基于FLUENT的淹没环境高压水射流数值模拟

海底管道配重混凝土的去除工作是大多数水下管道维抢修的前提,高压水射流应用于海底管道配重混凝土的去除工作相比于机械方法优势明显。将高压水射流应用于海底需要探究淹没环境对射流效果的影响,通过FLUENT数值分析,分别研究了喷嘴直径、环境压力、射流压力对淹没射流动压的影响,得到了一些对工程有重要指导意义的结论,结论指出:淹没环境对高压水射流的效果削弱很大;环境压力对射流影响相对较小;喷嘴直径和射流压力对射流效果影响明显。最后通过淹没环境高压水射流破碎混凝土实验应用和验证了仿真所得结论。     

基于FLUENT的甘草清洗设备的喷嘴研究

针对甘草清洗过程中存在的易缠绕、有效成分易流失、效率低下等问题,提出采用高压水射流双面喷嘴清洗方案,利用计算流体动力学(CFD)的方法对水射流喷嘴外流场数值模拟,分析了不同条件下流场速度变化。射流仿真表明:在两喷嘴相距250mm时的外流场条件下,入口速度每增大10m/s,等速核区速度增大75m/s,射流发展越充分,交汇区冲击力越大,甘草表面污物的清洗效果就越好,清洗效率也就越高。     

接触网绝缘子带电水冲洗的关键参数研究

为了研究接触网绝缘子带电水冲洗过程中喷嘴入口压力、喷嘴出口直径、风速等关键参数的影响,采用CFD软件Fluent进行气液两相流仿真,对比分析不同参数对水冲洗效果及安全性的影响。结果表明：入口压力是影响水射流速度的关键参数,出口直径是影响水射流水气比的关键参数;入口压力、出口直径、风速等参数都会影响水射流的直线性能及冲洗效果,尽量在风速低于2.5m/s或无风环境下进行冲洗作业,且尽量增加喷嘴入口压力以及选择直径较大的喷嘴;得到了喷嘴直径、射流距离与水气比的关系,为不同水冲洗情况下的喷嘴直径选择提供了参考。     

圆锥长直管段喷嘴外流场的CFD仿真分析

利用ANSYS FLUENT软件,采用欧拉多相流模型对圆锥长直管段喷嘴外流场进行建模与仿真,观察不同参数下的仿真结果并比较,结果表明:随着压力增大,外流场入口速度增大,磨料和水的速度均有衰减,磨料速度的衰减速率要小于水的衰减速率,但不同压力下速度衰减趋势基本相同;随着喷嘴直径的增大,射流速度核心区范围略有增大,外流场速度衰减速率在不同喷嘴直径下基本相同;增大射流冲击面积不宜通过增大喷嘴直径来实现;随着磨料体积分数的提高,磨料速度的衰减速率先减小后增大。     

非结构参数对高压扇形喷嘴射流性能的影响研究

扇形喷嘴作为高压清洗的关键部件,非结构参数对其射流特性有着重要的影响。运用Creo对喷嘴及外流场进行三维模型的建立,依据流体力学和有限元理论,使用FLUENT对射流过程进行模拟,对比理论和仿真数据以验证模型的正确性;再对入口压力(4～12 MPa)、靶距(40～120 mm)和倾斜角度(0～20°)等3组非结构化参数进行仿真模拟。结果表明:在其他相关因素确定时,随着入口压力的增大,靶面打击力和流量增大,在不损伤靶面涂层的前提下选择较大入口压力有利于提高清洗效果;随着靶距的增大,流量无明显变化,但靶面打击力先增大后减小,在100 mm时最大;倾斜角度增加,出现了靶面剪切力,有利于加快清洗速度,综合垂直力考虑倾斜角度选择10°。     

基于正交试验法的铝合金车体高压水清洗喷嘴结构优化

抑尘剂等复杂的化合物黏着在铝合金车体上,导致车体污染十分严重,高压水射流清洗方法能够有效去除铝合金车辆车体表面黏着的化合物。通过分析圆柱形、锥形、文丘里形和余弦形喷嘴的射流流场分布、射流出口速度、最大壁面静压、相同清洗宽度下压力值范围,得到余弦形喷嘴的清洗性能最佳,锥形喷嘴次之。基于正交试验法设计五因素、四水平正交试验表,得到常用清洗压力下余弦形喷嘴的最优结构参数：进口直径为40 mm、出口直径为20 mm、过渡段半径为40 mm、出射段长度为25 mm、过渡与余弦部分长度比为4。按照最优喷嘴结构参数进行建模,得到三组压力值下高压水出射速度比未优化前提高了2%,且优化效果随着入口压力值的提高而有所下降。在优化后的喷嘴结构参数下进一步计算得出入口压力为10 MPa时,靶距设置为250 mm能达到较好的清洗效果和节能作用。     

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。     

大型储罐清洗喷嘴的数值模拟研究

针对石油储罐机械清洗过程中射流发散严重、有效靶距过短、清洗效果差的问题,现将一种含中心体式喷嘴应用到储罐清洗中。运用Fluent软件对含中心体的储罐清洗喷嘴内外流场进行了数值模拟仿真,过程中选用K-ε紊流模型和SIMPLEC算法进行了数值计算,采用Mixture多相流模型和非结构化网格对含中心体喷嘴和圆柱形喷嘴进行了对比模拟评价。研究结果表明,含中心体喷嘴沿射流方向的轴心速度逐渐增大,射流在计算域内未发散,有效靶距得到了提高。相比于圆柱形喷嘴,含中心体的喷嘴出口截面射流半径缩小了13.7%,聚束性得到了提高,打击力得到了更好的保持,因而能更好地满足大型储罐清洗的要求。     

高压水射流喷嘴设计及有限元分析

喷嘴是高压水射流破煤系统的关键部件,通过分析现有直线类型喷嘴,设计出具有收缩段、过渡段、平直段的流线型喷嘴,建立直线型和流线型喷嘴流道的几何模型和有限元模型,完成两种喷嘴流道的有限元分析,得到不同类型喷嘴流道水射流动压力场和速度场分布规律、流线型喷嘴结构应力与变形分布规律以及水射流流体与喷嘴内壁的耦合规律。通过分析计算得到不同过渡比的水射流动压、流速以及紊流分布规律,得出流线型喷嘴过渡比的最优值。实验结果表明:流线型喷嘴有较大的水射流轴向速度和动压力,比直线类型喷嘴破煤效率提高30%以上,具有良好的破煤性能。     

起重机臂架清洗装置机构设计及试验研究

再制造是能够将废旧零/部件恢复其原有尺寸和性能的一项关键技术,为此针对废旧起重机臂架的再制造设计了一种利用高压水射流清洗技术,可以自适应不同曲率、高度的新型臂架清洗装置。分析了射流打击力与漆膜附着力之间的关系,研究了喷嘴射流压力及清洗器进给速度等工艺参数对污染物清洗效率的影响,验证了清洗装置的实用性,实现了将超高压水射流绿色高效清洗技术应用于臂架清洗试验。试验结果表明:该清洗装置在喷嘴直径为0.4 mm,靶距为20 mm,出口压力为180 MPa,清洗装置行走速度为0.6 m/min时能够很好地完成清洗任务并满足工程机械汽车起重机臂架再制造清洗工序要求。该清洗装置解决了工程机械臂架表面清洗难题,为后续无损检测及修复奠定了基础。     

气溶性射流喷嘴的结构设计及计算

设计了一种节水的气溶性射流喷嘴.该喷嘴分为进水管、进气管、混合室和Laval喷嘴四个部分.进水管在壁面上利用雾化原理加工针状小孔,使水以雾状存在于射流中,形成气溶性射流,大大的减少了用水量.根据射流清洗要求,利用雾化原理、流体力学及机械设计等相关原理,计算出喷嘴关键尺寸混合室直径、Laval喷嘴喉部直径、喷嘴出口直径分别为28mm、4mm、5.5mm.实验研究表明,证明了所设计喷嘴的射流打击能力,达到节水的目的;同时得到了该喷嘴的最佳工艺参数:在进水、进气压力分别为为0.3MPa、0.8MPa时,清洗射程达到7.2m,在喷口距测杆100mm时打击力为516.58N.     

径向水平井自进式旋转射流钻头流场特性分析

为解决径向水平井钻进过程中破岩效率和自进能力的问题,设计了一种自进式旋转射流钻头。运用数值模拟方法,采用RNG k-ε湍流模型对所设计射流钻头的内外流场进行了三维流动特性分析,并分析了射流钻头结构参数对喷嘴流场特性的影响规律,进一步优化了自进式旋转射流钻头。结果表明,自进式旋转射流喷嘴外流场的轴心速度在喷嘴中心线上的速度最大,随着径向半径的增大,轴向速度迅速减小;切向速度沿喷嘴径向呈现出经典的"N"形分布,有利于增大射流破碎岩石的深度和破碎面积;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;自进式旋转射流钻头导向叶轮的螺距和导叶数量,对射流速度有着重要的影响;喷嘴直径对射流流场特性的影响较大。经过优化,得到射流钻头的叶轮螺距16mm,导叶数为2,喷嘴直径为1mm。     

空化水喷丸工艺中喷嘴几何参数对空化行为影响的研究

空化水喷丸是利用微小空泡群在固体边界附近溃灭时产生的冲击波压力和微射流来强化金属材料表面,而这些空泡群则是由缩放型喷嘴产生的空化射流所提供。因此,缩放型喷嘴的空化性能可直接影响喷丸效果。利用FLUENT计算软件对缩放型喷嘴产生的淹没式空化水射流进行计算机模拟,并模拟分析了喷嘴喉部直径和喷嘴扩张角对流场中空化行为的影响,同时使用Fujifilm压敏试纸对垂直于空化水射流轴线的截面上的冲击压力场进行测量。结果表明,随着喷嘴喉部直径的增大或喷嘴扩张角的减小,流场中的整体汽含率会升高,试验测得的最高冲击压力高达300 MPa。     

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。     

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。     

淹没环境下高压水射流喷嘴的结构优化

为提高高压水射流在辅助大型沉井沉降施工中的效率,对水射流关键元件喷嘴进行选型和结构优化,要求射流具备高能量、低衰减特性。从4类回转形喷嘴中优选速度衰减小的喷嘴,确定合理的速度衰减研究指标,再结合尺寸参数设计正交实验,利用回归分析建立预测模型,可以确定各个尺寸参数对速度指标的影响程度。由高压泵站输入压力和流量确定喷嘴的最大直径,再由预测模型确定最佳喷嘴是出口直径2.8 mm、入口直径5.26 mm、收缩角为12.3°的锥形喷嘴。     

钴结壳水射流切削系统参数设计

为了避免刀具切削钴结壳时产生冲击载荷,提出了深海钴结壳水射流切削方法。采用仿真计算和实验测试研究了水射流系统参数与其切削性能的作用规律。仿真结果表明:水射流系统的工作压力、喷距和喷射角度是决定水射流切削能力的主要参数;其重要程度依次为工作压力、喷距和喷射角度;提高水射流系统工作压力是提高射流切削能力最有效的方法;在射流工作压力一定的情况下,为了提高射流的切削能力,射流的喷距宜小于4 mm(4倍喷嘴直径)内,射流的喷射角度约为13°。实验结果表明:提高射流的工作压力可以显著提高射流的切削能力,减小射流的喷距有助于提高射流的切削能力,射流的最优喷射角度约为13°。     

基于磨料水射流的三维编织复合材料铣削技术研究

针对磨料水射流对三维编织复合材料的冲蚀过程,利用Hypermesh/Ls-Dyna有限元分析软件建立磨料水射流冲蚀复材模型,以射流压力、走刀速度、横向进给量为变量开展仿真分析,得出不同工艺参数下材料的去除深度与质量以及材料的应力变化情况,完成水射流铣削三维编织复合材料的工艺过程模拟.研究发现,随着射流压力的增加,复合材料平均铣削深度和Z向最大应力不断增加,当射流压力超过70 MPa时材料被击穿;随着走刀速度和横向进给量的增大,平均铣削深度和材料Z向最大应力呈不断减小趋势;材料铣削深度主要受射流压力的影响,其次是走刀速度,而横向进给量对深度影响较小;铣削面质量主要受横向进给量的影响,当横向进给量大于或小于喷嘴直径时,铣削面会出现峰谷现象,而等于喷嘴直径时铣削面质量较好.根据仿真结果开展试验研究,将试验结果与仿真结果进行对比分析,验证了仿真模型的可行性与有效性.     

关键结构参数对高压除鳞喷嘴性能影响的研究

高压除鳞喷嘴广泛地应用在热轧除鳞工艺中,喷嘴结构参数的变化会对射流性能产生影响。通过数值模拟和实验测试相结合,研究了锥孔深度变化对外部射流的影响。研究表明:锥孔深度增加,射流水喷射角增加、射流速度沿轴向方向衰减变慢,射流距离增加。在相同射流距离下,锥孔深度的增加可以使打击力的大小增大、有效的射流宽度增大。     

多种后混合磨料水射流喷嘴的数值模拟及分析比较

针对传统的后混合磨料水射流喷嘴中的磨料与水混合均匀性差,磨料射流能量低的问题。本文基于CFD欧拉多相流模型,利用Fluent软件对比磨料侧进式喷嘴、磨料中进式喷嘴以及改进的磨料中进式喷嘴在相同边界条件下计算得到的内外流场结果。分析结果表明：磨料侧进式喷嘴的磨料主要分布在速度较低的区域,未能进入高速水流内部,导致喷嘴内外流场的中心位置磨料射流能量低,磨料与水混合均匀性差;磨料中进式喷嘴很好的解决了磨料不能进入高速水流内部的问题,磨料体积分数和磨料速度从中心向外逐渐减小,射流效果明显改善;改进的磨料中进式喷嘴减小了高速水流在原磨料中进式喷嘴混合腔内的碰撞损耗,磨料在外流场的速度及动能都有一定提高。