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。     

两段式喷嘴淹没空化射流流场数值模拟

为了研究两段式喷嘴结构对空化射流效果的影响,建立了两段式喷嘴的数学模型与物理模型,对两段式喷嘴进行了模拟。以蒸汽气相体积分数为判断空化效果的主要依据,分析了第一喉部直径、第二喉部直径和连接处直径对两段式喷嘴空化性能的影响,并与角形喷嘴进行对比研究。结果表明：两段式喷嘴的结构参数对空化效果产生显著的影响。空化程度随着第一喉部直径的增加先增强后减弱;第二喉部直径取值越小,空化程度越高,空化程度随着第二喉部直径的增加先增加后减小;随着连接处直径的增大,空化效果逐渐增强。但当连接处的直径大于4 mm时,连接处直径取值对空化效果几乎没有影响;当两段式喷嘴的第一喉部直径为1.5 mm,第二喉部直径为1.0 mm,连接处直径为4 mm时,具有良好的空化效果。     

自激振荡脉冲射流喷嘴的修正空化模型

根据自激振荡脉冲射流喷嘴中的空化发生机理,一种考虑剪切力(包括雷诺剪切力和粘性剪切力)和由湍动能产生的压力脉动对空化影响的修正空化模型被提出来提高喷嘴内流场的模拟精度。修正空化模型通过用户自定义函数UDF挂入到Fluent中定义空化压力属性。采用该修正空化模型模拟计算所得到的不同入口压力和腔径条件下的喷嘴出口压力峰值与以往的实验结果吻合得很好,验证了该修正空化模型的正确性。进一步对剪切力和由湍动能产生的压力脉动对空化的影响进行了分析,并且研究了不同入口压力条件下这两个因素对空化发生的影响的强弱程度以及空化初生的能力。     

双腔室自振脉冲喷嘴数值分析与实验研究

基于水声学原理和瞬变流理论,并结合标准的κ-ε模型,以双腔室自振脉冲喷嘴为研究对象,通过改变第二级腔室结构,应用FLUENT软件对该喷嘴进行内外流场数值模拟,得到了打击力最强的腔室结构,并将其与单腔室自振脉冲喷嘴打击力进行对比。研究结果表明,存在最佳腔长、腔径和下游碰撞壁形状时该喷嘴打击力最大且双腔室自振脉冲喷嘴打击力较单腔室大13.2%。构建实验装置进行冲蚀实验,通过分析不同结构的喷嘴对岩石的冲蚀规律以及统计冲蚀体积和深度。结果表明,冲蚀实验的喷嘴最佳结构与数值模拟相一致,与单腔的Helmholtz自激振荡喷嘴相比冲蚀体积和冲蚀深度提高了14.5%和12.6%。     

自激振荡脉冲喷嘴空化效应及其射流形态的数值分析

基于自激振荡脉冲喷嘴空化效应和多相流模型,建立了自激振荡脉冲射流空化模型。依据自激振荡腔室结构及其几何参数建立了腔室轴对称物理模型,计算得到了振荡周期100ms内自激振荡脉冲射流的空化泡破碎、腔室内两相分布、湍动能分布和速度分布等结果。研究表明：在1.02~2.37ms时,空化泡半径减小,气泡开始径向运动形成泡面加速射流;在2.69~4.67ms时,空化泡面压力达到极限破碎值时气泡开始破碎;在自激振荡周期前25ms,主射流与空气接触边界面形成较强湍动能,自激振荡腔室中心漩涡区逐渐变大,外流场连续射流被割断成多股状射流,射流在喷射轴线附近速度达到并稳定在30~40m/s;在振荡周期的40~90ms,腔室内中心空化气囊形成并开始阻挡主射流运动,喷嘴出口流道出现大面积空化区域,湍动能最大区域集中在下喷嘴出口下游;在振荡后期,随着主射流与空气相互作用及射流贯穿距离增加,主射流速度逐渐趋于稳定且扩散作用减弱。     

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。     

自激振荡脉冲水射流喷嘴数值模拟及实验研究

自激振荡腔室是产生自激振荡脉冲射流的重要条件.为研究自激振荡腔长度对喷嘴输出射流特性的影响,采用标准k-ε方程模型,基于ANSYS建立喷嘴物理模型,分析不同腔长下流体结构特征并将其与实验结果比较.结果表明存在一最佳振荡腔长度6.9mm,使得振荡腔内平均压力及流体轴线速度达到最大;此外,当振荡腔长度小于16mm时,对应腔内压力呈负压状态.通过对腔内压力的实验数据采集及分析,验证了数值模拟结果的合理性与有效性.     

不同形状喷嘴的空化性能数值模拟研究

空化效应可在石油钻井中提高钻头钻速,为了获得不同形状喷嘴的空化性能,利使用FLUENT软件对常规型、扁平型、Y型、十字型、星型这5种形式喷嘴的空化效应进行了数值模拟仿真。研究结果表明:扁平型喷嘴经空化作用后气相具有较大的体积,星型喷嘴经空化作用后气相体积较小;喷嘴轴线上速度分布与喷嘴出口处的面积有关,面积越小轴线上的速度分布越大,但分布越不平稳;十字型喷嘴与常规型喷嘴的空化性能差异主要是由于常规型喷嘴内的湍动能强度较大造成的。喷嘴出口处的水力直径与空化作用后的气相分布具有较高的相关性。     

发动机喷嘴内部空化初生的数值模拟研究

采用全空化模型研究了具有不同物性（黏性、饱和蒸汽压和表面张力）的流体在不同几何形状（入口圆角半径和长径比）喷嘴中的空化现象,用临界空化压力和临界空化数对不同条件下空化的初生进行了分析与表征。结果表明：流体的黏性越大,饱和蒸汽压越小,空化初生的临界压力就越大,而表面张力对临界空化压力没有影响;在入口圆角半径较大和喷嘴长径比较大的喷嘴中,临界空化压力较大,在流体黏性和喷嘴几何形状相同的情况下,虽然临界空化压力会随着流体饱和蒸汽压的变化而变化,但临界空化数基本保持不变;由于喷嘴几何形状的改变造成了流体方向的变化和流体与孔壁之间摩擦损耗的变化,而流体物性的变化影响了流体内部的连续性,因此,喷嘴几何形状和流体物性是影响临界空化压力和临界空化数变化的关键因素。     

自激振荡脉冲射流喷嘴的试验研究

主要对实验室实验(振荡腔内流体压力的测定;非淹没射流条件下的实验分析;在淹没和非淹没条件下自激振荡脉冲射流的冲蚀效果;碰撞壁碰撞区域的磨损对自激振荡脉冲射流的影响等)及工业现场实验的主要结果作系统介绍。     

自激振荡腔空化特性的数值仿真及试验研究

针对空化效应的剧烈程度，采用亥姆霍兹自振腔喷嘴结构，通过引入3项无量纲结构参数比值，探究了一种恒空化强度下自激振荡腔空化器的结构设计方法。基于Fluent对自激振荡腔进行空化数值仿真研究，重点考察3项无量纲结构参数比值对空化的影响，最后通过试验进行验证，并与多孔孔板空化器进行对比。结果表明：自激振荡腔内明显发生剧烈空化，且在入口压力为1 MPa时，结构参数配比为d2/d1=2，D/d2=5~6，D/L=2，空化效果较好。试验结果与仿真结果较为吻合，且在同一等效通流直径下，该自激振荡空化器比多孔孔板空化器的空化效果好，该研究对自激振荡空化器结构的设计与优化提供一定的借鉴。     

磨料水射流喷嘴内流场的数值模拟

该文以后混合磨料水射流水喷嘴为研究对象,基于两相流动的欧拉-拉格朗日和高雷诺数的标准双方程湍流模型,应用FLUENT软件对磨料水喷嘴内部两相流进行仿真,研究了固液两相流在磨料水喷嘴中的流体动态、磨料粒子的速度。通过对磨料水喷嘴磨损和液固混合相流域的权衡和模拟结果分析,得到磨料水喷嘴的锥形收敛角为30°、柱形内孔直径为0.76 mm、聚焦管总长为73 mm时具有较好的切割性能。通过分析不同长度、直径、锥形入口角的磨料水喷嘴,优化了磨料水喷嘴的结构参数。     

自激振荡脉冲磨料水射流的研究

对自激振荡脉冲磨料水射流进行了大量的理论和实验研究 ,并与前混合磨料水射流进行了对比实验。结果表明 ,自激振荡脉冲磨料水射流具有很好的发展和应用前景。     

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。     

基于FLUENT的非淹没式纯水射流喷嘴内部流场仿真

采用FLUENT对水喷嘴内部流场,混合室和混合管内部流场,以及收敛角对流场的影响进行了仿真和实验验证。结果表明,水喷嘴内部流场可以较好地预测水射流速度,在混合室内部空气与水界面处有一系列的漩涡,在锥段末端处充满了低速度的水,收敛角为45°时锥段处的水速度明显增加。     

多孔式射流钻头流场数值模拟研究

多孔式射流钻头是应用于径向水平井技术的一种新型射流钻头。本文建立了多孔式射流钻头流场计算模型,采用RNGk-ε湍流模型进行数值计算,分析了射流钻头内外不同区域的流场分布情况和局部流动特性。模拟计算结果表明:多孔式射流钻头有效扩大了井底冲击区,有利于扩大成孔直径;反向射流冲刷井壁,可以进一步扩大孔径,其反推力平衡了正向射流的反推力,有利于轨迹控制;反向射流的附壁作用,增大了喷嘴局部阻力系数。射流钻头入口及环空的压力和流量的数值模拟结果与试验测试结果一致。