淹没条件下星形喷嘴射流流动特点的实验研究

对近期清洗行业出现的星形喷嘴射流进行了淹没条件下的实验研究。利用粒子成像速度场仪对星形喷嘴射流的速度场进行了测量,分析了星形喷嘴的射流衰减机理。实验发现,星形喷嘴射流与普通圆射流相比,其射流初始段较短,但基本段内速度随喷距衰减的速率较低。在7倍于喷嘴直径的喷距以内,星形喷嘴射流的速度低于圆射流速度。随着喷距的进一步增加,星形喷嘴射流的速度高于圆射流速度。在10～12倍于喷嘴直径的喷距范围内,星形喷嘴射流的最大速度和最大动压力分别提高了约20%和44%。该项研究为星形喷嘴射流在石油钻井工程中的应用提供了依据。     

大型储罐旋转射流搅拌器数值模拟

原油在大型储罐的储存过程中,会出现罐底油泥沉积等现象。旋转射流搅拌器依靠自身的旋转喷射,对储罐起到全方位搅拌作用。利用CFD软件对装有旋转射流搅拌器的大型储罐进行研究,分析不同喷射速度下流场的流态分布,确定搅拌器最合理的喷射速度。射流在前进过程中不断向周围扩散,能量损失大,沿轴向速度衰减迅速,在4种喷射速度下,喷嘴出口1 200 mm范围内,速度衰减大于70%,之后速度衰减变缓慢。随着射流速度的增加,搅拌效果不断提高,30 m/s为最佳喷射速度。     

水力旋流器内部流体流动特性PIV实验

为了研究水力旋流器内部流体流动特性,利用激光粒子测速技术（PIV）对双切向入口双锥水力旋流器内部流体流动的全流场进行了测量,利用Tecplot进行了流场显示,切向速度、轴向速度和径向速度提取及涡量计算,并绘制了零轴向速度包络面（LZVV）。研究了不同流量条件下,水力旋流器旋流腔中流体的切向速度和径向速度分布特点、上锥段中流体轴向速度分布特点、上锥段中流体局部涡量特征、上锥段中流体零轴向速度包络面（LZVV）的分布特性。结果显示,水力旋流器旋流腔中的流体切向速度呈中心对称的凹抛物线形分布,旋转动量主要集中在器壁和气柱处,径向速度呈不对称的双M形分布,且靠近气柱处的径向速度比器壁处的要大。上锥段中流体的轴向速度呈不规则的M型分布,轴向速度与流量不呈十分一致的关系,而是随着流量的增加,轴向速度有波动。上锥段中径向上的局部涡量呈不规则的双M形分布,靠近旋流腔壁处,负涡量的绝对值较大;零轴向速度包络面（LZVV）为一近似不规则的圆锥面,双切向入口中流体流量和介质黏度影响LZVV面的形状和分布位置。     

非淹没自由旋转射流流场数值模拟

对非淹没旋转射流外流流场的模拟结果显示,非淹没自由旋转射流流场中速度衰减比较慢,旋转射流由于有切向速度导致射流受到离心力的作用而发散使得打击面积比较大,且具有切向打击作用;而旋转射流卷吸作用强更加有利于空气的混合,使射流中产生空泡.当打在物体表面时,则会产生类似空化射流的效果,这些显著特点使得非淹没自由旋转射流的清洗效率高于其他形式的射流.     

长圆管内旋转流流场的实验测量和数值模拟

利用激光多普勒测速仪（LDV）对φ100mm×3500mm圆管内的旋转流流场进行了实验测量，重点研究了切向速度与轴向速度的分布以及湍流强度分布。同时采用FLUENT软件的雷诺应力输运方程模型（RSM）对圆管的湍流流场进行数值模拟，模拟结果和实验测量基本吻合。流场测量和数值模拟结果表明：圆管内的旋转流是Rankine涡结构形态，旋转强度沿轴向存在着明显的衰减特性，且最大切向速度的径向位置沿轴向逐渐向内移动。在长径比为10的位置，轴向速度大致呈“M”状分布，且沿轴向上轴向速度在径向上的变化趋于平缓，但在轴向长径比为16的位置以后轴向速度转变为稳定的轴对称分布，且轴向速度随径向位置的增大逐渐减小。圆管内大部分空间的切向湍流强度与轴向湍流强度波动不大，但在圆管中心处较大，说明该区域气流扰动较大。     

气-液旋流分离器内气相时均流场的试验研究

采用多普勒激光测速仪对轴流式气-液旋流分离器内气相时均流场进行了测量研究,考察了导叶导角和流量变化对时均流场的影响。测量结果表明,在分离空间,切向速度分布呈现典型的Rankin涡结构,切向速度沿轴向衰减不明显,轴向速度由外围的下行流与内部的上行流构成,轴向速度随轴向向下而衰减。最大切向速度面与轴向LZVV面呈现与筒体相似的管锥形。对环形空间和集液槽内时均流场的结构进行了分析。环形空间与集液槽内切向速度分布趋势与分离空间内相似,集液槽内旋流强度远低于分离空间,最大轴向速度位置靠近轴心处。     

高压水射流破岩钻孔的实验研究

高压水射流很早就被证明是一种潜力巨大、高效及方便的破岩钻孔工具和方法。但单喷嘴普通射流的冲击破碎面积小,喷嘴旋转系统不可靠性,限制了它的实际应用。本文根据石油钻井技术发展的需要,用特殊方法设计出带有导向元件的喷嘴,调制出旋转射流,在室内进行了一系列实验。实验结果表明,该旋转射流可以产生足够大的冲击面积,钻出比喷嘴直径大40多倍的孔眼。其破若以剪切破碎为主,破岩效率是普通喷嘴的数10倍,破岩门限压力仅为普通射流的1/2左右。地面钻孔试验结果,证实了旋转射流具有破岩成孔能力。     

催化裂化再生器树枝状气体分布器射流作用区的床层压力脉动特性

在催化裂化装置中再生器底部通常设置有树枝状气体分布器,通过分布器上的喷嘴分布气体。分布器射流区的压力信号可以很好地反应分布器的流场特性,为减小磨损进行结构改进提供理论依据。为此,在二维床实验装置上针对分布器射流区压力分布及压力脉动进行了实验研究,结果表明：分支管间床层压力沿床层轴向高度逐渐减小,随喷射角度增大而减小,随喷嘴出口气速和静床高度增大而增大,由测点以上的物料量决定,可用来判断不同操作工况;当喷射角度为0°和22.5°时,分支管间处于密相区,压力脉动先增后减,对应着气泡的产生、聚并和破碎的规律;当喷射角度为45.0°和67.5°时,分支管间由射流形成稀相区,压力脉动由气流湍流度决定,高于密相区,随喷嘴出口气速和静床高度增大而增大,可为减小分支管外部磨损提供依据;影响喷嘴射流压力脉动的因素为相邻喷嘴射流冲击和颗粒的作用,喷射角度为22.5°时的射流压力脉动存在临界气速,取决于是否受到相邻射流的冲击,可以为喷嘴射流稳定性及工业上减小分布器的内部和外部冲蚀磨损提供理论依据。     

非自由淹没水射流CFD仿真研究

依据井底高压水射流破岩条件建立物理模型,利用计算流体动力学方法对非自由淹没射流流场进行计算。计算结果表明,射流速度场存在等速核区、衰减区和撞击区。将计算结果与经验公式进行对比,证明了模型的准确性和计算结果的可靠性。通过分析喷嘴出口速度、喷距和喷嘴出口直径对射流轴向速度的影响规律,得出结论:(1)喷嘴出口速度对射流结构和轴向速度衰减影响较小;(2)当无因次喷距L/D<12时,射流没有衰减区,仅存在等速核区和撞击区;(3)当L/D≥12时,喷距对射流结构的影响非常小,对等速核长度几乎没有影响。     

切向注入式旋转射流喷嘴携岩能力研究

鉴于优化井底水力特性能有效地提高钻头破岩钻进速度的认识,提出了将旋转射流引入到钻头的技术设想,并设计了切向注入式旋转射流喷嘴。基于较少假设,采用标准k-ε模型,对切向注入式旋转射流喷嘴流场进行了数值模拟研究,并以射流冲砂携岩试验进行了验证。研究结果表明,切向注入式旋转射流喷嘴的携岩能力优于直射流喷嘴;切向注入式旋转射流喷嘴存在最佳携岩喷距和切向注入孔个数,该实验中最佳喷距为5～8L／d,最佳切入孔个数为3个。研究结果为钻头的设计和使用提供了依据。
     

催化裂化提升管反应器出口快分构件优化

针对京博石化一套FCC装置内粗旋结构,提出了一种内置导流板的粗旋结构,并采用Fluent软件对优化模型内气相流场、颗粒运行轨迹及分离效率进行数值研究,并与现场粗旋进行了对比。模拟结果表明:优化模型内切向速度呈驼峰分布;轴向速度呈马鞍形分布;压力分布呈轴对称分布,其沿轴向基本不变,而是随着半径的减小而降低。与现场模型相比,优化模型的切向速度、轴向速度都有所提高,有利于气 固的分离;压降有所降低,提高了旋风分离器的性能;分离效率主要是对粒径范围5~20 μm的颗粒提高较大。此外,随着入口速度的增大,其分离效率增大的同时压降也增大,因此需综合考虑。     

新型旋流-颗粒床耦合分离设备的三维气相流场分布

采用五孔球探针测量了无尘负荷条件下新型旋流-颗粒床耦合分离设备内复杂的三维气相流场,分析了内部流场特点。结果表明:在不同入口气速条件下,无量纲切向速度与无量纲轴向速度的分布形态基本类似;切向速度分布轴对称性较好,旋流中心与几何中心基本重合;切向速度沿轴向呈减小趋势,沿径向的分布则与常规旋风分离器不同;在入口环形空间内,切向速度在0°~180°方位区间内增大,而在180°~270°方位区间内减小;旋流空间内轴向速度整体方向向下,局部螺旋上升气流集中在筒-锥连接段270°方位;径向速度分布的规律不明显,在直筒段径向速度数值与轴向速度在同一数量级,且对气流方向有重要影响;在排气管入口截面处,外旋流方向与入口气速密切相关。各截面平均静压沿轴向呈增大趋势,结合动压场分布可判断出筒-锥连接段气体流量显著减小,部分气体螺旋向上进入颗粒床,在实际操作过程中可能会导致粉尘堆积。由于内置颗粒床的影响,设备内部的气相整体呈螺旋向下的旋流运动,内外旋流边界不太明显。排气管口处短路流、顶灰环与返混现象消失。     

旋流快分系统（VQS）环形空间内气相流场的研究

采用激光多普勒测速仪（LDV）对旋流快分系统（VQS）内环形空间的气相流场进行研究。结果表明，VQS系统内环形空间的气相流场具有双涡特性，内外涡的分界点处存在最大的切向速度。由于流体与双侧壁面之间的摩擦造成能量损失和湍流能量耗散，导致最大切向速度不断衰减且位置沿轴向向下逐渐向提升管外壁移动，同时涡量传递造成外部的准自由涡区逐渐增大，内部的准强制涡区逐渐缩小。轴向速度沿径向呈明显的线性分布，下行轴向速度沿提升管外壁向封闭罩内壁的径向方向逐渐增大。轴向速度的径向梯度沿轴向向下逐渐变小，轴向速度分布也逐渐趋于水平直线状。整个环形空间内，切向、轴向相对湍流强度分布稳定，湍流脉动与扩散比较平缓，有利于气流稳定下行，避免纵向环流、涡旋死区的发生。     

基于粒子图像测速技术的垂直管螺旋流研究

为了研究牛顿流体和非牛顿流体螺旋流在垂直管中的流动规律,利用粒子图像测速技术测量了水和3种不同质量浓度的聚合物溶液在不同切向进入速度的条件下垂直管中的螺旋流瞬时速度场。对不同介质螺旋流的轴向速度的分布规律、径向速度的分布规律、边界层的特性和螺旋流的压降与切向进入速度关系的研究发现,垂直管中非牛顿流体和牛顿流体螺旋流的轴向速度是凹形且呈双峰的分布趋势;且黏度越大,双峰的趋势越明显。在轴向速度方向上存在回流,径向速度近似以中心反对称分布,边界层的厚度较小。给出了垂直管中不同介质螺旋流压降的计算模型。     

高压水射流破岩比能演化机理研究

采用非线性动力有限元和岩石动态损伤模型，在对高压水射流破岩过程模拟分析的基础上，进行了射流破岩比能演化机理的研究。研究结果表明，在脉冲射流载荷的衰减阶段，由于岩石卸载的阻力较小，卸载过程中所释放的能量利用较为充分，使得脉冲射流的破岩比能明显小于连续射流；因为旋转射流的每一质点均具有三维速度，易于在岩石表面形成拉伸和剪切破坏，且回流的干扰较少，提高了射流的能量利用率，使得破岩比能也明显低于连续射流，且随着切向速度与轴向速度比值的增大，旋转射流破岩比能逐渐减小。     

喷嘴径向位置对喷雾造粒塔流动特性的影响

为了研究喷雾造粒塔内的流动特性,采用相位多普勒粒子分析仪(PDPA)测量了塔内的速度分布,数值模拟了不同结构参数下的流场演变过程,并根据速度分布对喷雾造粒塔内流场进行了区域划分。结果表明,喷嘴径向位置对流动影响较大,而操作参数的影响相对较小;喷雾造粒塔内速度分布在不同风量下基本相同,沿轴向有两个明显的区域分布,即喷雾造粒塔上部靠近喷嘴,受射流影响较大,流动比较复杂,沿轴向的下部远离喷嘴,射流影响逐渐减弱,流动规律性明显增强。喷雾造粒塔内速度分布与蜗壳式旋风分离器内的速度分布差别较大。     

加压浆态鼓泡床中固含率与气含率轴向分布的研究

在高6.6 m、直径0.3 m的浆态鼓泡塔中,采用动态气体逸出法研究了水-空气-石英砂体系中固含率与气含率的轴向分布。在表观气速0-0.24 m/s、固体质量分数(石英砂在水中的质量分数)0-23％、压力0.1-2.0 MPa范围内,考察了各种因素对固含率和气含率轴向分布的影响。实验结果表明,随着表观气速的增加和固体质量分数的减小,固含率的轴向分布趋于均匀;气含率随压力和表观气速的升高而增加;固体质量分数仅仅影响大气泡气含率和上升速率,而对小气泡气含率和上升速率的影响不大;在固体质量分数大于23％时,压力对气含率轴向分布的影响比较显著。     

失控着火井天然气喷流燃烧火体力学行为研究

量化井喷失控井喷流、燃烧火体及其响应域速度、压力、温度场分布规律对失控着火处理方案分析、处理设计及处理作业都具有重大意义。文章分析了失控井天然气喷流录相，并根据自由紊动扩散射流理论分析了失控着火天然气喷流及燃烧火体的力学行为。结果认为：喷流速度大于火焰燃烧速度段为轴对称（圆形）自由紊动射流，燃烧火体段是由于紊动射流的脉动而卷入环境空气与喷流（燃料）混合燃烧的；当未着火段接近井口时可被视为紊动扩散燃烧火焰，而当未着火段远离井口时则可被视为紊流部分预混燃烧火焰。在建立了失控井天然气喷流及燃烧火体物理模型后，可进而建立相应的数学模型以定量描述喷流、燃烧火体及其响应域的动力学参数。