的清洗效率与喷嘴直径、喷距、喷射角以及颗粒直径的关系。后混式磨料射流清洗油管涂料的清洗效率随喷嘴直径的增大而增大,喷距、喷射角和磨料颗粒直径最佳参数值分别为250 mm、90°和0.8 mm。     

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。     

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.     

超高压水射流破岩及切割实验研究

利用国产高压水射流切割系统 ,对不同性质的材料进行了切割实验 ,考察了泵压、喷嘴横移速度、喷距和聚丙烯酰胺质量分数对射流切割效果的影响。实验结果表明 ,射流的驱动泵压与其切割深度成正比 ,喷嘴横移速度和喷距增加将使切割深度降低。聚丙烯酰胺对射流切割系统具有双重作用 ,因而其质量分数存在一个最佳值。对大理石、花岗岩和标准铝板等材料的切割实验表明 ,在其他实验条件一定的情况下 ,无孔隙材料的切割深度远低于有孔隙材料。     

等直径喷嘴中气粉两相流粉粒速度的实验研究

利用粉粒光电分光器对等直径喷嘴中粉粒速度进行了实验研究，在实验的基础上，提出了用实测喷嘴内初始运动参数和出口压强确定喷嘴内粉粒初始速度的方法，结果表明，喷嘴内粉粒速度的计算结果同实测结果基本一致。     

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。     

自激脉冲空化射流装置的冲蚀效果

运用正交实验方法,研究了自激脉冲空化水射流喷嘴装置的结构参数(腔室直径和下游喷嘴长度)对冲蚀效果的影响。在此基础上作者选用较优参数组合的自激喷嘴装置与传统用13°锥角喷嘴进行了对比冲蚀实验,研究了自激脉冲空化水射流的体积冲蚀速度随靶距和泵压的变化规律。     

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。     

过冷度对喷嘴效率影响的测试研究

为研究流体过冷度对喷嘴工作性能的影响,研制了两相流体混合速度的测试装置.基于动量定理,测定两相流体的质量流量和冲击力,从而得到质量平均的流体混合速度.利用R410A制冷系统实验台,实验研究了制冷剂过冷度对喷嘴出口流体混合速度及喷嘴能量转化效率的影响.实验表明:随着入口制冷剂过冷度的提高,喷嘴的通过质量流量逐渐增加;同时,制冷剂过冷度的提高使喷嘴出口流体混合速度及喷嘴转化效率明显下降;在实验工况下,喷嘴进口为饱和制冷剂时,2#喷嘴出口制冷剂混合速度达到了94.1 m/s,喷嘴转化效率为64.1%;当制冷剂过冷度由饱和状态增至11℃时,2#喷嘴出口流体的混合速度降低35.7%,喷嘴转化效率降低33.9%.     

沥青路面热风循环加热机理与加热机作业参数研究

路面加热机是整个就地热再生机组的基础,加热机加热路面后的效果对路面再生质量有直接的影响。以热风循环式加热机工作装置为研究对象,运用多圆形喷嘴射流冲击模型对其作业过程进行分析。通过相关理论计算得出了喷嘴的排列方式、喷嘴孔直径、加热板离地高度、射流速度、热风温度等参数与沥青路面表面换热系数的关系。计算表明:三角形交错排列和矩形排列对路面换热系数的数值影响基本一致;再生作业中,当热风的冲击速度较大时,随着加热板离地高度的增加表面换热系数降低;当热风的冲击速度较小时,加热板离地高度对表面换热系数影响较小。