基于多孔喷嘴技术的阵列微织构仿真与实验

射流电解加工单孔喷嘴系统存在显著不足,不能适用于大规模表面微织构制造,因此提出多孔条形喷嘴加工工艺。利用不受加工结构限制的3D打印技术制作多孔喷嘴模型,搭建射流电解加工实验装置。利用Comsol软件进行流场与电场仿真,以喷嘴到工件表面流速大小和电流密度等为评价依据,对喷嘴腔体内部流道进行优化。研究表明,条形喷嘴结构能够形成形态稳定的射流,对工件实现高效加工。当加工电压为475 V、占空比为70%时,材料去除率达到峰值。

多孔喷嘴破岩钻孔特性的实验研究

采用自行研制的实验装置研究了孔数和水力参数(冲蚀时间、喷嘴压降、喷距、围压)对多孔喷嘴破岩效果的影响规律。结果表明:喷嘴孔数越多,成孔形状越圆整;破岩效果随着射流压力的增大而呈线性增加;0围压条件下多孔喷嘴存在获得最大破岩体积和孔深的最优喷距约为5～6倍喷嘴当量直径。在围压条件下,多孔喷嘴破岩效果随着围压的增大而大幅下降;当量喷嘴直径相同时,破岩效果随孔数的增加而减小;在保证钻孔孔径的情况下,减少孔眼数量有利于提高多孔喷嘴破岩效率。实验结果可为超短半径水平钻孔射流钻头设计提供依据。

垂直多孔喷嘴内部空穴两相流动的三维数值模拟分析

对完全发展了的空穴流动建立起多维空穴两相流动数学模型,对多孔垂直喷嘴进行了喷孔内部空穴两相流动的三维数值模拟。首次提出将计算区域的出口边界延伸至气缸内部,以减小出口对喷孔内部求解区域的影响。对针阀偏心时各喷孔内部空穴流动特性进行了深入的分析研究,阐明了喷孔内部空穴流动特性及其对喷孔出口流动分布的影响乃至对喷雾油束雾化所产生的作用。

脉冲空化多孔喷嘴破岩效果试验研究

射流喷嘴是径向水平井技术中的关键部件,其破岩能力直接影响水平井眼的延伸能力和钻进速度。在多孔喷嘴的基础上,设计脉冲空化多孔喷嘴,分析其脉冲空化射流的调制机制,并通过试验与多孔喷嘴的破岩效果进行对比。结果表明：脉冲空化多孔喷嘴破岩效果优于多孔喷嘴,孔眼深度是多孔喷嘴的1.02~2.18倍,破岩体积是多孔喷嘴的1.23~2.35倍;为保证喷嘴破岩形成的最小孔眼直径大于喷嘴外径,试验岩样的喷嘴压降不能小于30 MPa;射流喷嘴破岩存在最优喷距,试验条件下的最优喷距为12 mm;利用脉冲空化多孔喷嘴可增加径向井的水平延伸长度,提高钻进速度。

新型旋转射流多孔喷嘴流场的分析

设计了一种适用径向水平井技术的旋转射流多孔喷嘴。其前端面均布3个不同切向倾角15°、30°、45°的孔眼。利用数值模拟方法,采用RNG k-ε湍流模型对该喷嘴流场特征进行了研究,并与试验破岩结果进行了对比。结果表明,15°孔眼轴向速度较大,扩散性差,衰减缓慢,类似直射流,破岩效果适中;30°孔眼轴向、径向、切向速度均较大,扩散性适中,衰减较慢,其破岩效果最佳;45°孔眼虽具有较高切向、径向速度,但扩散性较强,衰减较严重,可形成较大破岩面积,但破岩深度有限;3个孔眼破岩面积在径向存在重叠,当喷嘴旋转时,可轨道扫描式完成联合破岩;不同倾角破岩效果不同,本试验中30°倾角的孔眼破岩效果最佳。流场数值模拟结果与实际破岩效果基本一致。

多孔喷嘴射流泵流动模拟与涡结构分析

基于有限体积法和Realizable k-ε湍流模型,对多孔喷嘴射流泵内部流场进行数值模拟和分析,并与试验结果进行对比,验证了数值模拟的可靠性.引入涡动力学理论对喉管内部工作流体和被吸流体的混合机理进行分析,研究了喉管内部流向涡和展向涡的分布及其峰值沿流向的变化.结果表明:多孔喷嘴结构能够加快工作流体和被吸流体的混合,提高射流泵的效率;射流泵喉管内的涡结构对工作流体和被吸流体的混合有重要影响,相对流向涡而言,展向涡的强度较大,在喉管内的衰减较为平缓;在射流泵中,对两股流体起主要掺混作用的是流向涡,其强度和衰减的速率决定了混合效率;在涡量一定的情况下,流向涡越强,衰减越快;展向涡结构越小,越能加速喉管中的混合,从而提高泵的效率;喉管内涡的分布表明,位于喷嘴中心的出口可能导致较大的损失,各孔喷嘴出口应优先沿圆周方向布置.

垂直多孔喷嘴内部流动空穴现象数值模拟分析

柴油机喷嘴内部空穴流动是影响喷雾特性的重要因素,在对柴油机喷嘴喷孔内部空穴流动现象分析的基础上,利用混合多相流空穴模型对垂直多孔喷嘴完全发展了的空穴流动进行了三维数值模拟,分析了喷油压力、气缸背压及喷孔入口圆角半径与喷孔倾角对喷孔内部空穴分布的影响。验证了低空穴参数对应的空穴层延伸长度较长,喷孔入口锐边过渡会增加喷孔出口液流紊乱,从而加速雾化。

多孔喷嘴能量转化效率分析

多孔喷嘴是径向水平井技术的核心技术装备,需同时实现高效破岩与强力自进,而目前常用的多孔喷嘴的流量系数一般在0.6左右,其能量转换效率仅为36%左右,严重限制了多孔喷嘴的整体性能。因此,研究多孔喷嘴流量系数影响规律十分必要。根据流量系数定义推导了多孔喷嘴流量系数,试验确定了各孔眼局部阻力系数,并研究了排量、孔眼数量对多孔喷嘴流量系数影响规律。结果表明,多孔喷嘴能量转化效率等于其流量系数的平方;其流量系数由各孔眼流量系数与其权重决定;孔眼流量系数主要取决于其沿程阻力系数与局部阻力系数;绝大部分能量损失由局部阻力损失引起;而孔眼局部阻力系数随着排量增加略有降低,但随着孔眼数目增加而迅速增大。

双层交错布置多孔喷嘴设计与仿真研究

针对高喷射压力下传统喷油嘴喷雾的碰壁比较严重以及传统多孔喷嘴喷雾之间易相互干扰等问题,设计了一种具有上下2层交错布置的多孔喷油嘴,阐明了双层交错布置多孔喷嘴的结构和理论依据,建立了喷雾及燃烧排放模型,研究了双层交错布置多孔喷嘴的喷雾特性及其结构参数对共轨柴油机燃烧与排放性能的影响.喷雾特性仿真表明,与传统喷油器相比,双层交错布置喷油嘴具有较短的喷雾贯穿距和更好的燃油空间分布特性.双层交错布置喷嘴的结构参数对高压共轨柴油机的燃烧过程和排放性能的影响研究表明,上层喷孔的喷射夹角采用大喷射夹角或下层喷孔采用小孔径,都可以使柴油机的燃烧及排放性能得到进一步改善.

双层交错布置多孔喷嘴喷射特性仿真与试验研究

在高压共轨系统综合性能试验台上对所设计的不同结构的双层交错布置多孔喷嘴的喷油规律进行了测试。试验结果表明:孔径大的双层交错布置多孔喷嘴喷油速率较大;下层喷孔喷射夹角的变化对双层交错布置多孔喷嘴喷油速率影响不显著;在喷孔几何流通面积相同的情况下,双层交错布置多孔喷嘴与传统单层喷嘴相比具有较高的喷油速率和较大的累积喷油量。为深入分析其原因,建立了双层交错布置多孔喷嘴内流场的三维CFD模型,对双层交错布置多孔喷嘴与传统单层喷嘴进行气液两相流的模拟分析,研究发现双层交错布置多孔喷嘴有效流通面积比传统单层喷嘴大。

双层交错布置多孔喷嘴燃烧排放性能试验研究

在某单缸柴油机上搭建高压共轨系统整机试验台架,研究双层交错布置多孔喷嘴结构对柴油机燃烧和排放性能的影响规律。试验结果表明:相同几何流通面积的双层交错布置多孔喷嘴相比于传统单层喷嘴经济性提高,NOx排放和碳烟排放改善;孔径较小的双层交错布置多孔喷嘴方案燃油消耗率较高,NOx排放较低,碳烟排放较高;下层喷孔喷射夹角小的双层交错布置多孔喷嘴方案缸内平均压力和温度高,油耗和排温降低,NOx排放较多,碳烟排放较少。

双层交错多孔喷嘴喷雾特性仿真与试验研究

本文中采用高速摄影和图像处理技术,研究了双层交错多孔喷嘴的喷雾特性,获取了喷雾的特性参数,对比了双层交错多孔喷嘴与传统单层喷嘴的喷雾贯穿距和喷雾锥角。结果表明,双层交错多孔喷嘴喷雾贯穿距较短、喷雾锥角较大。同时建立了与定容室内喷雾发展过程的仿真模型并进行了仿真,双层交错多孔喷嘴喷雾贯穿距的仿真结果与试验数据很接近,验证了所建模型的准确性。

船用柴油机多孔喷嘴的喷雾不一致性及其对发动机性能影响的分析

由于柴油机多孔喷嘴加工偏差、针阀抬起过程产生的抖动以及喷嘴内部的空穴现象等原因,各孔燃油喷射存在不一致的情况。为了探究多孔喷嘴各孔燃油喷射差异对大缸径船用柴油机喷雾、燃烧及缸内热负荷的影响,以高压共轨船用柴油机为研究对象,通过定容弹喷雾试验研究了高压共轨喷油器多孔喷嘴各孔喷雾发展的不一致性,并基于喷雾试验结果,通过CFD仿真研究了各孔喷雾不一致性对柴油机燃烧、性能及缸内热状态的影响。结果表明,在针阀抬起过程中,各孔喷雾贯穿距存在明显差异,各孔喷雾贯穿距离散系数为3%~40%,且随着针阀抬起离散系数逐渐减小,在针阀完全抬起后,各孔喷雾贯穿距基本一致,各孔喷雾贯穿距离散系数在5%以下;各孔喷雾不一致会导致各雾束的早期燃烧存在明显差异,对缸压、油耗、放热率、缸内平均温度、NOx和Soot排放影响很小;各孔喷雾不一致会加剧活塞、缸盖、缸套的局部热负荷,同时会导致高温燃气向缸套的总体散热量增加9.1%,而活塞、缸盖总散热量不变。

干冰喷雾速冻蓝莓的多孔阵列喷嘴

为提高速冻蓝莓的品质,该研究设计多出口阵列喷嘴干冰微粒喷雾速冻蓝莓系统,试验测试获得了蓝莓冻结过程中热物性参数随温度的变化规律,建立速冻腔体内干冰喷雾的速冻模型,利用Fluent软件对蓝莓速冻过程进行数值模拟仿真,获取优化入口流速和喷嘴出口孔径。结果表明:采用圆孔形收缩型喷嘴,设置喷射高度为120 mm,喷嘴入口孔径为30 mm,入口速度为0.25 m/s,出口为圆周孔径5.2 mm×6(6个孔径为5.2 mm的出口)和中心孔径2 mm×4的组合时,整盘蓝莓中心温度从1℃降至−18℃用时129 s,实现了蓝莓更均匀快速冻结。对模拟仿真优化结果进行试验测试,得到降温速率最慢的蓝莓完成速冻的时间为127 s,通过最大冰晶生成带的时间为36 s。试验与模拟降温曲线吻合良好。理化性质测试获得干冰微粒喷雾蓝莓速冻前后相关品质变化均优于速冻蓝莓标准。且与−80℃液氮喷淋速冻蓝莓的品质做对比,二者理化性质测试结果几乎无差异。研究结果可为进一步优化干冰喷射速冻蓝莓装置提供参考。

直喷汽油机多孔喷油器喷嘴内部流动数值模拟

采用双流体法应用线性空化模型对某直喷汽油机多孔喷油器喷嘴内部流动形态进行模拟,分析了喷嘴内空化流动发展规律,总结并比较了几种判断空化流动的方法。模拟结果表明:在喷孔内及针阀开启关闭时与阀座缝隙间均发现有空化现象;空化形态不稳定,随时间变化;空化造成喷嘴流量减小流速增大,各孔流量亦产生差异;临界空化数可以有效预测空化现象;GDI多孔喷嘴仅在喷射压力很小而喷射背压很大的分层燃烧方式下有可能不空化。

径向水平井多孔自旋射流喷嘴设计及应用

为了解决目前常规射流喷嘴无法同时实现钻大孔和钻深孔的问题,设计了一种结构简单的多孔自旋射流喷嘴,并利用SIMPLEC算法对其流场进行数值模拟计算,分析了喷嘴的外流场特性,通过室内破岩实验研究了喷嘴的破岩机理,优选了喷嘴的结构参数。结果表明:多孔自旋射流喷嘴的无因次冲击区面积随定位圆半径的增大而增大,随倾斜角的增大而减小,随切向角的增大呈现出先增大后减小的规律。在倾斜角一定的条件下,切向角为16°时,无因次冲击区面积达最大值;在切向角一定的条件下,倾斜角为6°时,射流在冲击壁面形成较大的冲击区和速度较高的漫流区。定位圆半径4 mm、倾斜角6°、切向角16°的多孔自旋射流喷嘴可实现钻大直径深孔的目标,并取得了较好的现场应用效果,可作为一种新型高效的径向水平井射流喷嘴进行推广应用。

基于多孔环形喷嘴的可燃爆粉尘分散特征的密度效应研究

为了研究不同密度的可燃爆粉尘在内置多孔环形喷嘴的20 L爆炸特性测试装置中的分散特征,基于负载粒子流方法、耦合DPM动量平衡方程和时间平均Navier-Stokes控制方程组,实现3种不同密度的煤粉、铝粉和锆粉在20 L爆炸测试装置中粉尘分散全过程的数值模拟。研究结果表明:多孔环形喷嘴的分散较为均匀,但是约束管道末端存在局部粉尘残留区,致使爆炸仓内真实粉尘浓度远低于形式浓度;爆炸仓中心位置的最大湍动能随着粉尘密度的增加而减小,只有显著地变化粉尘密度才能展示区分度较高的浓度峰值和抵达浓度峰值的时间。

多孔环形喷嘴分散特征的时空演化规律

为了研究20 L爆炸仓空间内粉尘云的分散规律和均匀程度,建立了20 L球形爆炸测试装置与多孔环形分散喷嘴的模型,对比模拟了基于多孔环形喷嘴的三组不同浓度铝粉的分散规律。另外,根据在20 L爆炸仓内所设置的不同区域监测点的流场参数,分析了空间内多孔环形喷嘴的分散特征。结果表明:粉尘浓度越大,铝粉的最佳点火延迟时间越长,但均小于标准规定的60 ms。多孔环形喷嘴会导致部分粉尘堆积在喷嘴末端,浓度小于形式浓度,但演化形成的粉尘云在空间内的分布较为均匀。

多孔射油器的性能试验

根据单孔喷嘴和多孔喷嘴射油器性能对比试验，以及多孔喷嘴射油器的Ｌｃ、ｍ变化试验，研究多孔喷嘴射油器的性能和特点，同时也为改造单孔射油器提供了依据。