后混合磨料空气射流喷嘴结构优化及破煤效果研究

水力化卸压增透技术在煤层瓦斯灾害治理中发挥了重要作用,但在松软煤层中应用时容易导致塌孔、抱钻和喷孔等动力现象。无水化卸压增透是突破松软煤层瓦斯高效抽采技术瓶颈的可行性技术之一。为此,利用磨料空气射流高效破煤岩能力,提出后混合磨料空气射流破煤卸压技术,采用磨料-空气分离输送的双通道方式,将磨料和空气运送至孔底,采用射流泵-拉法尔耦合的后混合喷嘴结构在孔底对磨料进行引射、混合和加速,使磨料具备高冲击动能,实现高效破煤。基于ANSYSFLUENT气固两相流模型,分析后混合喷嘴内磨料引射、混合和加速规律,研究磨料颗粒在加速过程中的受力,获得混合磨料空气射流高效破煤最优后混合喷嘴结构;并开展后混合磨料气体射流破煤实验验证破煤性能。结果表明:磨料冲击动能决定于后混合喷嘴的引射能力和加速能力。后混合喷嘴的引射能力与引射喷嘴的喷嘴出口直径和其扩张段长度有关,合理的引射喷嘴出口直径有助于减小喷嘴出口气流波动,扩张段长度则会影响喷嘴出口气流速度,在本文条件下,引射喷嘴采用两段式,其中收缩段长度2 mm,喉部直径2 mm,扩张段长度5 mm,喷嘴出口直径为3 mm。加速结构对磨料的加速效果主要取决于加速喷嘴的膨胀比,膨胀比为1的喷嘴内部气流使磨料颗粒所受合力较大,且加速喷嘴外部磨料所受曳力、压力梯度力和虚拟质量力波动范围较小,磨料加速效果明显,在膨胀比为1条件下,设计加速喷嘴收缩管长度4 mm、出口直径7.73 mm、喉管长度40 mm、扩张管长度为15 mm。按照优化后的喷嘴结构进行破煤能力实验,在引射压力为4 MPa,靶距60 cm,磨料质量流量50 g/s,进行冲蚀实验,冲蚀30 s,优化的后混合喷嘴结构对煤块产生了直径约10 cm,深度约5 cm的冲蚀坑,证明了在设计的最优后混合喷嘴结构参数下系统具有较好的破煤效果,具有工程应用的能力。

基于有限元的水力喷砂射孔器喷嘴结构分析

为提高水力喷砂射孔器的射流能力,减少喷嘴流道内的能量损耗。提出一种双锥度结构,对射孔器中喷嘴这一关键部件进行结构设计及优化来改善喷嘴射流性能。将喷嘴流道形状设计为双锥度截面,更加趋近于流线型。再降低制造工艺成本的同时,优化流道内部结构,减少紊流区域的影响。为了得到一个准确的优化数据,将初始模型与进行优化后的模型进行有限元分析。通过对比可以发现,得到的双锥度喷嘴相比普通圆锥带圆柱段喷嘴的出口轴心射流速度增大了7.35%,从而为喷嘴结构的设计优化提供一种新思路。

天然气管输减阻剂减阻技术的研究与应用

通过电镜微观试验研究,揭示了天然气减阻剂的减阻机制。通过对减阻剂加剂装置关键结构仿真优化表明:旋流雾化喷嘴的旋流室内锥角为100°时雾化效果最佳;喷孔直径的变化可改变减阻剂喷射的轴向速度,有利于增大喷射距离,但雾化角减小,喷孔直径为1.4 mm时,喷嘴的雾化效果最佳;旋流室切向孔角度对旋流室内部速度流场的影响较大,切向角为14°时喷嘴雾化效果最佳;通过实验室及现场试验,得出了合理加剂量的计算公式。本研究对天然气管输减阻剂减阻技术的推广与应用具有指导意义。