气举技术在矿物开采中的实验研究

选用普通河沙作为实验颗粒,在实验室内模拟气举采矿,研究影响气举工作特性的关键因素.在浸入率相同的情况下通过改变喷嘴布置方式来测量提升管出口端排液量、排沙量和提升效率.实验结果表明,出现最佳工况所对应的气体流量值为Qg∈(36,40)m3/h;气举结构参数的变化对气举提升性能有显著影响,采用5个喷嘴时气举的工作特性最好,而采用不同气流喷射角度时,对应于α切=10°其气举工作特性在气量值约为Qg=37m3/h时达到最佳.     

钻孔水力开采提升设备实验分析

以石英砂模拟井下工况,对钻孔水力开采提升设备气举装置中影响扬砂特性因素进行了实验研究。实验结果表明:气举装置的吸口与矿床间存在最优间距;在供气量相同的条件下,浸入率越大,扬砂量越大;不同气流喷嘴安装角度影响气举的扬砂特性,本实验中喷嘴轴心线方向与提升管内壁切线方向间的夹角为10°时,提升效果最佳;气流喷嘴安装数目影响到气举装置的扬砂量,存在最佳喷嘴安装数;搅拌喷嘴是否安装有时是决定能否完成提升的关键因素。     

水气同轴喷嘴结构对提高水射流喷射能力的影响

采用结构合理的水气同轴喷嘴可以解决气体保护内部水射流的问题,能有效提高水射流能力.通过数值模拟的方法对比3种典型的气喷嘴对水射流的影响,找出各喷嘴组合的主要缺点,经改进调整后得到优化的气喷嘴结构.通过模拟试验和现场试喷验证,优化的喷嘴结构不但能增强水射流能力,而且对气喷嘴寿命的提高也有较好的效果.     

不同形状喷嘴的高压水射流冲击力特性实验

高压水射流的柔性冲击力是评判其能否有效破碎物料的力学判据,喷嘴的出口形状对射流的冲击力影响较大。设计了5种不同形状的喷嘴,在自主设计的水射流冲击测试平台上开展了冲击实验,并采用PVDF压电薄膜传感器和高速摄像机来记录测试数据。实验结果表明：在相同的工况下,圆形喷嘴水射流的集束性最好,冲击诱导的冲击波对流体的扩散形态影响最大,最终导致其中心冲击压力最大;依次是正方向喷嘴、三角形喷嘴与十字形喷嘴,椭圆形喷嘴的水射流形态最为发散,其中心冲击压力最小;所有喷嘴形状水射流的峰值压力均随系统泵压的增加呈现非线性增加的趋势,而峰值压力持续时间几乎保持不变。     

空气雾化喷嘴雾化机理及影响因素实验分析

为分析空气雾化喷嘴雾化特性,采用一次雾化和二次多级雾化理论得出影响喷嘴雾化性能的主要因素,设计喷嘴雾化实验分析各因素对喷嘴雾化性能的影响。研究结果表明:空气雾化喷嘴的雾化特性受喷嘴的水流量、气流量、气压和水压影响;水流量随着水压的增大而增大,随着气压增大而减小,气流量随着气压的增大而增大,随着水压增大而减小,气液流量比(Q_g/Q_l)与液气压力比(pl/pg)存在幂函数关系,指数为-1.09;随着喷射距离的增大,一次雾化向二次雾化转变直至雾化结束,对应的雾滴粒径由大变小再变大,随水压的增大,雾滴粒径呈现出"增大—减小"的变化规律,随气压的增大而减小,最佳的液气压力比为0.8～1.0,对应的最佳气液流量比为115～146;雾滴粒径D50与pl/pg存在三次函数关系,由函数关系可知喷嘴雾化后的雾滴粒径理论上的最小值为18.23μm,验证了喷嘴雾化最小粒径的存在,但在实际应用中该最小粒径无法实现。     

气液同轴敞口型离心喷嘴的自激振荡特性实验

为了研究气液同轴敞口型离心喷嘴的自激振荡特性,采用阴影法和动态测量系统开展了常温大气环境中的喷嘴雾化试验.喷嘴自激振荡时,出口附近存在明显的周期性雾化过程,上游瞬态压力形成周期性脉动,压力脉动、噪音和雾场图像频率高度一致,范围约为1583～5634 H z.通过试验分析了喷嘴流量特性规律,在雾场稳定时和自激振荡时气相与液相相互阻塞均会造成喷前压力升高,液相流量对气相喷前压力影响较大.喷嘴自激振荡频率随气相和液相流量增长,相对液相流量较为敏感,液相流量增至一定临界值,自激振荡消失,而气相流量增长始终伴随自激振荡频率缓慢提高.喷嘴存在自激振荡产生的上下液相边界条件,自激振荡范围随着气相流量增大而变宽,气相对自激振荡起促进作用,而液相阻碍了自激振荡发展.增加内喷嘴壁面厚度时,液膜厚度增加,无量纲气核尺寸减小,自激振荡频率增大.     

渐缩型气动喷砂喷嘴冲蚀模拟分析

为研究气动喷砂枪喷嘴喷射颗粒对自身造成的冲蚀磨损情况,通过选取渐缩型气动喷砂喷嘴为研究对象,运用CFD软件对其内部流场及颗粒运动特性进行模拟分析;通过改变收缩角度、颗粒粒径及颗粒质量流率进一步分析影响喷嘴冲蚀速率变化的规律。结果表明:喷嘴的冲蚀区域主要集中在收缩段及收缩段与出口段交界面处;以收缩角度为30°、45°、60°的喷嘴为例,随收缩角度的增加,冲蚀区域出现"逆向发展";随颗粒粒径的增加,喷嘴最大冲蚀速率呈现先下降后上升的"U"形变化趋势,且其最低点所对应的粒径与收缩角度成反比;随颗粒质量流率的增加,喷嘴最大冲蚀速率呈上升趋势,但并未呈现线性关系。     

气液两相射流破岩流场数值模拟

为解决传统水射流破岩资源消耗巨大的问题,急需研究出一种高效节能的射流破岩技术,以达到节能减排、绿色可持续发展的目的。本文基于计算流体力学方法,在水射流的基础上加入定量气相,形成气液两相射流,并对其进行数值仿真,研究了气液两相射流的速度场、压力场特性,分析了气相体积分数、入射压力和喷距对气液两相射流破岩性能参数的影响规律。研究结果显示：气相体积分数为30%的气液两相射流的最大轴向速度为288 m/s,相比纯水射流提升超过19%。当射流从喷嘴喷出,高压的气泡溃灭会形成高速溃灭微射流,提高射流速度和射流冲击力。随气相体积分数增加,射流最大轴向速度不断增加,而驻点压力略有下降。随入射压力增加时,射流最大轴向速度呈上升趋势,但增幅逐渐变缓。当喷距增加到35 mm时,射流中的大部分气泡在靶面附近发生溃灭,对靶面产生脉动冲击,使驻点压力回升到26 MPa,此时驻点压力高,射流扩散较小,射流破岩性能良好。     

基于Hugoniot关系的气举阀气嘴流动性能分析

气举阀是气举采油关键部件,气嘴流动性能是影响气举系统效率的重要因素,通过CIPT实验的方法,优选合适的气举阀气嘴形状,结合数值模拟方法确定气嘴内部流动性形态、气嘴内部激波面产生位置和两侧物理参数变化规律,并对实验数据与数值模拟结果进行了对比分析.研究结果表明:文丘里气嘴注气比圆台气嘴和圆柱气嘴更稳定,文丘里气嘴的临界流量对应压力比为0.92,圆台气嘴的为0.82,圆柱气嘴的为0.78;在高压实验条件下,气举阀气嘴中会产生激波面,经过激波面后速度降低、压力升高,变化关系满足Hugoniot关系推导式;圆台气嘴与文丘里气嘴相比,激波面产生的位置更靠近入口,产生的激波强度也更高.     

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。     

喷射气举提升性能实验分析

由于传统气举提升效率较低,笔者设计出环形射流泵结构的喷射气举,建立了一套气举提升实验装置,选用精筛选的河沙作为提升对象,实验研究了进气量、浸入率等因素对喷射气举扬水量、扬固量的影响规律,对提升管内的流动形态进行了分析,并对传统气举和喷射气举的扬固能力进行对比;运用能量守恒定律建立了气举效率模型,对喷射气举和传统气举的扬固效率进行对比分析。结果表明:存在最优进气量,使喷射气举的扬固量和扬水量最高,浸入率越大,喷射气举的扬固量和扬水量越高,提升管内流动形态为团状流时能有效提升固液混合物;喷射气举扬固效率高于传统气举,在高进气量和低浸入率条件下尤为明显。     

滨海砂矿开采新方法的研究

提出了一种用气举和自激振荡脉冲射流相结合的方式开采潜水层滨海砂矿的新方法,研究了气举的数学和物理模型,探讨了自激振荡脉冲射流作为气举装置破碎器的可行性。理论和实验表明：自激振荡脉冲射流不仅能破碎水下土岩层,而且能松散砂矿颗粒,使砂矿颗粒易于进入气举吸头。     

三峡库区疏浚及清淤用机电一体化成套气举装置

作者提出采用气举装置和自激振荡脉冲射流相结合的机电一体化成套疏浚和清淤装置来完成三峡库区疏浚和清淤。提出了实施的具体方案和现场工业性试验结果；建立了气举装置的物理和数学模型，探讨了自激振荡脉冲射流破碎器的机理。工业现场实践表明，这种新型机电一体化成套疏浚和清淤装置对于三峡库区的疏浚和清淤有极为广阔的应用前景。     

固废流化床异型颗粒与床料共流化特性

建立了截面0.2 m×0.2 m、高1.2 m的固体废弃物流化床冷态实验装置,选取4种形状、尺寸和密度差异较大的异型颗粒模拟固体废弃物,床料为粒径0.18 mm的石英砂.采用压力信号和快速CCD图像分析相结合的方法,重点考察了不同种类和比例的异型颗粒与床料共流化时的压降特征、流动结构和最小流化速度,并提出了该体系最小流化速度的新关联式.结果表明,异型颗粒与床料共流化时,升速压降曲线波动大且易低估最小流化速度,而降速压降曲线较为平滑,类似纯床料流化,可用于确定最小流化速度;最小流化速度随异型颗粒体积比和特征密度的增大而增大,与静止床高变化无关.关联式的预测值与实验结果及国内外其他一些研究者的实验值吻合得较好,平均相对误差为14.7%,可适合于多种类异型颗粒与床料共流化体系.     

对撞式流化床气流粉碎机内腔结构及气流场数值模拟

通过分析对撞式流化床气流粉碎机的喷嘴结构、分级叶轮型式、加料口位置及底部结构等，阐述了该型气流粉碎机的结构型式及特点，为了克服设计该型粉碎机过程中的盲目性，采用计算流体力学软件fluent，对内径为200mm的对撞式流化床气流粉碎机的内腔气流场进行了有限元分析计算，并根据计算结果绘制内腔气流场的速度和压力分布云图，描绘了粉碎机内腔流场的气流迹线，为对撞式流化床气流粉碎机的优化设计提供了理论依据。     

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。     

层间非均质砂层石油运移和聚集模拟实验研究

层间非均质砂层石油运移和聚集二维模拟实验证实 ,在各种因素的影响下 ,各砂层的油水分布范围和油水界面存在着很大的差异 ,层间非均质性对砂层的油水分布和含油饱和度起着至关重要的作用。由于层间非均质性的存在 ,可以使高渗透率的砂层为好油层 ,而渗透率相对较低的砂层为差油层 ,甚至为水层。当砂层上倾方向不存在封堵条件时 ,存在着使某些砂层含油范围和含油饱和度发生变化的注油速率临界值。若注油速率小于该临界值 ,无论注油量多大 ,该砂层也不能成为含油层 ,只能成为油水同层或水层 ;反之 ,可以成为含油层。当油气沿高渗透砂体和开启性断层从下部进入上部并充注其侧面的储层时 ,由于浮力的作用 ,油气并不一定进入下部渗透率最大的砂层 ,而是优先进入上部渗透率较高的砂层 ,从而出现渗透率较高的砂层含油饱和度最高 (为含油层 ) ,而渗透率最高的砂层含油饱和度反而较低 (为油水层 )的现象     

低含水率沙床的临界起沙风速

针对目前对风沙起动机制的认识有限的现状，采用量钢分析法推导出对湿沙床的起沙有影响的4个无量纲数。经分析得到起沙风速与沙床沙粒粒径和沙床粘结力间的数量关系。通过建立沙床粘结力与含水率、沙粒粒径的关系式，得到临界起沙风速和沙粒粒径，含水率间的定量关系式。认为低含水率沙床的风沙起动风速与颗粒粒径的一次方和沙床含水率的1／4次方成线性关系，此结论与前人的实验结果符合得很好。     

淹没水射流锥形喷嘴的计算分析与试验比较

应用面元法对淹没水射流锥形喷嘴流动特性进行了简要的计算,并结合试验结果作了分析与比较,指出分析不同结构喷嘴内部及射流区域内的压力系数分布,可以得出喷嘴的收缩角α及圆柱段Ｌ与喷嘴冲蚀性能之间的关系,为对喷嘴的进一步研究提供了理论指导。