双射流流动特性数值模拟和PIV实验研究

提出了将同轴直射流与旋转射流组合形成新型双射流的喷嘴结构和原理,并采用RNGk-ε模型对双射流喷嘴内外流场进行了数值计算,结果表明,喷嘴压降一定时,存在3种轴心速度衰减曲线;喷嘴加旋流道导程是决定轴心速度衰减模式的主要因素.存在一个最佳导程可以同时满足大的射流冲击面积和作用距离的要求.应用PIV实验系统对优化后的双射流流场进行了实验研究.     

井底边界条件下单喷嘴射流流场的数值模拟

用数值模拟的方法研究了符合井底边界条件的轴对称单喷嘴淹没非自由射流流场，给出了不同喷嘴直径、不同喷速、不同喷距下的流场矢量图，并研究了上述工况下的射流轴心速度衰减规律。结果表明，除射流区、撞击区、漫流区、返回区之外，还存在一明显的回流旋涡区，射流出口雷诺数对轴心速度衰减的影响很小，而漫流的存在使得射流轴心速度在靠近井底的区域内受到很大程度的影响．数值模拟结果和有关实验数据有较好的一致性。     

自由射流出口临界雷诺数的确定

将圆形自由射流按重力相似准则设计成6个系列模型,利用PIV测速系统,对射流模型相应不同出口雷诺数的流场、浓度场形态分布特征进行了试验研究,分析了射流流场及涡量场、轴线时均流速、断面流速分布、射流起始段长度等,得出圆形自由射流出口临界雷诺数Rek≥2 000,以及雷诺数Re<2 000时射流起始段长度L0与出口雷诺数Re的关系为L0=kRe-0.57d0.     

圆形射流流场流动结构的数值模拟

用间歇涡环代替圆形射流剪切层，对圆形射流流场的流动结构进行了数值模拟。研究中考虑了喷嘴喉部结构形状对旋涡脱落的影响及其与射流流场的相互作用。计算结果表明，内流过渡曲面为椭球面而出口形状对锥面的风琴管式喷嘴，喷射出的圆形射流流场具有良好的大尺度涡环结构。     

长圆形出口喷嘴射流特性的实验研究

在研究矩形出口喷嘴射流的基础上，对长圆形出口喷嘴的射流特性进行了室内实验研究。结果表明，长圆形喷嘴射流在短轴剖面上的扩散角比在长轴剖面上大，随喷距的增大，其横向截面将逐渐变为圆形。长圆形喷嘴的流量系数大于同样结构特征的矩形喷嘴，其射流的轴心动压力衰减以及横向动压力梯度分布规律与矩形喷嘴射流相似。随喷距增加，长圆形喷嘴的轴心动压力衰减比矩形喷嘴衰减慢。在钻头上使用的长圆形喷嘴的最佳无因次喷距应在无因     

长圆形出口喷嘴射流特性的实验研究

在研究矩形出口喷嘴射流的基础上,对长圆形出口喷嘴的射流特性进行了室内实验研究.结果表明.长圆形喷嘴射流在短轴剖面上的扩散角比在长轴剖面上大.随喷距的增大.其横向截面将逐渐变为圆形.长圆形喷嘴的流量系数大于同样结构特征的矩形喷嘴,其射流的轴心动压力衰减以及横向动压力梯度分布规律与矩形喷嘴射流相似.随喷距增加.长圆形喷嘴的轴心动压力衰减比矩形喷嘴衰减慢.在钻头上使用的长圆形喷嘴的最佳无因次喷距应在无因次等速核长度L_1和最大轴心动压力衰减梯度所在的无因次喷距L_(max)之间.     

井底边界条件下喷嘴射流流的数值模拟

用数值模拟的方法研究了符合井底边界条件的轴对称单喷嘴淹没非自由射流流场，给出了不同喷嘴直径、不同喷速、不同喷距下的流场磁量图，并研究了上述工况下的射流轴心速度衰减规律。结果表明，除射流区、撞击区、漫流区、返回区之外，还存在一明显的回流旋涡区，射流出口雷诺数对轴心速度衰减的影响很小，而温流的存在命名得射流轴心速度在靠近井底的区域内受到很大程度的影响。     

基于CFD的单股冲击射流的数值模拟

运用PHOENICS计算软件,选取标准双方程模型及优选的紊流模型系数,采用有限体积法对轴对称紊流射流流场进行数值计算。计算结果表明,射流轴心速度是逐渐衰减的。选取平面紊动冲击射流问题为研究对象,通过对冲击射流内各区域流动特性的分析,给出了圆形冲击射流冲击区的范围,从喷嘴出口条件入手导出了壁面射流区中壁面切应力和径向速度的沿程分布关系式,该式反映了壁面射流场对初始条件的依赖。     

不同喷嘴堵头下脉冲射流雾化特性的试验研究

以新型车载脉冲防暴水炮为试验平台,对星形、椭圆形和三角形喷嘴堵头进行了对比试验研究。利用高速摄影机拍摄到了水炮发射瞬间射流的高速图像,并通过相应的判读软件分析了所产生的不同射流速度的变化情况。结果表明,星形喷嘴堵头对射流有集束作用,可以提高水炮的最大射程和气液射流的雾化效果。     

淹没条件下长圆喷嘴流场数值模拟

为了提高径向水平井扩孔效率,将长圆喷嘴引入磨料射流扩孔技术,建立射流流场的流动控制方程,结合Real-izable k-ε模型对方程组进行求解,并将结果与锥形喷嘴射流结果进行对比。结果表明:长圆喷嘴射流具有一定的扩散性,且短轴剖面上的扩散角比长轴剖面上大;喷嘴内射流速度及出口速度随长宽比增大而减小,随出口直径增加而增加;在喷嘴入口速度和出口直径相同的情况下,长圆喷嘴出口速度小于锥形喷嘴;无因次喷距大于11.3时,长圆喷嘴外射流轴线速度大于锥形喷嘴的;射流出口断面宽度随喷距增大而增大,在相同条件下长圆喷嘴扩孔宽度大于锥形喷嘴,且射流具有自模性;数值计算结果与磨料射流扩孔试验结果基本吻合。     

风琴管喷嘴外湍流射流流场的数值模拟

用湍流ｘ－ｅ方程模型对风琴管式喷嘴外流场进行数值模拟，得出轴向速度、径向速度的分布规律和衰减规律，为提高清除岩屑效率提供依据。计算结果表明，在喷嘴出口处存在抽吸现象，射流剪切层的边界处具有大尺度的涡流结构。射流剪切层的边界形状为波状，流场中轴心速度和沿径向的轴向速度衰减规律不随雷诺数的变化而变化。随着喷距的增加，沿径向的轴向速度衰减变慢。随着喷嘴出口到井底间距离的增大，射流轴心速度衰减变慢，但其变     

风琴管喷嘴外湍流射流流场的数值模拟

用湍流κ－ε方程模型对风琴管式喷嘴外流场进行数值模拟，得出轴向速度、径向速度的分布规律和衰减规律，为提高清除岩屑效率提供依据．计算结果表明，在喷嘴出口处存在抽吸现象，射流剪切层的边界处具有大尺度的涡流结构．射流剪切层的边界形状为波状，流场中轴心速度和沿径向的轴向速度衰减规律不随雷诺数的变化而变化．随着喷距的增加，沿径向的轴向速度衰减变慢，随着喷嘴出口到井底间距离的增大，射流轴心速度衰减变慢，但其变化幅度不大．     

淹没条件下长圆喷嘴流场数值模拟

为了提高径向水平井扩孔效率,将长圆喷嘴引入磨料射流扩孔技术,建立射流流场的流动控制方程,结合Realizable k-ε模型对方程组进行求解,并将结果与锥形喷嘴射流结果进行对比.结果表明:长圆喷嘴射流具有一定的扩散性,且短轴剖面上的扩散角比长轴剖面上大;喷嘴内射流速度及出口速度随长宽比增大而减小,随出口直径增加而增加;在喷嘴入口速度和出口直径相同的情况下,长圆喷嘴出口速度小于锥形喷嘴;无因次喷距大于11.3时,长圆喷嘴外射流轴线速度大于锥形喷嘴的;射流出口断面宽度随喷距增大而增大,在相同条件下长圆喷嘴扩孔宽度大于锥形喷嘴,且射流具有自模性;数值计算结果与磨料射流扩孔试验结果基本吻合.     

在线式PIV系统应用于旋流映流的研究

开发了一套在线式粒子图像测速系统（PIV）,并用水杯中水涡流实验验证了系统的可靠性。利用该系统研究了旋流喷嘴射流的液滴运动速度,在线得到喷雾流场的双脉冲曝光数字化图像,即时用系统软件的图像分析模块进行分析,得到旋流喷雾场的两维速度分布,但在喷嘴近区域内得到不合理的速度结果,原因是该区域内液体未雾化成液滴,滴滴速度都小于理论喷射速度,且沿喷射方向呈减小趋势,表明液体在破碎成液滴后速度一直衰减,旋流喷嘴射流轴线中心区域速度有一极小值,在叶雾锥边界附近有一速度极大值。     

圆形射流流场流动结构的数值模拟

用间歇涡环代替圆形射流剪切层，对圆形射流流场的流动结构进行了数值模拟。研究中考虑了喷嘴喉部结构形状（喷嘴内流过渡曲面为球面或椭球面或其它旋转曲面，出口形状为锥面或锥面加环套）对旋涡脱落的影响及其与射流流场的相互作用。计算结果表明，内流过渡曲面为椭球面而出口形状为锥面的风琴管式喷嘴，喷射出的圆形射流流杨具有良好的大尺度涡环结构。     

水射流扩孔喷嘴内部流场的数值模拟

利用计算流体软件建立了土层扩孔喷嘴内部流场的三维数学模型.采用标准k-ε湍流模型模拟了喷嘴内部流场,并分析了喷嘴参数对流场速度分布、压力分布和出口速度的影响.结果表明,扩散角和扩散段长度对喷嘴内部流场影响较大,圆柱段长度的影响相对较小,但各参数都存在着最优值.计算结果与室内实验基本吻合,验证了喷嘴内流场分布与射流土层打击效果存在着内在联系.     

基于FLUENT的小流量射流流场中的可视化研究

为了深入研究小流量圆射流流场的特性,利用FLUENT系列软件对六种不同出口直径的圆射流喷射到空气中所形成的气液二相非淹没自由射流的流场进行了模拟分析.研究结果表明:随着喷嘴直径的减小,射流核心段速度值越来越大,射流的散射角越来越小,射流的集束性越来越好.模拟结果与实验结果基本一致.     

水煤浆气化炉三通道喷嘴气相流场的数值模拟

为研究三通道喷嘴结构对气化炉宏观冷态气相流场的影响,利用计算流体力学软件F luen t对水煤浆气化炉的三通道喷嘴和简单的单通道喷嘴分别在自由射流和受限射流情况下进行了气相流场的数值模拟。通过对两种喷嘴在自由射流和受限射流流场的比较,发现二者的流场非常相似,只是在距喷嘴出口较近处速度分布有明显不同。这说明喷嘴的结构对气化炉宏观气相流场的影响并不如入口速度对气相流场的影响显著。通过对喷嘴附近处径向和轴向速度分布的分析,发现三通道喷嘴外环气流和中心气流有强烈的撞击,这对水煤浆的雾化起到重要作用。     

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。     

自由淹没气体旋转射流速度场实验研究

为研究自由淹没气体旋转射流速度场规律,采用五孔探针对自行设计的旋流器形成的流场进行定量实验研究。测量4种不同旋流强度下的流场,计算得到了各分速度在不同截面上的量纲一分布图,并进行分析研究。结果证实:轴向速度分布在旋流器出口附近区域与旋流强度有关,在与射流轴心垂直的截面上呈"M"形分布,逐渐发展成"马鞍"状、正态分布,直至衰减到零;切向速度呈中心对称斜"S"状分布,不同截面上的最大值大致出现在同一量纲一半径处;径向速度在半径方向呈"~"形分布,比轴向速度和切向速度小1个数量级;轴向速度和切向速度沿轴向逐渐衰减,衰减随旋流强度增大而增快。