赫姆霍兹喷嘴自振射流特性的试验研究

为了提高低透气性煤层的采前预抽效果,增加赫姆霍兹喷嘴自振射流冲蚀效率,基于信号分析方法,从射流的流动状态入手研究赫姆霍兹射流的本质特性。采用传感技术直接获取喷嘴腔内流体压力脉动信号,基于频谱分析法研究不同结构的赫姆霍兹喷嘴产生的自振射流的振荡特性。然后采用声传技术检测围压下自振射流打击标靶时的噪声等级,通过声功率谱探讨了自振射流的空化效果。试验结果表明:赫姆霍兹喷嘴上部分结构参数对自振射流的频谱结构和自激共振频率大小起决定作用,而下部分振荡腔结构对自振射流的频谱幅值具有选择性放大功能,但对自振射流的频谱结构几乎无影响;赫姆霍兹喷嘴上部分结构促进了自振射流的空化产生,而下部分振荡腔增强了自振射流的空化效果。射流的幅频特性和声功率谱研究可为自振射流喷嘴的设计提供新途径。     

风琴管喷嘴和赫姆霍兹喷嘴射流特性分析

风琴管喷嘴与赫姆霍兹喷嘴是2种典型的自振射流喷嘴,其结构上的差异决定了射流特性的不同。基于水声学和流体网络理论,分析了2种喷嘴的结构特点及其产生的自振射流机理。为了研究2种自振喷嘴的射流特性,采用直接提取喷嘴腔内压力脉动信号的方法,通过信号分析研究自振射流的频率特性;同时,将打击试验与噪声分析方法相结合,分析了不同喷嘴射流的空化特性。试验结果表明,相对于普通喷嘴,风琴管喷嘴与赫姆霍兹喷嘴均能产生高频压力振荡并促进空化的产生,而赫姆霍兹喷嘴共振腔对射流自振幅值有放大作用且空化效果更为明显。     

脉冲来流下自激振荡喷嘴仿真研究

保证自激振荡喷嘴结构参数不变,利用FLUENT软件对脉冲来流喷嘴的振荡特性仿真分析。通过设定不同来流频率和来流速度,分析了腔内压力和速度变化趋势。仿真结果表明,脉冲来流会显著提高射流振荡效果,且当来流频率接近喷嘴装置固有频率时,出口压力峰值最大可提高3.2倍;来流速度与喷嘴结构存在一个最优匹配关系,使射流出口压力峰值达到最大。仿真结果与基于涡旋理论的自激振荡发生机理结论相符,对自激振荡喷嘴优化设计具有一定的指导意义。     

基于重整化群RNG k-ε湍流模型的自激振荡脉冲射流元件结构分析

高压水射流是钻井提速的基本技术手段。自激振荡脉冲射流是一种特殊的高压水射流,因其实现元件结构简单、全金属性及充分利用钻井液能量等优点,为深井、超深井钻井提速提供理论依据。基于重整化群RNG k-ε湍流模型,对自激振荡脉冲射流元件的结构参数与射流特性进行数值分析,并通过室内正交实验验证数值分析结果。表明:RNG k-ε湍流模型能够很好地描述射流元件的振荡特性;单一参数分析,当上下啧嘴直径、腔长腔径比和喷嘴锥角比分别为0.75°、0.8°、120°时,自激振荡脉冲射流性能最好;正交参数组合实验各参数对振荡特性影响规律与数值分析一致,最优的参数组合为上下喷嘴直径比为0.75、腔长腔径比0.8、喷嘴锥角为130°。     

自振脉冲喷嘴中异形结构对射流振荡频率的影响

为了提高射流的利用率,通过改变下喷嘴出口形状来增强脉冲射流打击力。基于流体力学和水声学理论,推导出自振脉冲射流振荡频率模型,并采用压力传感器测量喷嘴振荡腔内压力,对自振脉冲喷嘴进行非淹没工况试验研究,对比分析了同等当量面积的圆形和方形喷嘴振荡频率与腔内压力峰值的变化规律。结果表明,两种喷嘴的振荡频率均随腔长增大而减小,随泵压上升而升高;腔内射流压力峰值随腔长的增大呈现先减小后增大的趋势,并且存在一个最佳腔长(约为4.5 mm)。此外,方形喷嘴腔内的射流压力峰值比圆形喷嘴提高约20%。     

煤层振荡脉冲流场数值模拟研究

振荡脉冲流具有强大的破坏力,可将其应用于低渗透煤层强化水力增透效果。理论分析表明流体初始扰动频率f与腔体内自激振荡脉冲频率相同,如果腔体内自激振荡脉冲频率与腔室固定频率成倍数关系,则喷嘴与射流将发生共振现象,从而使得振荡脉冲效果最优。数值模拟分析了脉冲腔内的不同工况条件下的水压分布规律,同时得出振荡器腔体内会形成关于水射流中轴线对称的巨大的空化气囊,振荡器产生的这种断续涡环流结构会使得射流效果远远高于普通射流。     

自激振动空化喷嘴的仿真研究

用Fluent 6.0,Gambit 2.0,Tecplot 9.0等流体计算与图形分析软件对风琴管自激振动空化喷嘴喷射过程进行了仿真研究。通过建模与计算,得到了不同尺寸组合风琴管自激振动空化喷嘴内部的速度、压力分布图,分析了设计计算的风琴管自激振动空化喷嘴均可产生空化射流,验证了理论计算公式,并研究了喷嘴结构参数对喷嘴产生自激振动空化效果的影响规律,为自激振动空化喷嘴的优化设计提供了方法。     

基于FLUENT脉冲射流喷嘴流道内轮廓的研究

以自激振荡式脉冲水射流喷嘴为研究对象,应用FLUENT软件分别对具有锥形、三次曲线和双圆弧内轮廓的上喷嘴进行了仿真研究,分析了上喷嘴流道内轮廓形状对脉冲射流特性的影响规律。仿真结果表明,自激脉冲喷嘴上喷嘴的流道内轮廓形状对脉冲射流有很大的影响,当压力较低时,上喷嘴为锥形流道的脉冲喷嘴特性比三次曲线和双圆弧流道好;当压力较高时,上喷嘴为三次曲线流道的脉冲喷嘴特性比双圆弧和锥形好。研究结果还表明,脉冲射流的出口速度与泵压成正比。     

中心体空化喷嘴全尺寸结构优化研究

为提高油罐清洗除锈效率和安全性,拓展空化水射流技术的应用场合,设计了一种用锥形喷嘴与90°锥形柱体镶嵌而成的新型中心体空化喷嘴。通过Fluent软件,采用无量纲量,针对不同喷嘴出口段圆柱长度、外喷嘴直径、中心体直径以及内嵌深度参数组合的多种工况进行数值模拟,重点对射流流场的压力分布和气含率分布进行了对比分析,研究表明:所设计的喷嘴射流绕流能够有效产生空化,空化区域主要存在于90°锥形柱体末端附近;含90°锥形柱体中心体空化喷嘴结构的四大参数(L、D、d、l)必须相互配合,在l/d=1附近、L/D=1.5~2.5、D/l=2~2.5能够产生较好的空化效果。     

自激振荡脉冲射流装置的固有频率特性

运用流体网络理论建立了自激振荡脉冲射流装置的相似网络模型,数值计算分析了系统频率特性。计算表明,该喷嘴装置具有压力谐振特性和低通滤波特性,其固有频率主要由喷嘴的形状、结构参数和波速决定,流体压力和振荡腔长对系统的频率性影响很大,存在产生最大谐振峰值的最佳腔长范围,计算结果与实验吻合,另外还提出了喷嘴的设计准则。     

非淹没射流条件下自激振荡脉冲射流喷嘴试验研究

自激振荡脉冲射流是一种利用流体动力学、水力学、流体共振和液体弹性的原理而发展起来的一种新型高效脉冲射流。它不需要激振源,无运动件的密封,而是依靠喷嘴的自身结构特性（自激振荡腔室和特殊的边界条件）,使通过喷嘴的射流变为自激振荡脉冲射流。应用该理论研制出石油钻井用自激振荡脉冲射流喷嘴,在不需要任何辅助装置的条件下,直接放在现行钻头的水眼内,大大提高了钻井速度。中原、四川、大庆、塔里木等8个油田试验的统计资料表明,在相同条件下脉冲喷嘴钻头与普通喷嘴钻头相比,机械钻速可提高33．5％～70％,单只钻头进尺提高6．7％～44．1％。采用自激振荡脉冲射流喷嘴钻头是提高机械钻速的有效方法之一。     

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。     

自激振荡频率对磨料在脉冲磨料射流中分布的影响

研究了在脉冲磨料射流中自激振荡频率对磨料在射流中分布的影响。通过改变振荡腔长度来调节脉冲磨料射流的自激振荡频率,研究了在不同自激振荡频率下磨料在射流中的分布情况。通过分析实验结果得出,磨粒向射流中心的聚集效果一开始时随着腔长的增大而变好,当出现最佳效果后又随着腔长的增加而变差。总之,在磨料射流中,通过自激振荡激励使磨料粒子向射流中心聚集,存在一个最佳激励频率范围(150～300Hz)。     

自振脉冲射流预制裂隙对机械刀具破岩过程温度影响特性

针对硬岩巷道掘进过程中机械刀具磨损加剧问题,利用高压水射流破岩系统以及机械刀具截割破岩试验系统,建立评价自激振荡脉冲射流预制裂隙情况下机械刀具破岩性能参数指标,研究了不同自激振荡喷嘴结构参数(振荡腔腔长、截面锥角)以及工作参数(系统压力、横移速度)对机械刀具降载减磨特性的影响规律,分析了自激振荡脉冲射流预制裂缝对机械刀具破岩过程中截割载荷与刀具温度的影响特性,试验结果表明,截割载荷与刀具温度均随射流系统压力的增加而降低,随振荡腔腔长与截面锥角的增加呈先升后降的变化趋势,随横移速度的增大而逐渐增大。相对于无预制裂隙情况下的截割载荷,当系统压力处于30,40,50以及60 MPa时,机械刀具截割载荷减小率分别为15.12%,20.84%,27.01%以及29.24%。当截面锥角分别为90°,120°,140°,160°及180°时,截割载荷受力变化率分别降低了22.87%,27.27%,31.13%,33.82%及29.78%。对于横移速度分别为4,6,8,9及10 m/min的截割载荷变化率分别降低了43.6%,35.3%,32.9%,31.1%及30.7%。当射流系统压力、振荡腔腔长、...     

基于SIMULINK的聚能喷嘴动态特性仿真研究

以脉冲水炮用聚能喷嘴为研究对象,建立其发射特性的数学模型;应用MATLAB中的动态仿真工具软件包SIMULINK,对射流的出口速度与喷嘴内的静压力进行仿真研究。结果表明,对于指数型聚能喷嘴而言,随着喷嘴出口截面变化率的增加,脉冲射流速度亦明显增大;当喷嘴出口截面变化率为定值时,随着喷嘴长度增加,脉冲射流的速度快速增大,而脉冲的长度会大大减小。另外,在喷嘴内水柱的压力沿喷嘴出口方向显著增大,且喷嘴断面收缩越快或喷嘴越短,喷嘴内的压力上升就越快。因此,从减小喷嘴内压力,提高喷嘴强度角度出发,采用收缩较缓慢的长喷嘴为最佳。     

基于均匀设计的喷嘴结构参数研究

目前高压水射流清洗最常用的是圆锥形喷嘴,为了研究喷嘴各参数及其交互作用对喷嘴内射流流场的影响规律,采用均匀设计方法设计不同参数喷嘴内部流场仿真方案,仿真中重点考虑射流的空化效应,并对结果进行二次多项式回归分析,得出影响射流空化率的显著性依次为收缩角、收缩角和长径比的交互效应及长径比,进一步分析可知当α=20°和cp=3时,喷嘴内部空化率最低,流场较稳定,为合理选择喷嘴参数提供了参考。     

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。     

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。     

煤矿井下钻孔破碎带水力复合扩孔试验研究

为解决煤系地层常见的复杂岩层破碎带钻进塌孔而导致成孔难的问题,采用破碎带水力复合扩孔技术冲出破碎带碎渣以降低沉渣卡钻风险。水力复合扩孔技术是基于水射流扩孔与导向机械扩孔相结合的原理,开展水射流扩孔钻具研制,通过喷嘴射流冲蚀效果地面试验指导水射流扩孔钻具射流短节喷嘴结构设计。试验表明:喷嘴直径对喷嘴射流量的影响远大于射流压力对喷嘴射流量的影响;普通喷嘴和空化喷嘴射流冲蚀对煤样的破坏形态呈椭圆形且长短轴之比保持不变;空化射流的冲蚀深度是普通射流的2倍以上。水射流扩孔钻具射流短节优选3×?2.8 mm的空化喷嘴结构,其机械扩孔短节采用?89/120 mm导向扩孔钻头,形成了破碎带水力复合扩孔技术,应用于淮北某矿风抽联络巷A2顶板定向钻孔175～195 m破碎带扩孔,将孔径由98 mm扩至173 mm,降低了沉渣卡钻风险,保障了钻孔施工至深420 m。     

超声波雾化喷嘴共振腔对雾化特征的影响研究

针对流体动力式超声波雾化喷嘴空间分布不均、噪声大的问题,采用数值模拟结合实验的方法,对喷嘴共振腔对雾化特征的影响进行了研究,计算获得共振腔的振荡特性,拍摄到了雾化近场特征,并测量了液滴的平均粒径及喷嘴噪声声压级。研究结果表明：对于目标喷嘴,吞吐模式与非吞吐模式下共振腔的压力振荡频率分别由喷嘴压力比和几何结构决定;吞吐模式下,共振腔深度增大导致压力振荡频率降低,容易导致喷嘴产生过大噪声,而过小的深度会导致腔口膨胀气流流速过低;共振腔内径对振荡频率影响较小,但内径过大会导致液滴空间分布不均及压力振幅下降;喷口到腔口的间隔距离影响声压级大小,喷嘴索特平均直径与声压级大小成反比。