变径孔射流冲击冷却的流动与传热特性数值研究

采用数值方法开展了变径孔射流冲击冷却的流动与传热性能研究。设计了3种变径孔射流冲击冷却结构,即收缩孔、直孔、扩张孔。对比了不同雷诺数情况下3种孔型射流冲击冷却的流动与传热特性。分析了雷诺数和孔型对射流冲击冷却流动性能、传热性能和综合热力性能的影响。拟合得到了不同孔型冲击冷却的平均努塞尔数、压力损失系数和综合热力系数有关于雷诺数的经验关联式。结果表明:与直孔冲击冷却相比,雷诺数为6000~30 000时,收缩孔冲击冷却的压力损失系数增加了约16.67倍~21.09倍,靶面平均努塞尔数提升了约0.96倍~1.85倍;扩张孔冲击冷却的压力损失系数降低了约22.55%~33.68%,靶面平均努塞尔数降低了约5.62%~10.85%。在3种孔型中,收缩孔冲击冷却的传热性能最优、流动性能最差,直孔冲击冷却的传热性能和流动性能都处于中等水平,而扩张孔冲击冷却的传热性能最差、流动性能最好。当雷诺数小于24 000时,扩张孔冲击冷却的综合热力性能最优,其次为直孔冲击冷却,而收缩孔冲击冷却的综合热力性能最差。当雷诺数大于等于24 000时,3种孔型冲击冷却的综合热力性能很接近。研究结果可以为未来先进燃气轮机内部变径孔冲击冷却的设计提供一定的参考。

自进式旋转射流钻头破岩效果

利用有限的排量实现高效的破岩效率并尽可能增大径向水平井眼的延伸能力是实施新型径向水平井技术的关键,射流钻头的性能是该关键技术要解决的首要问题。在多孔射流钻头的基础上,设计研制了自进式旋转射流钻头,分析了其工作原理,并通过试验对自进式单孔旋转射流钻头、自进式单孔直旋混合射流钻头、自进式多孔旋转射流钻头以及自进式多孔直旋混合射流钻头随时间、射流压力和喷距的破岩钻孔规律进行了研究。研究结果表明：当喷距范围为9~12 mm、射流压力为20~35 MPa时,在相同的射流压力和喷距条件下,自进式多孔直旋混合射流钻头的破岩效果优于自进式多孔旋转射流钻头,其中1＋4孔的多孔直旋混合射流钻头的破岩效果最好。设计得到的新型射流钻头可以提高径向水平井的钻进速度。

稳态与瞬态冲击射流换热性能实验对比

为了对比研究稳态与瞬态单孔冲击射流的传热性能,采用热色液晶测温技术获取实验件被冲击表面的传热系数分布。实验中改变了冲击雷诺数Re和冲击孔直径比L/d,利用工业相机拍摄实验件凹表面颜色变化过程,计算并对比两种射流条件下局部努塞尔数Nu_D的分布,并与文献值进行比较。研究表明相对于稳态冲击射流,瞬态冲击射流的传热性能更佳。通过记录整个冲击射流过程,得到Nu_D随时间t变化关系。驻点附近NuD随冲击的进行逐渐减小并趋于稳定。随冲击雷诺数Re增大或冲击孔直径比L/d接近6,瞬态冲击射流的强化传热效果逐渐明显,强化效果可达15%以上。