异形中心体诱发空化射流的数值模拟研究

为了产生更好的空化效果,探索空化射流应用于油罐清洗除锈的新方式,提高清洗除锈的效率和安全性。提出了将异形中心体与锥形喷嘴组合产生空化射流的思路,采Mixture多相流模型,在12 MPa的射流压力下,对含平头柱体、90°锥形柱体和半球柱体3种中心体喷嘴产生的射流流场进行数值模拟,重点对流场压力分布、轴向速度分布和空化体积进行了对比分析。研究表明:含半球柱体喷嘴比另两种异形中心体喷嘴产生更高的射流速度,且存在较大的核心区;含半球柱体喷嘴和含90°锥形柱体喷嘴比含平头柱体产生的空化区域更大,稳定性更好;含90°锥形柱体喷嘴射流产生空化泡扩散距离最长,空化体积最大。     

基于CFD的自激振动空化射流喷嘴结构参数 影响研究

随着海洋结构物水下清洗技术的发展,具有高效、安全、节能、环保等特点的新型空化射流清洗技术也开始新兴于水下清洗作业当中。自激振动空化射流则结合了空化射流和脉冲射流的特点,可以达到更好的空化效果,从而实现快速清洗、切割等功能。本文以传统赫姆霍兹喷嘴为研究对象,结合相关文献,在喷嘴出口处添加可以增强空化效果的扩张管结构,同时,分别以喷嘴谐振腔高度、谐振腔宽度、扩张管角度和泵额定压力为研究变量,通过计算流体动力学软件(CFD)对新型赫姆霍兹喷嘴展开数值仿真,结合仿真结果,分析不同变量对于空化射流效果的影响。本文研究成果既可以为作者今后的实验研究做好理论基础,同时,也可以为赫姆霍兹喷嘴的优化设计提供一些参考。     

出口形状对中心体喷嘴射流性能的影响

提出将中心体喷嘴与异形喷嘴组合以产生更好的空化射流效果的思路。采用Mixture多相流模型,在15MPa的射流压力下,对正方形出口、三角形出口和圆形出口3种中心体喷嘴产生的淹没射流流场进行数值计算,重点对轴向速度、径向速度、湍动能和空泡相体积份额进行了对比分析。研究表明:圆形出口的中心体喷嘴比另两种异形出口的中心体喷嘴产生更高的射流速度和湍动能;正方形出口比三角形出口的中心体喷嘴的射流稳定性能更强,圆形出口的中心体喷嘴产生的集束性能较强;异形出口的中心体喷嘴产生的流场中,空泡相延伸距离更长,异形出口的中心体喷嘴产生的空化射流效果更好。     

以油洗油的清罐设备与技术研究

基于原油储罐清洗与回收技术,介绍了清罐设备成套技术和关键点,其中包括:以油洗油的工艺路线、清罐成套设备的技术特点、空化射流喷嘴的设计与试验研究和三维旋转喷枪油射流打击力的有效利用等。通过对喷嘴中置入喷嘴芯形成的空化射流试验证实:将传统管风琴式喷嘴的射流射程提高了20%以上,仅此一点,极大地提高了罐底油泥的破碎效率。     

自激振动空化射流振动分析试验

从提高喷射喷嘴的设计效率和射流冲蚀与清洗效率角度出发,在理论分析自激振动空化喷嘴工作原理的基础上,设计不同尺寸组合的风琴管自激振动空化喷嘴,测量风琴管自激振动空化喷嘴喷射时喷嘴及射靶的振动,通过对振动信号的比较分析,研究自激振动空化射流振动特性及频率特性。结果表明,自激振动空化喷嘴振动频域图中的高频成分是谐振腔内空化泡破裂撞击导致的高频振动,自激振动空化喷嘴振动频域图中存在调制频率,即喷嘴谐振腔内自激振动的谐振频率。实测值与理论计算值相符。给出风琴管自激振动空化喷嘴的主要结构参数喷嘴直径、谐振腔长对喷嘴产生自激振动空化效果的影响规律,得出给定试验系统中自激振动空化喷嘴的最佳结构参数。振动分析试验研究与仿真研究结果一致,为自激振动空化喷嘴的优化设计提供了有效方法。     

不同结构类型喷嘴对冰粒射流清洗效果的影响

喷嘴是冰粒射流清洗系统的重要部件,其结构类型对清洗效果有重要影响。在分析了冰粒射流清洗系统工作原理的基础上,对直线型、收缩型和文丘里型3种喷嘴进行了结构设计。利用计算流体动力学分析软件Fluent,对3种喷嘴内部水流速度场与射入大气环境中的自由射流流场进行了仿真;同时对离散相固态冰颗粒的运动速度与轨迹进行了分析,对比了3种喷嘴的喷射特点。搭建实验平台,分别使用3种喷嘴进行了清洗实验。研究结果表明,3种喷嘴用于冰粒射流清洗的效果明显好于纯水射流清洗,其中收缩型喷嘴的清洗率最高。     

前混合磨料水射流喷嘴应用研究

主要探讨了前混合磨料水射流设备中,喷嘴在清洗、切割及钻孔、扩孔三种作业中的应用.在不同作业中使用的喷嘴种类各不相同,着重对几种常见喷嘴的应用作了系统介绍.为对喷嘴的优化选型提高射流作用的效果提供参敷.     

自激振动空化射流打击力实验

设计了不同尺寸组合的风琴管自激振动空化喷嘴,测量了风琴管自激振动空化喷嘴喷射时射流对射靶打击力,通过对射流打击力的比较分析,研究了自激振动空化射流的力学特性,发现了自激振动空化射流对射靶打击力频域图中存在与自激振动空化喷嘴振动频域图中相应的调制频率,即自激振动空化喷嘴谐振腔内自激振动的谐振频率,实测值与理论计算值相符,并研究了风琴管自激振动空化喷嘴结构参数对喷嘴产生自激振动空化效果的影响规律,得出喷嘴的最佳结构参数,为自激振动空化喷嘴的优化设计提供了参考。     

结合水下注气系统的高压水射流清洗技术的研究

为了有效扩大水下高压水射流清洗喷嘴的有效靶距,提出了一种结合水下注气系统的高压水射流清洗技术;设计了一套结合水下注气系统的高压水射流水下模拟实验装置,该装置通过水面高度控制和压力控制有效抑制了大流量水射流实验工况下的内部压力波动;计算并分析了在水深为10m的水下清洗过程中,喷嘴外环流内的气液比对射流流场的影响。分析结果表明,增大喷嘴外环流中的气液比,可以有效地增大射流的喷射速度,研究结果为水下清洗实际作业提供了理论依据。     

双腔室自振脉冲喷嘴空化射流数值模拟

以风琴管喷嘴为基础,串联一个谐振腔形成双腔室自激振荡脉冲喷嘴,利用Fluent对其流场进行数值模拟,分析射流靶距、二级谐振腔腔长比、腔径比的变化对空化射流流场的影响。结果表明：谐振腔尺寸过大或过小均会影响涡环结构的形成,进而影响空化效果。当谐振腔腔长比为0.77、腔径比为2.6时,谐振腔内涡环结构对称性好,轴向含气率高,射流速度较高,该结构利于清洗效率的提高。靶面滞止压力可对空化效果产生影响。当射流靶距较小时,在滞止压力的作用下二级谐振腔无涡环结构产生,轴向含气率较低。当靶距增加到18 mm时滞止压力产生的影响减小,轴向含气率明显提高,因此清洗靶距应至少为18 mm。但靶距的增加会降低射流到达靶面的动能,因此最佳靶距应取18 mm。     

风琴管喷嘴内表面粗糙度对高压射流特性的影响试验研究

风琴管自振空化喷嘴因兼具空化射流与脉冲射流的优点而被广泛使用。为探究大雷诺数下风琴管喷嘴内表面粗糙度对高压射流特性的影响,从而提高喷嘴作业效率。在理论分析紊流特性与表面粗糙度关系的基础上,通过试验探究了风琴管喷嘴内表面粗糙度对射流轴心压力脉动与扩散角的影响规律。试验结果表明,入口压力越大,粗糙度对射流的扩散角、轴心压力脉动峰值、压力脉动幅度的影响程度越大;对某一入口压力,存在一对应起始粗糙度值使得扩散角快速增大,轴心压力脉动峰值与压力脉动幅值急剧衰减;且入口压力一定时,存在一临界粗糙度值,粗糙度小于此值时,轴心压力脉动峰值与压力脉动幅值随靶距增大而先增大后减小;粗糙度大于此值时,轴心压力脉动峰值与压力脉动幅值随靶距增大而减小。根据试验数据,运用能量守恒定理,建立了射流轴心压力脉动峰值随表面粗糙度、入口压力、靶距变化关系的初步数学模型。     

围压下自振喷嘴空化起始能力试验及应用研究

开展喷嘴空化起始能力研究,对增大射流破岩效果,提高深井钻井的速度具有非常重要意义。利用瞬态流和水声学原理设计研制了自振空化喷嘴,通过试验研究了该喷嘴的空化起始能力,并与锥形喷嘴进行了比较,结果表明在更深的井底或更高的围压条件下,自振空化喷嘴比普通锥形喷嘴具有更大的起始空化数和更强的空化起始能力,最大起始空化数达1.67,而锥形喷嘴最大值仅为0.54。现场试验也证实了自振空化喷嘴钻头在增加进尺、提高机械钻速方面有更显著作用。     

深海自激振荡喷嘴装置结构优化

深海采样装置的表面附着物问题严重影响设备正常工作,为解决此问题设计了深海自激振荡喷嘴装置。利用CFD仿真软件Fluent对喷嘴结构进行优化,分析喷嘴内部流场,对射流冲击壁面进行仿真,模拟出冲洗效果最好的结构,为后期水射流清洗实验提供理论依据。     

低压空化射流喷嘴进气结构研究

低压空化喷嘴利用空化特性能提高射流清洗效果。该文利用Fluent工具研究了低压空化射流喷嘴的进气结构特性,通过增设空气通道,并根据不同的进气角度进行模拟仿真,比较了不同情况下喷嘴的冲洗能力。仿真结果表明,进气角度为45°,进气直径为1 mm的三通道喷嘴具有较好的冲洗能力,并且射程较远。计算结果为空化喷嘴的优化设计提供了有益的参考。     

花瓣形喷嘴的射流流动与卷吸特性研究

针对离心式风机射流核心流过短、易扩散的问题,设计了一种花瓣形喷嘴,通过与传统的方形喷嘴对比,采用模拟结合实验的方法研究了不同喷嘴出口面积和形状对射流流场的影响规律。结果表明:对于一定出口形状的喷嘴,出口面积越小,喷嘴射流特性越好;对于一定出口面积的喷嘴,花瓣形喷嘴射流特性优于传统的方形喷嘴,而花瓣形喷嘴中三瓣形喷嘴射流特性最好,在喷嘴进口速度为6 m/s时,三瓣形喷嘴轴线平均速度比方形喷嘴提高了10.4%。     

基于自激振荡脉冲效应的雾化喷嘴出口流道空化特性研究

喷嘴结构及射流运动参数对液体空化流动状态有重要影响。基于空化泡溃灭的雾化机理和自激振荡脉冲喷嘴出口流道空化过程,分析空化效应对自激振荡脉冲射流雾化效果的影响。依据自激振荡脉冲雾化喷嘴结构,分析射流来流速度和脉动压力对喷嘴出口流道空化效应的影响,提出利用来流雷诺数和脉动特征值表征喷嘴出口流道空化程度,并根据自激振荡脉冲喷嘴有限元分析得到喷嘴出口流道较好空化状态的来流雷诺数和喷嘴腔室长径比。研究结果表明:当来流雷诺数在2.14×10~5~3.05×10~5内逐渐增大时,自激振荡脉冲雾化喷嘴出口流道液相体积分数先减小后增大,相应的空化程度先增大后减小。雷诺数在2.44×10~5~2.75×10~5内可以使喷嘴出口流道形成较好空化效应,尤其在2.44×10~5附近时喷嘴出口流道出现最好的空化状态;脉动特征值与喷嘴出口流道处脉动压力幅值差成正比,随着自激振荡脉冲雾化喷嘴腔室长径比增大,脉动压力幅值差值先减小后增大。当喷嘴腔室长径比为0.60~0.70时,喷嘴出口流道空化状态较好。计算结果为自激振荡脉冲射流雾化喷嘴设计提供了理论依据。     

自激振荡脉冲雾化喷嘴的空化特性研究

基于自激振荡脉冲喷嘴结构及其射流空化特性,建立了射流雾化过程中的液滴高密度区域和低密度区域破碎模型,分析了空化特性对自激振荡射流液滴破碎的影响,得到了影响自激振荡脉冲喷嘴空化特性的主要因素。研究结果表明:自激振荡脉冲射流呈周期性变化的空化特性使喷嘴出口形成超空化,出口处射流低密度区域形成一次雾化,而高密度区域则以液滴二次雾化形式破碎,增强喷嘴空化强度有利于射流雾化;自激振荡脉冲射流系统频率、喷嘴出口锥角以及射流进口压力都影响喷嘴的空化效果。     

基于空化射流的深水网箱清洗机器人设计应用

针对在网箱清洗过程中网箱清洗设备存在清洗效率较低,自动化水平不高,清洗效果差等问题,根据网箱自身的结构特点和网箱网衣附着物清洗的问题,提出基于空化射流的深水网箱清洗机器人的设计方案,并介绍两种行之有效的机器人设计方案,通过综合分析对比各方案的优缺点,最终选择功能模块集成化、高效率、节能经济型,同时清洗网衣的效果良好的基于空化射流的深水网箱清洗机器人设计方案,为更好的解决网箱网衣清洗问题提供借鉴.     

空化水喷丸工艺中空化行为的数值模拟与验证

空化水喷丸工艺是用于金属材料表面改性的一项新技术,该工艺中的空化行为涉及高速、高压、相变、湍流、非定常特性等复杂多变情况,对该工艺中的空化行为及冲击压力场分布规律的探索一直是该领域的重点和难点。利用FLUNET6.3流体计算软件对淹没式空化射流中喷嘴内外的流场特性进行模拟分析,获得流场内的速度、静压和汽含率分布规律,同时使用Fujifilm压敏纸对空化水喷丸工艺中沿空化射流方向上的冲击压力场的分布规律进行试验测定。研究结果表明空化水喷丸工艺中的淹没式空化射流在缩放型喷嘴内外形成剧烈的空化现象,空泡群溃灭瞬间产生的冲击波压力高达300 MPa以上。     

收缩喷嘴内部流道型线对射流流场的影响

为研究收缩喷嘴内部流道形成对射流流场的气体动特性参数的影响，根据可压缩流体轴对称N-S方程，采用非结构网格和二阶精度的有限体积法，对不同内部流道形线的喷嘴自由射流进行数值模拟。亚声速射流采用RNGk-ε湍流模型，超声速射流采用S-A湍流模型，计算结果与实验较吻合。在亚声速流动中，收缩喷嘴的收缩角大小会影响其对射流的阻滞效果，内部流道形线设计为维多辛斯基曲线可以获得更好的流场动特性参数，有利于提高喷嘴的工作效率。在超声速流动中，喷嘴流道型线对出口膨胀波的角度与强弱影响较大，要根据射流的有效作用区域选择合适的喷嘴，才能使能量的损失最小。若要获得较佳的外部流场参数，优化喷嘴内部流道设计十分重要。