高液压水体中近壁面空化气泡坍塌的动力学特性研究

基于6方程多相流模拟理论并结合Keller-Miksis方程半解析解进行对比验证，建立了适用于研究高液压水体中近壁面空化气泡坍塌问题的数值模型。选取周围水体p_∞=10⁶ Pa、p_∞=10⁷ Pa、p_∞=10⁸ Pa三种高液压工况以及S=0.1R₀、S=0.4R₀、S=0.7R₀、S=1.1R₀四种空化气泡与壁面之间间距工况对高液压水体中近壁面空化气泡坍塌的动力学特性进行系统探究。结合数值纹影、压力场无量纲化等后处理技术，对不同组合工况下空化气泡坍塌演变、压力波生成与传播以及壁面径向原点位置压力峰值进行了详细地对比分析，并深入揭示了周围水体液压以及气泡与壁面之间间距对于近壁面空化气泡坍塌动力学特性的影响规律和内在机理。     

自振空化射流研究与应用进展

介绍一种新型射流——自振空化射流的设计原理、冲击压力特性、冲蚀破岩特性和现场应用情况。研究表明，以风琴管结构为基础设计的喷嘴可以产生强烈的自振空化射流，与锥角为 120°的普通锥形喷嘴相比，冲击压力脉动幅度和峰值分别提高24 ％和37 ％，冲蚀岩石效果提高1～2倍。自振空化射流已成功应用到石油工程中，研制出自振空化射流钻头、高压旋转自振空化射流处理近地层技术和自激波动注水技术，取得明显的经济效益。     

近壁面空化冲击颗粒破碎效果的影响因素研究

为提升近壁面空化冲击的颗粒破碎效率,对颗粒破碎效果的影响因素开展了研究。首先确定了液相中空化冲击破碎颗粒的基本方式:近壁面空泡溃灭时产生的高速微射流会驱动空泡内部的颗粒撞击壁面,造成颗粒破碎。由颗粒破碎的基本方式确定了影响颗粒破碎效果的主要因素;理论分析了微细颗粒穿过流体空化泡壁的动态过程,计算了不同粒径的运动颗粒能够穿过空化泡壁的初始速度及初始距离条件;分析了颗粒粒径大小对于近壁面空化泡溃灭微射流的削弱作用,计算了近壁面空化冲击破碎颗粒的无量纲距离条件。基于理论分析结果,开展了基于颗粒体积分数、入口压力、颗粒大小及转速率等多因素的石英砂颗粒球磨空化冲击破碎实验。结果表明,实验后各实验点的中位粒径D₅₀和特征粒径D₁₀均明显减小,粒径小于10μm的颗粒占比由实验前的6.2%提升至59.3%,验证了上述因素对颗粒破碎效果的影响作用。     

高压喷嘴内部空化流动的数值模拟研究

高压柴油喷嘴入口流动分离产生的局部低压会诱发空化现象。该文利用k-ω SST 两方程湍流模型和k-kl-ω湍流/转捩模型对某喷嘴内无空化及空化流动进行数值模拟。结果表明k-kl-ω模型可有效预测喷嘴入口回流区分离转捩过程, 且喷孔内空化流的空泡位置、形态及出口质量流量与实验结果吻合很好, 能更准确模拟喷嘴内空化流动, 而k-ω SST 模型忽略了分离转捩过程, 难以预测喷嘴内部的初生空化及流动特性。进而采用k-kl-ω模型探讨了喷嘴入口回流区流动结构及转捩过程对空化初生及发展的影响, 揭示出回流区长度、压力及脉动能强度分布特性, 为深入研究喷嘴射流雾化机理提供依据。     

气举用振荡脉冲射流破碎器的研究

本文着重研究了气举用振荡脉冲射流破碎器在淹没条件下的动态特性、冲蚀特性和现场试验情况。实验表明在淹没条件下振荡脉冲射流不仅具有强烈的动态脉动冲击特性，而且具有波动的径向流动（附壁流动）。在相同条件下振荡压力能破碎连续射流所不能破坏的土岩，而且能产生波动上举力；波动的径向流动使作用在破碎的土岩颗粒上的升力增大，使作用在土岩颗粒上的上举力大于压持力，导致土岩颗粒易于流动。在气举上使用脉冲射流喷嘴，其轴吸浓度稳定，提取的固液混合液浓度比采用连续射流喷嘴时的大。     

基于CFD的超声激振喷嘴雾化特性数值模拟研究

为了进一步提高超声激振喷嘴内部的湍流效果和提高喷嘴雾化效率,通过设置碰撞壁和振荡腔的结构对现有的超声喷嘴进行改进。利用哈特曼流体声波发生器原理,建立超声激振喷嘴雾化模型,利用CFD流体动力学仿真软件模拟喷嘴内部的流场,以喷距和碰撞壁角度两个主要参数对喷嘴出水口速度的影响。结果表明:通过分析喷嘴内部速度和压力流场云图发现喷嘴内部振荡腔和碰撞斜壁的设计会使喷嘴内部产生空化涡旋,空化涡旋内空化气泡的溃灭会增强流体的扰动,增强喷嘴内部流体的湍流的效果,增强喷嘴雾化的效果加强喷嘴内部流体的扰动效果,提高喷嘴的雾化效率;喷嘴射流速度随进口压力的增加表现出明显的增大趋势,射流速度对喷距的增加表现出明显的增加趋势,相比较之下碰撞壁角度对射流速度的影响不明显,经分析确定参数喷距L=1 mm,碰撞壁为60°时超声激振喷嘴雾化效果最好。     

顶部点火下甲烷-空气预混泄爆特性研究

利用自主设计和搭建的1 m³矩形泄爆系统，开展了顶部点火条件下7%～13%浓度范围的甲烷-空气预混气体泄爆实验，研究甲烷浓度对泄爆过程中火焰演化和内部超压特性的影响规律，并结合压力时程曲线和火焰演化图像等进行机制分析，研究结果表明：浓度对甲烷-空气预混气体的泄爆特性有显著影响，在特定甲烷浓度下，容器内部超压出现双峰现象，在各浓度下均出现压力峰值P₁,而压力峰值P₂仅在浓度为9%出现。各浓度均出现的第一压力峰值P₁随着浓度的增加呈现先增大后减小的趋势，而该峰值出现时间的变化趋势却与之相反，两者均在甲烷浓度10%下取得极值。这一现象主要由初始火焰传播、外部爆炸、亥姆霍兹振荡和泰勒不稳定性等因素综合影响形成。仅在甲烷浓度9%出现由火焰与声波耦合作用诱发产生的声学峰值P₂,该峰值远大于压力峰值P₁;其主要由火焰和声压的相互促进与扰动触发热声耦合作用影响形成。火焰向下传播速度随浓度呈先增加后减小的趋势，在甲烷浓度10%时达到最大值，且稍富燃状态下燃烧速度总体较快。     

冲击射流与壁面射流风剖面特征比较和影响因素参数化分析

该文分别采用冲击射流模型和壁面射流模型作为下击暴流的风场模型,采用基于雷诺平均法(RANS)的RNG k-ε湍流模型进行数值模拟获得下击暴流的稳态风场。在数值模拟基础上,通过改变模型参数,如冲击射流模型中初始出流直径D_jet、出流高度与出流直径比值(H/D_jet)和出流速度V_jet;壁面射流中初始出流宽度H_jet和出流速度V_jet,分别计算得到多种情况下的下击暴流风剖面,详细分析了这些初始参数对下击暴流风剖面特征的影响。冲击射流与壁面射流风剖面的对比表明二者风速水平分量在径向各位置均吻合良好,都给出了下击暴流水平分量风剖面的主要特征;但二者的风速竖向分量在径向各位置差异较大。总体来说,在结构风工程领域中仅关心风速水平分量时,壁面射流模型也可以作为下击暴流风剖面模拟的模型。通过壁面射流模型把冲击射流的出流区域分离出来,可以在大气边界层风洞中实现大比例尺的下击暴流出流风的模拟。     

印刷涂布烘箱V型条缝喷嘴冲击射流流场的数值模拟

为了解印刷涂布设备烘箱V型条缝喷嘴冲击射流流场分布及其影响因素,采用标准k-ε湍流模型,对喷嘴射流冲击移动壁面进行数值模拟。分析了喷嘴冲击射流壁面附近速度场和压力场分布情况,考虑了影响喷嘴冲击射流壁面附近速度分布的喷嘴宽度和高度等因素。研究结果表明:在冲击射流中,喷嘴距壁面的高度和喷嘴宽度对壁面附近速度分布影响较为明显;综合考虑各种因素,较理想的喷嘴高度是15 mm,相应的喷嘴宽度为2.5 mm。     

两相CO2喷射器混合室直径优化与模拟分析

混合室直径对两相喷射器的性能影响显著。结合湍流射流理论，本文提出两相喷射器混合室直径的射流分析设计方法：当混合射流的流量增至喷射器的目标总流量时，射流外边界的直径即为最优混合室直径。根据该方法优化某型号CO₂喷射器的混合室直径，引射比为0.5时的最优直径为2.4 mm。利用数值模拟研究混合室直径对CO₂喷射器性能的影响，结果表明：在相同条件下，混合室最优直径为2.2 mm。当混合室直径为2.4 mm时，喷射器压升为0.9 MPa,相比优化前提高了57.9%。结合射流理论，拟合了无量纲最优混合室直径的关联式。当引射比为0.4～0.8时，无量纲最优直径为1.7～2.1。关联式的预测结果与CFD模拟结果相差-6%～10%,可用于工程上预估最优混合室直径。     

临界流文丘里喷嘴的最大允许背压比

一、临界流文丘里喷嘴的最大允许背压比与临界压力比设临界流喷嘴的进口压力为p1、滞止压力为p0、喉部压力为p*、出口压力为p2。增大临界流喷嘴的滞止压力p0或减小临界流喷嘴的出口压力p2,即减小背压比(p2/p0),则流过临界流喷嘴的气体流量增加。当背压比减小到使临界流喷嘴达到临界压力比(p*/p0)c时,气体的流量达到最大,此时的背压比即为最大允许背压比,气体流速为当地声速。再继续降低背压比(p2/p0),流过临界流喷嘴的气体流速将保持不变。     

枪虾夹螯的结构特性、运动特性与射流聚焦机理研究

枪虾利用空化气泡破裂产生的压力脉冲进行捕猎,其夹螯产生空化射流具有高能聚焦的特点。研究夹螯结构对射流的聚焦机理和影响规律,对于探索空化效应、研发仿生空化装置等具有重要的意义。利用CT扫描技术和高速摄影技术,通过研究夹螯的结构特性、运动特性,揭示了枪虾夹螯的运动规律;结合CFD仿真模拟空化射流的产生过程和流场状态,阐述夹螯结构对射流的聚焦作用机理;对不同结构尺寸的囊腔凹槽进行仿真,分析了凹槽大小对射流的影响。结果表明,枪虾夹螯的凹槽结构会对射流产生聚焦效应,且当凹槽尺寸约为0.15 mm时具有最优的射流聚焦效果。     

冲击射流下旋转热管砂轮冷凝器传热特性

轴向旋转热管砂轮是用于强化磨削弧区换热的新型砂轮,其冷凝器换热性能的优劣直接影响整个热管砂轮的换热性能。本文结合冷凝器设计方法设计了热管砂轮冷凝器,并借助数值模拟的方法对轴向旋转热管砂轮冷凝器的换热性能进行分析,以优化旋转热管砂轮冷凝器的结构参数。研究不同的翅片高度(f=0～8 mm)、喷嘴到翅片顶部距离(d=3～11 mm)、低温空气射流速度(v_j=45～115 m/s)和砂轮转速(n=150～1 180 r/min)等对冷凝器换热性能的影响,结果表明：当翅片高度为6 mm时,获得最佳传热性能,对流换热表面传热系数约为459 W/(m²·K),与无翅片结构相比,对流换热表面传热系数提高36%;当喷嘴到翅片顶部距离为5 mm时,换热性能最好,传热系数为459 W/(m²·K);当低温空气射流速度提高时,对流换热表面传热系数随之提高,射流速度为115 m/s时对流换热表面传热系数最高,可达459 W/(m²·K),与射流速度为45 m/s时相比提高43%;当砂轮转速提高,对流换热表面传热系数也随之升高...     

突扩膨胀射流冲击换热与流动的数值模拟

采用大涡模拟模型对突扩膨胀射流冲击平板的传热特性及喷嘴内部流场进行数值模拟,得到不同进口Re数,不同膨胀比情况下喷嘴内部流场和射流冲击平板时的换热效果,分析了不同进口Re数、膨胀比E、冲击高度H/d对换热和流动的影响.研究表明,与直喷嘴进行对比,由于膨胀喷嘴射流与周围介质的掺混、渗透作用使射流的流速大大降低,最大速度偏离几何中心,使得换热效果减弱,对加热平板的冷却具有不对称性,但使得整个换热板的平均冷却效果更加均匀.     

304不锈钢空化水射流表面空蚀损伤研究

采用淹没式空化水射流方法对304不锈钢表面进行不同压力和时间的空化水射流处理,用扫描电子显微镜原位跟踪观察处理后的试样表面形貌,研究其空蚀损伤过程及空蚀机理,并对表层组织和304不锈钢变形机理进行了探讨。结果得出,根据损伤程度和作用机理的不同,空蚀损伤区从中心到外围可以分为射流冲击区、过渡区和紊流区三个区,其中射流冲击区损伤最严重,紊流区次之,过渡区最弱。当射流压力为35 MPa、处理40 min时,射流冲击区损伤速度加快,并且呈现明显的疲劳损伤特征,滑移带和晶界处疲劳裂纹萌生和扩展是导致该区损伤剥落的重要原因;在横截面金相组织中,过渡区和紊流区出现比射流冲击区更深的形变孪晶层,且紊流区形变孪晶层厚度达140μm;在本实验条件下304不锈钢变形方式为滑移为主,孪生为辅。试样在空化水射流的作用下有两种空蚀破坏机理,即交变载荷下疲劳破坏,以及塑性变形、颈缩和剥落导致的弧坑。     

冲击射流离散频率噪声的特性及机理

为探索冲击射流离散频率噪声的产生机理，系统地研究了冲击射流离散频率噪声的特性。发现对于给定的喷嘴和冲击距离，存在一个压比临界点，当压比高于此临界点值时，流场振荡和离散频率噪声被显著抑制乃至消失。解释了此压比临界值的机理：气流的出口膨胀阻遏了反馈声波对喷嘴唇口的激发，从而抑制了反馈环的形成。研究了射流倾斜冲击平板时反馈环以及相应的离散频率噪声，推测此压比临界点值与冲击距离、射流倾斜角度有关。实验表明：压比临界点值随冲击距离在一定范围内的增加而增高，随喷嘴偏离垂直角度增加而减低。     

氦透平膨胀机相似模化方法分析与实验验证

由于氦透平膨胀机在设计工况下进行低温性能测试的实验平台和配套设施很难满足要求，且低温工况较难达到，因此通常用膨胀机在空气中的实验来检验其性能，并通过相似模化方法得到膨胀机低温下的性能。通过分析工质在透平膨胀机中的流动及能量转化过程，发现特性比U₁/C_S、膨胀比P₁/P₂、马赫数Ma、雷诺数Re是影响膨胀机性能的关键参数。结合相似理论，以透平膨胀机变工况性能预测程序计算结果为依据，筛选出了以U₁/C_S为第一相似准则，以Ma、k^-1·Ma^-2、Ma·k^-1、k·Ma²作为第二相似准则的四组相似准则数。以流体动力学计算结果为依据，从四组相似准则中选择出了模化误差最小的相似准则，即U₁/C_S与Ma·k^-1组合。结果表明：相似模化前后氦气与空气透平膨胀机间等熵效率的最大误差在±1.4%以内，且在内部流场预测(马赫数...     

基于引射器的双温蒸发CO2热泵系统性能分析

采用高效的热泵系统替代常规锅炉是实现“双碳”目标的有效措施。本文提出采用引射器实现双温蒸发的CO₂热泵系统,以实现余热梯级利用和高效制热。通过窄点分析法,建立了基本CO₂系统、CO₂引射器系统、双温蒸发CO₂引射系统的热力学模型,发现双温蒸发系统存在最优排气压力及最大COP。基于最优工况进行分析,结果表明：在热泵热水器名义工况下,双蒸发器系统COP最高达4.84,比基本CO₂热泵系统提高了9.88%。双温蒸发过程可显著降低吸热过程中的换热不可逆损失,双温蒸发系统蒸发器侧的不可逆性能指数为1.51,比基本CO₂和带有引射器的常规CO₂系统降低了24.50%。     

水射流技术在石油工程中的应用及前景展望

论述了水射流技术在我国石油工程中的研究和应用情况。应用实验方法建立了淹没非自由射流压力及水功率衰减计算模型，建立了以井底获得最大水功率，优选水力参数设计的新方法和新模型。应用瞬态流理论及水声学原理建立了两种谐振腔的基本关系式和结构数学模型。建立了在钻井双向应力作用下，岩石裂纹发展方向模型。介绍了研制的3种新型高效钻头，即加长喷嘴牙轮钻头、自振射流钻头和射流及机械联合破岩钻头。展望了水射流技术在超高压射流钻井、稠油及低渗油藏开采、提高采收率等方面的应用前景。     

两相喷射器喷嘴距的优化设计及CFD分析

结合湍流射流发展规律,本文提出一个两相喷射器喷嘴距的设计方法:在给定引射流量下,当射流外边界的半径增长至混合段半径时,射流行进的距离为最优喷嘴距.利用数值模拟对比喷嘴距分别为3、5、7.5、10、15 mm时两相CO2喷射器性能.结果表明:喷嘴距为5 mm时射流发展正好符合上述设计条件,此时喷射器升压性能最优,为0.6...