常压下淹没自振空化射流冲蚀岩石效果的试验研究

本文对常压下淹没自振空化水射流进行了试验研究,着重研究了风琴管空化喷嘴的冲蚀效果及其影响因素。对自振空化喷嘴的结构关系和设计模式进行了理论推导,并用半理论的方法对风琴管空化喷嘴和脉冲空化喷嘴进行了设计。用风琴管空化喷嘴、脉冲空化喷嘴和锥形喷嘴做了不同喷距时的冲蚀人造砂岩试验,得出了喷距影响规律。研究结果表明,自振空化喷嘴的冲蚀效果明显优于锥形喷嘴。在此基础上,通过对常压下风琴管空化喷嘴的冲蚀效果及其影响因素的研究,得出了一些规律性结果,为喷嘴优化设计提供了依据,使自振空化射流在工业上得到了广泛的应用。     

湍流模型对风琴管喷嘴空化射流数值模拟的影响分析

针对不同湍流模型对空化射流流场数值模拟影响问题,本文基于ZGB空化模型和WALE亚格子模型,采用大涡模拟（LES）和RANS模型对风琴管喷嘴空化射流流场进行数值模拟研究,分析内外流场的压力分布、速度分布以及空化云演变规律,并将空化云演变规律与实验结果进行对比分析。结果表明,LES模型速度、压力分布更符合实际情况,空化云演变规律与高速摄像拍摄结果基本吻合,LES模型可以更准确地模拟风琴管喷嘴空化射流流场。对风琴管喷嘴结构优化、打击力度与目标靶距的预测更准确。     

空化喷嘴内部流场的数值模拟

根据喷嘴的结构特点,建立了角形空化喷嘴和风琴管形空化喷嘴的三维结构模型和数值模型,选用RNGk-ε湍流模型,采用SIMPEC算法进行数值计算。结果表明,在空化喷嘴的圆柱段存在速度最大值,射流进入圆柱段后产生明显的负压,与周围介质发生强烈的空化作用,有利于空化气泡的产生。在特定参数下(圆柱段直径d=1mm、圆柱段长度S=3mm、扩散段长度L=8mm、出口扩散角=30°),角形喷嘴的空化效果优于风琴管形喷嘴。     

基于Fluent角型喷嘴内部空化行为的数值模拟

利用Fluent流体计算软件对角型喷嘴内部的空化流场进行了数值模拟,得到了喷嘴内部的压力、气相生成速率和汽含率分布场,并对三种扩张角喷嘴内的流场进行了比较分析.结果表明:在角型喷嘴内部,空化汽泡主要在喷嘴圆柱段壁面起始点和扩张段壁面起始点两处产生;在扩张段壁面起始点处,由于回流和压力两种因素的共同作用导致扩张角对空化汽泡生成速率的影响存在最优值;随着扩张角的减小,角型喷嘴在扩张段壁面的空化区域不断扩大,其汽含率也不断攀升;扩张角的改变对角型喷嘴圆柱段区域的空化行为没有明显影响.     

风琴管空化喷嘴流场数值模拟

 风琴管空化喷嘴是一种常见的空化射流喷嘴,利用喷嘴内部特殊结构形成产生空化效应,从而提高射流的打击效果,因此,研究空化喷嘴内部结构对形成的空化效应影响,有利于提高喷嘴的工作性能。本文利用多相流模型研究风琴管空化喷嘴,在出口压力为2MPa工况下,对不同入口压力下喷嘴的内流场进行了数值计算。结果表明,在正常工作压力8MPa情况下,喷嘴喉道位置出现局部低速区和低压区域,且空化位置出现在喉道截面突变位置。同时,研究了喷嘴喉道长径比和存在圆角情况下内部空化情况,发现增大喷嘴喉道长径比实际相当于增加了低压区域,有利于空化的产生;喷嘴喉道变径区域存在圆角会严重影响空化喷嘴的空化性能,且圆角半径越大,临界空化压力越大。     

旋转空化喷嘴结构优化设计及涡旋特性分析

为提升高压水射流破碎开采天然气水合物的效率,优化设计一种旋转空化射流喷嘴。利用计算流体力学方法探究不同叶轮数、叶轮加旋角度、入口速度和出口围压对旋转空化射流特性的影响规律,对比分析旋转空化射流和收缩-扩张型空化射流的流场分布规律、涡旋特性及天然气水合物沉积物的破碎特征。研究结果表明：叶轮加旋角度对旋转空化射流的影响明显比叶轮数的影响大,叶轮数及叶轮加旋角度的优化值分别为3个和360°;在喷嘴结构固定的情况下,提高入口速度能获得空蚀及射流冲蚀能力更强的旋转空化射流,而围压升高则会弱化流场中空化云的初生与发展;旋转空化射流因兼具正向冲击、径向张力及周向剪力和“梭形”空化云特点,较收缩-扩张型空化射流有更优的破岩效果;叶轮旋转效应所产生的中心涡使得旋转空化射流的涡结构更加复杂,流场中更易形成“负压”区以提升射流的空蚀能力。     

自振空化水射流冲击压力脉动的实验研究

研究了在常压和围压达到６ＭＰａ条件下，时域和频域上自振空化水射流的压力脉动特性．给出了评价压力脉动特性优劣的三个参数：最大脉动峰值压力、压力脉动幅度和脉动压力峰值差，得到了三个参数沿轴向和径向的变化规律及喷距、泵压、围压对射流压力脉动的影响规律。实验表明．自振空化射流存在最优喷距．在此喷距下脉动最强；在常压和围压条件下脉动规律不同，脉动随围压的升高而加剧．通过对风琴管脉冲喷嘴的改进，得到了一种新型的自振空化射流喷嘴。实验证明．这种新型喷嘴可提高射流的压力脉动强度及破岩效果。     

缩放型喷嘴产生的空化射流流场数值模拟

应用Standard k-ε,RNG k-ε和Standard k-ω湍流模型对缩放型喷嘴内部湍流流场进行数值模拟,结合理论及质量流量测试试验对数值模拟结果进行对比验证.结果表明:RNG k-ε湍流模型最适合用于数值模拟缩放型喷嘴内部的湍流流场;RNG k-ε湍流模型数值模拟结果显示缩放型喷嘴收缩角使喷嘴喉管部产生了低压场,压差的产生使水射流的空化效果得到了提高.     

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。     

风琴管自振空化喷嘴的设计原理

利用瞬态流理论和水声学原理分析了风琴管自振空化射流喷嘴的工作原理,推导了风琴管谐振腔的固有频率计算公式,得出了谐振腔基本结构的设计模式.研究表明,风琴管自振空化喷嘴的设计需运用理论和实验的方法进行.风琴管谐振腔的直径和长度是影响谐振腔流体共振的重要因素,需通过试验确定.     

空化射流稠油降粘实验系统的设计与实验研究

本文利用空化射流技术开展了稠油降粘的实验研究。根据实验条件自行设计和制造了空化射流稠油降粘实验系统,并利用该实验系统研究了两种空化喷嘴及空化射流处理次数等参数对稠油降粘效果的影响,分析了稠油在空化射流处理前后粘度发生的变化。实验研究结果表明：两种空化喷嘴对稠油的降粘都有一定的作用,稠油粘度随着空化射流处理次数的增加逐渐降低。通过角形空化喷嘴和风琴管空化喷嘴处理后,稠油粘度最大降低52mpa?s和88mpa?s,降粘率分别为13.33%和18.49%。实验验证了空化射流技术可以一定程度的改变稠油的性质,实现稠油的降粘,改善稠油的品质,在合理运用下可以成为一种稠油降粘的新方法。     

空化射流处理有机废水的机理

空化射流是一种处理效率高、操作简单的有机废水处理新技术,主要利用空泡溃灭时产生的局部高温高压降解有机物,能量利用率比超声空化处理更高.综述了空化射流的机理,然后从自由基反应、直接热分解和超临界水氧化三方面对其处理有机废水的机理进行了探讨,并分析了喷嘴结构、射流空化数、泵压和围压以及有机废水理化性质对空化效应的影响.     

带哨嘴喷嘴射流流场的离散涡模拟

采用离散涡方法模拟了两种不同形状哨嘴的喷嘴出口流场旋涡结构和压力分布。模拟结果表明 ,射流在喷嘴出口和哨嘴出口形成的旋涡结构在流场及其他涡元的作用下 ,向下游运动 ,在流场中某个地方形成低压区 ,这有助于诱发空化现象。对两种不同喷嘴的出口流场进行比较发现 ,哨嘴形状对形成的射流流场的旋涡结构有很大影响。因此 ,研究和应用空化射流必须考虑喷嘴出口哨嘴形状的影响     

自振空化射流改善油层渗透率机理及实验研究

可以利用自振空化射流的振动和空化特性来解除或减轻地层堵塞，提高渗透率。借助高压釜装置对围压下自振空化射流提高污染岩心渗透率进行了实验研究。结果表明，随喷嘴出口直径、射流压力增加，自振空化射流改善油层渗透率的作用效果增强；处理中低渗岩心比高渗岩心需要更长的时间，对不同渗透率岩心作用效果不同，对中低渗、高渗岩心射流作用效果明显；空化噪声作用深度随射流压力的升高而增加。现场应用表明，自振空化射流在油井解堵、注水井增注方面作用效果明显。实验为拓宽自振空化射流的研究和应用领域提供了重要的参考依据。     

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。     

Effect of cavitating flow on forced convective heat transfer: a modeling study

With water as working medium,a numerical study on liquid convection heat transfer accompanied by cavitating flow in a circular tube was conducted by combining mixture model and Schnerr–Sauer cavitation mode in the commercial code,Ansys Fluent.Cavitation is instigated by setting a restriction orifice in the circular tube.The simulation results show that cavitation occurs around the wall of the restriction orifice and disappears at the downstream regions.The comparison of local heat transfer coefficients under the same mass flow rate indicates that,heat transfer is significantly augmented at the downstream regions of the restriction orifice because of the occurrence of cavitation.The analysis on the characteristics of cavitating and noncavitating flows confirms that the occurrence of cavitation can increase the turbulence intensity under the same mass flow rate,which is the origin for heat transfer to be enhanced.Based on it,the effects of such factors as inlet pressure and ratio of orifice to pipe diameter on cavitation enhanced heat transfer were further investigated for the purpose of application.     

飞机除冰车蒸汽射流喷头结构优化设计

采用蒸汽射流技术对飞机机身进行除冰,对蒸汽喷头的结构进行优化设计,喷嘴采用均匀分布的方式进行研究首先对水平喷射面的喷头进行仿真分析,运用FLUENT软件对奇偶数量的喷嘴进行仿真研究,对温度场进行分析,奇数型优于偶数型但是除冰效果提升并不明显,其次对弧形喷射面的喷头进行分析,三弧形优于四弧形,四弧形优于平面型,三弧形喷嘴偶数分布的射流干扰低于技术分布,最后对喷头的除冰效果进行实验验证,得出结论：三弧形偶数喷嘴排布的喷头射流仿真模型的温度场射流干扰小,计算区域内的平均温度较高,冰层剩余量最小能提高整车除冰的工作效率。     

基于声发射的自振脉冲空化射流实验研究

为增加低渗透性能煤层气的采前预抽取量,提高深部煤层的开采效率,本文采用信号分析法从射流振荡状态研究自振脉冲空化射流特性。基于水声传感技术获取淹没环境中声发射信号,利用频谱分析法研究围压下自振脉冲空化射流冲击砂砖块产生的空化噪声,分析不同压力下随时间变化时主要破坏频率,通过声功率谱（PSD）及空化噪声能量变化探讨冲蚀效果。结果表明,钻孔率随钻孔时间增加而降低且孔深存在临界深度。水中射流脉动的频率范围为11.44 KHz-17.14 KHz,砂砖主要破碎频谱范围为38.74 KHz- 46.05 KHz。随冲蚀时间增大,声发射信号能量强度先增加后降低。此外,射流频谱分析和PSD方法对射流性质的研究提供新的思路及方法。     

高压喷射钻井水力参数优化研究

高压喷射钻井技术在国内外诸多油田都已进行了多次试验研究。进行水力参数优化研究可以指导现场作业,提高钻井速度、改善井眼的净化能力。通过对排量和喷嘴组合优选计算,分析了排量和喷嘴组合对立管压力、钻头压降、钻头水功率以及喷射速度的影响规律;并给出了一种高压喷射钻井技术水力参数优化方法。研究表明:当钻井泵排量增大后,各水力参数总体均呈上升趋势但增长速率不同;钻井液过流面积一定时,喷嘴组合的变化对立管压力影响较小;钻井液的过流面积发生微小变化时,钻头压力损耗的变化幅度最大,钻头水功率次之,对立管压力影响最小。最后针对塔河油田盐区某井中深部地层497~4 673 m井段,经优选水力参数后,以得到的推荐参数进行现场施工作业,平均机械钻速达到55.48 m/h,与邻井同井段(15.32 m/h)相比提高262%,该开次完井用时15.33 d,与设计相比节约30.79 d,节约率达到65.5%。