环空流体强化自激脉冲淹没水射流调制与破煤特性

针对下向孔淹没水射流卸压增透技术的瓶颈问题,即冲击力弱、破煤效率低、冲割煤量少、适应性差等,提出了环空流体强化自激脉冲水射流下向孔破煤增透思想和原理,以破除孔底压持效应和水垫增阻效应,提高淹没状态水射流的冲击力和破煤效率。采用大涡模拟、打击力测试和冲击釜破煤实验等研究方法,研究了淹没条件下环空流体强化自激脉冲水射流的高效调制和破煤特性。首先建立了适用于煤矿下向孔增透的环空流体强化自激脉冲喷嘴物理模型,优化了喷嘴结构参数;然后研制了淹没脉冲射流高频打击力测试系统和环空流体强化自激脉冲水射流喷嘴,量化分析了环空流体强化自激脉冲喷嘴在淹没环境中的打击力和流场特性;最后研发了淹没水射流破煤实验系统,开展了淹没水射流破煤实验,揭示了环空流体强化自激脉冲水射流的破煤特性。研究结果表明:在煤矿下向孔工程条件下,由两侧带有自吸口的亥姆赫兹型自激脉冲喷嘴能够有效产生环空流体强化自激脉冲水射流,最优喷嘴结构参数为上喷嘴直径d1=3 mm、壁面碰撞角α=120°、下喷嘴直径d2=3.6 mm、振荡腔腔长L=10.5 mm、振荡腔腔径D=27 mm、引入口直径d3=4.2 mm,泵压为10 MPa时卷吸环空水量最大值为0.28 L/s,平均0.19 L/s;泵压相同时环空流体强化自激脉冲水射流与自激脉冲水射流主频相近,环空流体强化自激脉冲水射流的主频为253~285 Hz,而自激脉冲水射流的主频为251~282 Hz;环空流体强化自激脉冲水射流的峰值打击力分别为自激脉冲水射流、连续射流峰值打击力的1.05~1.08倍和1.63~1.89倍,平均打击力是自激脉冲水射流的1.09~1.16倍,反映了环空流体强化自激脉冲水射流在淹没状态下能够持续产生较大的打击力,具有良好的脉冲射流特性;相同泵压和靶距条件下,环空流体强化自激脉冲水射流比自激脉冲水射流、连续水射流对煤样的破坏效果更强;环空流体强化自激脉冲水射流具备良好的冲蚀煤体破坏效果,约88.65%的煤渣粒度在8 mm以下,当泵压为10 MPa,靶距为10d1时,冲蚀时间为10 s,射流对煤样的冲蚀作用最佳,冲蚀深度47.32 mm,冲蚀体积15.7 cm3。研究成果不仅可破解煤矿下向孔水射流增透的瓶颈问题,同时具有少掘岩巷、节省成本的优势,有望替代和超越上向孔水射流卸压增透,在煤矿瓦斯灾害防治和煤层气开发领域,具有广阔的应用前景。

自激脉冲喷嘴发生机理数值模拟

本文揭示了自激脉冲喷嘴产生自激振荡的根本原因。由于腔内产生了低于汽化压力的负压,引起低压区液体的汽化,加上射流不稳定剪切层的作用,最终形成大小周期性变化的轴对称空化气囊;对脉冲喷嘴腔内流场进行了二维非定常数值模拟,通过对腔内压力和流场的分析,验证了上述结论;试验研究通过对腔内压力的数据采集及对脉冲现象的同步观察,进一步说明了本文结论的正确性。

低压大直径喷嘴自激脉冲射流空化模型

为解释低压大直径喷嘴自激脉冲发生机理,本文对空化初生条件进行了讨论,提出一种可适用于高速剪切流的非定常空化模型。认为自激振荡腔内空化或凝结的发生,不仅与当地压力有关,而且与当地速度有关,并根据能量平衡条件,给出了新的空化判别标准。在一定程度上改善了非定常空化模型的收敛性,解决了非定常状态下,由于压力的变化,流体发生周期性相变,即空化和凝结交替发生的数值模拟问题。最后,对低压大直径喷嘴自激脉冲射流进行了数值模拟,并对振荡腔内的压力场、速度场以及相图之间的关系进行了分析。

自激脉冲发生机理数值模拟及参数影响分析

为了揭示低压大流量下自激振荡脉冲射流清洗的脉冲发生机理,研究了这种工况下喷嘴结构和运行参数的优化设计范围.通过给出一种应用于大型工业油罐罐底油泥清洗的新型喷嘴结构型式,比较了在低压大流量工况下该喷嘴脉冲的发生机理、表现形式、分析方法与高压小流量情况下存在的差异.用计算流体力学(CFD)软件对自激振荡腔内压力场进行数值研究,并对影响频率特性的结构和运行参数进行了逐一分析,获得了喷嘴的结构参数和运行参数的优化配比范围.结果表明,在低压大流量工况下,空化汽囊的周期性变化是产生脉冲射流的根本原因,得到的优化参数可直接应用于指导低压大流量白激喷嘴的工业设计.

淹没条件下自激脉冲射流冲蚀试验研究

为了对比不同淹没条件下连续射流和低压大流量自激吸气式脉冲射流冲蚀效果,利用自行研制的射流冲蚀系统进行了射流冲蚀石蜡效果试验研究,得到不同淹没水深下射流打击力、吸气量、石蜡冲蚀深度、石蜡冲蚀体积和石蜡冲蚀表面积等.结果表明:在不同淹没水深下,连续射流打击力大于吸气脉冲射流,而吸气脉冲射流打击力又大于不吸气脉冲射流打击力,且随着水深的增大,自吸气与不吸气之间脉冲射流打击力差值越来越小;当淹没水深较小时(≤30 m),由于气体对石蜡剥蚀作用较强,连续射流冲蚀深度小于吸气脉冲射流,而当水深较大时(≥40 m),由于吸气量变小,剥蚀作用减弱,冲蚀深度则相反;在冲蚀面积和体积上,在各种淹没水深下吸气脉冲射流冲蚀效果均好于连续射流,且随着水深的增加,两种射流的冲蚀面积和体积逐渐变小,差值也越来越小.

自激脉冲射流装置参数对性能影响试验研究

为了研究结构参数和运行参数对自激脉冲射流装置性能的影响,利用自行研制试验系统对自激脉冲射流装置结构参数和运行参数进行了大量的试验研究,得到了在上喷嘴直径12 mm和腔径120 mm的情况下,下喷嘴直径、腔长和工作压力对脉冲射流打击力和脉冲效果的影响。试验结果分析表明,对于不同的下喷嘴直径,在各个工作压力下,腔长变化对打击力的影响是不同的;当下喷嘴直径一定时,存在着获得脉冲效果的最佳腔长和工作压力范围;随着下喷嘴直径的增大,最佳腔长范围有逐渐增大的趋势。

自激脉冲射流喷嘴参数对装置能耗影响分析

为揭示喷嘴各参数变化对低压大流量自激振荡脉冲射流装置能耗的影响,本文借助数值模拟的方式,对自激振荡脉冲射流喷嘴的能耗问题进行了探讨,根据各结构参数和运行参数变化对腔内速度矢量场、腔内空化区形状即压力场、以及脉冲射流频率影响的分析结果,得到了如下论断:在合适的工况下,上喷嘴入口速度的降低将同比例降低下喷嘴出口的能量输出,上喷嘴压力提高与下喷嘴射流动能的增加成三倍关系.经过与试验结果对照,验证了这一结论,这一结果对于优化设计自激振荡脉冲射流喷嘴,指导自激喷嘴工业化设计具有重要的价值.

纳米胶体自激脉冲空化射流抛光技术

为了满足光学复杂曲面的精密、高效加工,提出一种利用空化效应促进射流加工效率的光学表面加工方法——纳米胶体自激脉冲空化射流抛光,并研制了加工系统。采用流体动力学对纳米胶体自激脉冲空化射流抛光中的喷射过程进行了仿真,获得了周期为0.3s的自激脉冲射流典型时刻下加工流场的流体动、静压力、速度、空化效应分布规律。进行了纳米胶体自激脉冲空化射流抛光试验,结果表明该系统能够产生效果良好的自激脉冲空化射流。采用该方法对单晶硅表面进行加工可以得到表面粗糙度为Ra0.904nm(Rms1.225nm)的超光滑表面,此加工表面粗糙度质量与相同加工条件下的普通纳米胶体射流抛光相当,但其加工效率较普通纳米胶体射流抛光能够提升20%左右,能够满足光学表面高效精密加工的需要。

自激脉冲空化喷嘴三维非稳态流动的数值模拟

选择RNG k-ε、Realizable k-ε、标准k-ω和SST k-ω这4种湍流模型,对低压自激脉冲空化射流喷嘴内部流场进行数值模拟研究,验证其对脉冲空化喷嘴内部三维非定常流场模拟的适定性,研究表明RNG k-ε模型的模拟精度高且易收敛,网格无关性验证和时间步长分析说明应尽量减少时间步长.基于三维非稳态空化模型,考虑重力因素,对喷嘴腔室内部流场进行了数值分析,通过压力、速度、水蒸气体积分数和温度的分布云图,分析了1个周期内腔室内部空化初生、能量集中和释放的演变过程,解释了空化射流的产生机理,与试验结果对比,验证了腔室内部流场演变的正确性,考虑重力因素,进行喷嘴内部流场三维模拟更加符合工程实际.

自激脉冲喷嘴结构参数对涡环影响的数值分析

要使自激脉冲喷嘴产生良好的激振,影响自激腔内涡环结构的喷嘴腔体直径、腔体长度、上喷嘴直径、下喷嘴直径、碰撞壁中心角等参数必须相互配合.采用无量纲量,针对3种腔径、5种腔长、4种下喷嘴直径和1种上喷嘴直径配合而成的多种工况进行交叉数值分析.通过对数值模拟结果的分析,给出自激喷嘴结构参数的最优数值配比.

低压大流量自激脉冲清洗喷嘴内部气液两相流数值模拟

对自激脉冲发生的物理过程进行分析,采用气液双流体理论,考虑圆孔射流的轴对称性,耦合振荡腔内的空化模式,建立二维非定常气液双流体模型的控制方程.采用气液两相流SIMPLE解法,对低压大流量自激脉冲清洗喷嘴内部气液两相流进行数值模拟,追踪振荡腔内空化的演变过程,解释低压大流量自激脉冲射流的发生机理.

水下自激脉冲射流装置流场的数值模拟及试验研究

利用自行研制的淹没射流试验平台进行水下自激脉冲射流试验,得到水下自激脉冲射流驻点压力的径向和轴向分布,通过建立相应的物理模型和数学模型,对水下自激脉冲射流内外流场进行了数值模拟,得到装置内、外流场的压力和速度分布,并对计算结果进行试验验证.结果表明:自激脉冲射流在非淹没条件下,有明显的低频脉冲发生,而在淹没条件下,部分射流能量消耗在淹没水流中,以致在腔室内难以形成空化,没有产生明显的脉冲,且驻点压力大幅度减小;不同水深的径向压力分布曲线基本是相同的,近似服从高斯正态分布;轴向驻点压力均随靶距的增大而减小,其衰减特性与连续射流及非淹没情况相似,只是其在有围压情况下衰减速度更快;水下自激脉冲射流装置的内部流场存在轴心主射流低压区、两个对称的负压区、碰撞高压区,并在靠近碰撞体的腔体处产生漩涡,其外流场和冲击射流流场相似,但不存在射流核心区.

自激脉冲空化射流装置的冲蚀效果

运用正交实验方法,研究了自激脉冲空化水射流喷嘴装置的结构参数(腔室直径和下游喷嘴长度)对冲蚀效果的影响。在此基础上作者选用较优参数组合的自激喷嘴装置与传统用13°锥角喷嘴进行了对比冲蚀实验,研究了自激脉冲空化水射流的体积冲蚀速度随靶距和泵压的变化规律。

自激脉冲射流喷嘴参数对装置能耗的影响分析

为揭示喷嘴各参数变化对低压大流量自激振荡脉冲射流装置能耗的影响,借助数值模拟的方式,对自激振荡脉冲射流喷嘴的能耗问题进行了探讨,根据各结构参数和运行参数变化对腔内速度矢量场、腔内空化区形状(压力场)以及脉冲射流频率影响的分析结果,得到了如下论断,在合适的工况下,上喷嘴入口速度的降低将同比例降低下喷嘴出口的能量输出,上喷嘴压力提高与下喷嘴射流动能的增加成3倍关系。经过与试验结果对照,验证了这一结论,这一结果对于优化设计自激振荡脉冲射流喷嘴,指导自激喷嘴工业化设计具有重要的价值。

结构参数对水下自激脉冲射流装置性能的影响

在自激脉冲射流装置非淹没试验研究的基础上,对自激脉冲射流装置应用于水下淤泥处理进行了淹没工况(淹没水深0.5 m)试验研究,分析了下喷嘴直径、腔径、腔长及下喷嘴长度对装置性能的影响规律。研究表明:在淹没条件下,对上喷嘴直径一定时的某一工况,存在最优下喷嘴直径、最优腔长及最优腔径使装置性能最佳;最优下喷嘴长度与非淹没情况相同。

用自适应粒子群算法求解自激脉冲喷嘴结构参数模型

提出了用自适应粒子群优化算法求解自激脉冲喷嘴结构参数模型,以打击力输出最大为优化目标,对其喷嘴结构参数进行优化。通过试验验证了模型和算法的性能,给出了较为精确的模型和边界约束条件。试验结果表明:所建模型是合理的,自适应粒子群优化算法求解结果与试验结果能够较好地吻合,解决了自激脉冲喷嘴设计和制造边界条件不易定性表达的问题。

结构参数和运行参数对自激脉冲射流装置性能的影响试验

为了研究结构参数和运行参数对自激脉冲射流装置性能的影响,运用自行研制的试验系统对自激脉冲射流装置进行大量的试验,在上喷嘴直径为8 mm和腔径为95 mm的试验条件下,分析下喷嘴直径、腔长和工作压力的变化对脉冲射流打击力和脉冲效果的影响。试验结果表明:不同的下喷嘴直径、腔长和工作压力对脉冲射流打击力的影响是不同的;每种下喷嘴直径都存在着获得最佳脉冲效果的合适腔长和工作压力范围;随着下喷嘴直径的增大,最佳腔长和工作压力范围也有所增大。

运行参数对自激脉冲射流装置性能影响的试验研究

运用自行研制的自激脉冲射流装置就其运行参数对装置性能的影响进行了试验研究。在自激脉冲射流装置结构参数一定的情况下,分析了工作压力、工作流速、靶距等运行参数与脉冲射流装置性能之间的关系,初步得出自激脉冲射流装置的最佳运行参数范围,为工程应用提供了依据。

井下自激脉冲射流增能装置设计及其射流冲击特性

利用流体附壁效应,结合涡流能量转向冲击和反馈通道强制转向原理,研制出一种新型井下自激脉冲射流增能装置.采用控制变量法对装置的结构参数进行数值模拟,分析了不同结构和运行参数下脉冲射流的冲击特性,并制作样机,进行室内试验.研究结果表明:进出口直径比为0.71~1.18时,形成的脉冲效果良好,随着进出口直径比的增大,脉冲频率呈增大趋势,脉动压力振幅则呈现下降趋势,最大压力振幅为10.20 MPa;随着分流板喷距的增大,脉冲频率呈先增大后减小趋势,脉动压力振幅呈先减小后增大趋势;随着反馈通道截面比的增加,脉冲频率逐渐增大,而脉动压力振幅基本保持不变;涡流换向圆直径的变化对脉冲频率和脉动压力振幅影响较小;脉冲频率随来流雷诺数的增大而增大,雷诺数大于3.56×10^(5)时频率基本不再增大,但脉动压力振幅随来流雷诺数的增大而不断增大.

自激脉冲射流装置的压力特性分析

利用自行研制的试验系统对自激脉冲射流装置压力特性和打击力进行了试验研究,探讨了腔长和工作压力对射流打击力和脉冲效果的影响,研究了自激脉冲射流装置腔壁不同部位的压力变化特点和打击力变化特点。试验结果表明,当腔长较小时,装置在各个工作压力条件下均没有脉冲效果,随着腔长逐渐变大,逐渐产生脉冲效果,并在一定的工作压力范围内取得最佳脉冲效果;在射流核二侧形成的漩涡型空化气囊,是产生脉冲射流根本原因;当脉冲效果较好时,装置腔壁不同部位的压力与打击力变化呈现明显的周期性,但装置不同部位压力和打击力之间的变化周期并不同步。