径向水平钻孔直旋混合射流喷嘴流场特性分析

为解决高压水射流径向水平钻孔时孔径和孔深相互矛盾的问题,设计了一种兼具直射流和旋转射流特点的直旋混合射流喷嘴。运用数值模拟方法,采用RNGk-ε湍流模型对所设计喷嘴的内外流场进行了三维流动特性分析,运用高速摄影对射流结构和破岩特征进行了对比。结果表明,直旋混合射流喷嘴所形成的射流具有直射流和旋转射流特征,比锥形直射流喷嘴扩孔能力强、比旋转射流喷嘴钻孔深度大。直旋混合射流的轴向速度与直射流相比不存在等速核,与旋转射流相比轴心速度高,能够形成一定的钻孔深度,不会形成孔底锥起;切向速度沿喷嘴径向呈现“M”型分布,能形成较大的孔径;径向速度呈轴对称分布,存在明显的漫流层,有助于岩屑的脱离。流场特性模拟结果与实际破岩钻孔特征基本一致。     

超短半径水平井钻头喷嘴多相流规律分析

为了解决高压射流钻进超短半径水平井技术中钻孔直径与钻孔深度间的矛盾问题,在考虑液固两相相间作用力的基础上,采用连续介质假设,依据液固两相双流体模型,对超短半径水平井钻头喷嘴内液固多相射流进行了模拟研究,并将结果同单相射流进行了对比。对比结果显示：单相与多相两种情况下液相轴线速度分布趋势基本相同,喷嘴轴线上湍流强度发展趋势一致;但当流动进入喷嘴直柱段并逐渐向出口运动时,单相射流液相轴线速度要低于多相情况下液相轴线速度,单相射流的湍流强度要高于多相射流条件下湍流强度;在喷嘴出口截面上,越靠近轴心液相速度越接近;反之,越靠近壁面液相速度差别越大,并且固相颗粒在喷嘴内壁附近存在速度超前滑移现象。     

异形中心体对中心体喷嘴射流性能的影响

为拓展中心体空化喷嘴的应用场合,探索中心体空化喷嘴射流流场特性,提出了在中心体空化喷嘴中采用异形中心体的思路,通过Fluent软件,对含90°锥形柱体、平头柱体和半球柱体3种不同中心体空化喷嘴射流所产生的流场进行数值模拟,重点对流场压力分布、气含率分布以及速度分布进行了对比分析。研究发现:在非淹没情况下,含90°锥形柱体喷嘴和含半球柱体喷嘴比含平头柱体喷嘴产生的空化效果更好,含90°锥形柱体喷嘴产生的楔形空泡射流具有更强的集束性能;含90°锥形柱体喷嘴和含半球柱体喷嘴射流低压区沿轴心扩散效果明显比含平头柱体喷嘴好;含半球柱体喷嘴和含平头柱体喷嘴射流在轴心线上的速度增加比含锥形柱体喷嘴更快,含锥形柱体喷嘴空化区域扩散更稳定。     

三维LDV/APV系统在降尘喷嘴雾特性参数测量中的应用

阐述了三维LDV/APV系统用于测量水喷雾流场特性参数的原理,对降尘喷嘴雾特性参数进行了精确测量。结果表明：喷嘴工作压力增大,雾粒径减小,雾场径向覆盖范围扩大,水雾/含尘空气体积通量加大;旋转射流主体段,轴向速度在径向及轴向衰减平缓,径向及切向速度在径向呈单峰形分布;旋转射流卷吸周围含尘气体的能力增强,降尘效率提高。     

水力冲孔喷嘴几何参数对喷嘴内部流场的数值模拟研究

利用计算流体软件建立了水力冲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影响。结果表明,喷嘴收缩角和长径比对喷嘴内部流场影响较大,但各参数都存在着最优值。计算结果与室内实验基本吻合,验证了喷嘴内部流场分布与射流煤层打击效果存在着内在联系。     

降尘用超声雾化喷嘴内流场仿真及参数优化实验研究

通过数值计算和实验测试手段研究了降尘用超声雾化喷嘴的内外流场。结果表明:通过超声雾化喷嘴内部流场的压力和速度矢量分布可以看出:射流喷嘴进口处和超声波振荡腔内部的压力分布较大。液体速度经过超声波振荡腔后速度减小,并且在喷嘴内部形成了漩涡。随着射流水压的增加,雾滴D50表现出明显减小趋势。随着以射流喷嘴口为起点距离超声波振荡腔的相对距离的增加,雾滴D50表现出先减小后增加,雾滴速度表现出先增大后缓慢减小,得到最佳的超声波振荡腔位置为3.5 cm。     

矿石喷射喷嘴的数值模拟研究

喷嘴是矿石拣选喷射分离系统关键构件之一,对矿石的喷射分离效果有重要影响。本文对锥形和锥直形喷嘴建模和数值模拟,结果表明二者喷射范围区别不大,但锥形喷嘴喷射流场速度高于锥直型喷嘴,显示锥形喷嘴对矿石喷射更有优势,通过喷射实验也验证了锥形喷嘴的喷射效果优于锥直形喷嘴。进一步地,对锥形喷嘴的出口半径、收缩角进行了数值模拟,结果表明随着锥形喷嘴出口半径的增大,喷射流场最高速度会降低,但速度衰减减缓,喷射范围变大;收缩角的增大,将导致喷射流场速度降低。     

高压水射流煤层割缝深度数值模拟与实验研究

高压水射流割缝技术是提高低透气性煤层瓦斯抽采效率的有效措施之一,确定割缝深度是优化钻孔布置和射流参数的基础。基于Fluent软件数值模拟分析了入口压力、靶距、旋转速度对水射流流场特征的影响规律;基于高压水射流破煤实验系统,开展了淹没和非淹没条件下冲击破煤实验,并进行了现场实验。研究表明,喷嘴结构一定时,水射流速度随着入口压力的增大而增加,冲击压力随冲击距离增大而发生衰减;水射流发展过程中截面积逐渐增大,导致冲击压力集中区域的范围随靶距的增大而逐渐扩展;射流旋转会导致旋转方向一侧的应力大于另一侧,靶体表面最大切应力随旋转速度增加而增大;随着入口压力和冲蚀时间的增加,水射流对试样的冲蚀深度增大,但冲蚀深度随冲蚀时间的增加存在阈值。根据高压水射流破煤深度实验结果可知,喷嘴直径为1 mm、压力为30 MPa时,水射流割缝直径可以达到1.2 m。工程应用表明,割缝钻孔平均瓦斯抽采流量为普通钻孔的1.56～2.52倍;抽采16 d后,瓦斯抽采浓度维持在30%以上。     

矿石喷射喷嘴结构对射流流场的影响的研究

喷嘴是矿石拣选喷射分离系统关键构件之一,对矿石的喷射分离效果有重要影响。对锥形和锥直形喷嘴进行建模和数值模拟。结果表明,二者喷射范围差异较小,但锥形喷嘴喷射流场速度高于锥直型喷嘴,可以推断锥形喷嘴对矿石喷射更有优势,能够获得更大的喷射分离距离。通过喷射试验也验证了锥形喷嘴的喷射效果优于锥直形喷嘴这一结论。进一步地对锥形喷嘴的出口半径、收缩角进行了数值模拟。结果表明随着锥形喷嘴出口半径的增大,喷射流场最高速度会降低,但速度衰减减缓,喷射范围变大;收缩角的增大,喷射流场速度降低。     

喷射式浮选机射流搅拌装置流场分析及结构优化

以喷射式浮选机射流搅拌装置结构优化为目的,选用合理的CFD数值模拟计算方案,综合考查引射性能和流场特性两个指标,对面积比、喉嘴距、喉管长度、引射管布置方式和位置进行优化计算;设计了长喉管、短喉管、导流叶片喷嘴和无导流叶片喷嘴共4组不同结构参数的射流搅拌装置试验,考查并验证了喉管长度和喷嘴内导流叶片对引射能力的影响;采用激光粒子测速仪测试了喷嘴内导流叶片对射流流束形态演变的影响。结果表明:面积比a=1.96～3.24,喉嘴距L_e=0.2D_h～0.6D_h(D_h为喉管直径)、引射管采用双侧对称布置、喷嘴内设置导流叶片及喉管长度在6D_z～12D_z(D_z为喷嘴直径),射流装置的混合效率最理想,引射管布置位置对混合效率影响较小;喷射室压力在0.145～0.160 MPa时,喷嘴内设置导流叶片,长、短喉管吸气能力平均至少提高30.73%和33.94%,引射管全开时长喉管较短喉管的吸气能力高出15%以上。结构参数对流场的影响表现在,面积比增大及引射管靠近喷嘴出口布置,喉管内射流流束的中心速度衰减越快,喉嘴距变化对中心速度的衰减影响较小;喉管长度≤6D_z时,流束中心的流核一直持续到喉管出口,引射流体和工作流体在喉管内动、质量交换不完全;喷嘴内设置导流叶片,有利于流束中心的流核区减小,原因是流束以旋转射流的形式从喷嘴喷出,形成了更有利于工作流体与引射流体动、质量交换的湍流流场;基于理想的引射性能和流场特性,面积比a=3.24、喉嘴距L_e=0.6D_h、引射管采用双侧对称且正对流核区域布置方式、喷嘴内设置导流叶片及喉管长度在6D_z～12D_z为射流搅拌装置的最优结构参数。     

液黏调速离合器摩擦副润滑油道设计及特性分析

为了使液黏调速离合器摩擦副间隙尽可能地均匀分布,满足工作性能和散热要求。基于不可压缩流体控制方程和Shear Stress Transport（SST）湍流模型,建立了两种油道结构的三维流场模型,应用ANSYS CFX对润滑油道的流场进行数值模拟计算,研究了油道结构对摩擦副入口处油压和流速分布的影响。结果表明：润滑油道结构对摩擦副入口压力和流速影响比较明显,改进后的油道结构压力损失较小且喷油孔的油压和流速分布比较均匀,有助于摩擦片和对偶钢片间隙的均匀分布,能更好地满足液黏传递转矩和散热的要求。     

气泡发生器喷嘴的改进及两相流数值模拟研究

为了提高浮选效果,对气泡发生器的喷嘴进行了改进,加入了螺旋叶片并利用VOF多相流模型进行了数值模拟计算,得到了速度、压力和湍动能等流场分布规律图,结果表明,有螺旋叶片喷嘴的气泡发生器具有更好的性能,大大提高了矿浆中的气泡矿化效果。     

水射流割缝喷嘴几何参数优化数值模拟研究

应用SolidWorks软件建立水射流割缝喷嘴内部流场的三维模型,采用标准κ-ε湍流模型模拟喷嘴内部流场,并分析了喷嘴出口速度和动压,将模拟结果用于割缝喷嘴参数的优化。研究表明,对喷嘴性能影响最大的是收缩角和长径比,喷嘴出口处的水平流道对喷嘴性能也有重要影响。     

磨料射流喷嘴外流场磨料速度模型及分析

喷嘴外流场磨料速度是建立磨料射流冲蚀深度模型的重要前提,以磨料射流喷嘴外流场磨料为研究对象,以固液两相流理论为基础,建立了磨料射流喷嘴外流场磨料速度模型,基于位移等分法和迭代算法求解了该速度模型,利用PIV实验进行验证,实测值与理论值的平均百分比误差在5%之内。并利用该速度模型得到了磨料射流喷嘴外流场磨料运动规律:(1)磨料颗粒流在喷嘴外流场的流动具有扩散性;(2)磨料颗粒沿射流轴向运动时,大多经历了一个先加速后减速的过程,只是加速距离有所差异;(3)初始段内相同轴向距离的射流横截面上,位于等速核区域内的磨料速度相同,随后磨料速度从等速核边界朝射流边界方向逐渐减小;初始段末端及基本段内相同轴向距离的射流横截面上,磨料速度沿射流径向的分布完全呈现出钟形速度分布。     

电选摩擦器气体流动及单颗粒运动特性研究

为研究电选摩擦器内气固运动特性,建立了三种摩擦棒不同分布特征的摩擦器数学模型,运用标准k-ε湍流模型及颗粒轨道模型,对摩擦器内气固两相流流场进行了数值模拟,主要研究了气体相对压力场、相对速度场分布情况;并以粒径为10、40、74μm的球形颗粒为研究对象,分析了编号43的单个颗粒运动情况。研究结果表明,摩擦棒对气体流动过程的干扰作用明显,摩擦棒间距对气相流场分布影响很大;摩擦棒背部的负压区和回流区面积沿气体运动方向逐渐增大;摩擦棒分布特征和粒径对摩擦器内颗粒速度变化趋势影响大,颗粒粒径与运动轨迹长度成正比,与速度成反比。     

前混合式磨料水射流喷嘴外流场仿真与实验

通过建立磨料水射流喷嘴有限元模型,对2种不同直径的前混合式磨料水射流的喷嘴外流场进行仿真分析.结果表明,在喷嘴其它几何条件相同的情况下,出口直径对喷嘴的出口速度影响比较大,出口直径越大,出口速度越小;在一定程度上将混合管适当地加长,可以提高磨料射流在喷嘴出口处的速度;磨料水射流最佳的切割距离为喷嘴出口直径的2.0～5.0倍.磨料水射流切割靶体实验结果与靶体冲击仿真结果基本吻合.     

基于CFD的反循环钻头内喷孔直径参数研究

孔底流场是反循环钻井取样的关键流场,主要由内喷孔、底喷孔和中心通道形成。为提高反循环取样能力,增强反循环效果,对交汇型和螺旋型内喷孔直径参数开展研究。借助计算流体动力学软件CFD,模拟内喷孔产生的压力场和速度场,引入内喷孔抽吸系数比较进口和出口的质量流量,探讨内喷孔直径变化对增强反循环效果的影响。研究结果表明：交汇型内喷孔产生的流场受直径参数影响较大,螺旋型内喷孔产生的流场受直径参数影响较小;相同直径条件下交汇型内喷孔压力变化范围高于螺旋型内喷孔压力变化范围;随直径增大,交汇型和螺旋型内喷孔抽吸能力均升高,但是交汇型内喷孔抽吸能力随直径变化幅度更大。     

基于LBM-DEM耦合模型的多孔射流喷动床内流动特性

研究喷动床内颗粒的流动特性对于喷动床的设计和优化具有重要意义。基于格子Boltzmann方法 (LBM)-离散单元法(DEM)的数学模型,综合考虑固体运动对流场的影响,气相采用修正后的格子Boltzmann方程计算,颗粒-颗粒以及颗粒-壁面之间的碰撞采用离散单元法软球模型,颗粒所受气体曳力采用Gidaspow曳力模型,流固耦合基于牛顿第三定律,从介观角度深入剖析了多孔射流稠密气固流化床内流动机理。采用Fortran语言编程对上述模型进行求解,通过复现气泡在鼓泡床中的演化过程,有效验证了LBM-DEM耦合模型的准确性。研究了单喷口系统与多喷口系统在不同射流速度下的空隙率、颗粒拟温度、床层膨胀高度以及颗粒动能与势能等典型参数变化。结果表明:单喷口射流气速增加时,气体对颗粒的携带能力增强,喷泉区扩大,床内空隙率分布增大,速度脉动变大,颗粒拟温度升高,床层膨胀高度提高;而在多喷口系统中,相邻喷口间存在较强的横向扰动,在床层底部喷泉区出现明显射流合并,位于中心射流区域的颗粒获得较高动量,喷口数的增加使得床层膨胀高度提高27.50%,时均空隙率范围扩大,颗粒拟温度升高,且射流合并高度随喷口数量的增加而降低28.57%,颗粒势能增加66.07%,动能减少48.48%。以上分析结果表明基于修正格子Boltzmann方法与离散单元法相结合的耦合模型可以作为分析稠密气固两相流内在机理的有效工具。