清水与非牛顿胍胶溶液中磨料射流冲蚀行为对比

目的分析磨料射流在清水和非牛顿胍胶溶液中颗粒运动特性的差异,揭示非牛顿流体中磨料射流颗粒在近壁面的冲蚀行为,为在非牛顿流体中建立磨料射流冲蚀模型提供依据。方法运用计算流体动力学(CFD)的方法,研究射流过程中清水和胍胶溶液的流场特性,分析流场对高速淹没射流过程中磨料颗粒运动特性的影响,包括撞击壁面的数目、速度和角度的区别。结合喷射式冲蚀实验,将实验结果与不同冲蚀模型预测的结果进行对比,优选出最佳预测模型。结果胍胶溶液的近壁面(150μm)湍流动能高于清水,流速小于清水。在近壁面处的高剪切速率区,由于胍胶溶液的剪切稀释性,导致近壁面黏度下降到3.54 mPa·s,而在远离射流冲击中心的区域,最大黏度值可达25.4 mPa·s。在射流冲击中心区域,与清水相比,胍胶溶液中颗粒撞击靶材壁面的数目更少,撞击速度与撞击角度更小。将DNV、Oka和E/CRC Zhang模型的冲蚀预测结果与颗粒在胍胶溶液中的冲蚀实验结果进行了比较,发现DNV模型对冲蚀的预测不足,Oka和E/CRC Zhang模型预测值超过了实验值,而E/CRC Zhang模型的预测结果与实验值最为接近。结论流体的剪切稀释非牛顿流变性会对射流过程中颗粒的运动产生影响,从而使材料表面出现不同的冲蚀形貌。通过对比不同冲蚀模型的预测值,发现在所涉及的实验工况以及所选择的冲蚀模型范围内,E/CRC Zhang模型是目前研究非牛顿胍胶溶液中固体颗粒冲蚀的首选模型。

基于CFD-DEM耦合方法的非牛顿磨料浆体射流特性研究

采用CFD-DEM(Computational Fluid Dynamics with Discrete Element Method),模拟了磨料射流中颗粒在清水与0.2%(以质量分数计)胍胶溶液中的运动过程,研究了颗粒的运动轨迹、颗粒在喷嘴轴线位置处的速度变化情况、流体参数对射流扩散及颗粒空间分布的影响。在喷嘴收缩段内,胍胶溶液中的颗粒加速最快;在喷嘴外,随喷射距离的增加,胍胶溶液中心射流的速度衰减较快,清水中颗粒的减速较慢。在射流中心区域,与清水相比,胍胶溶液的射流中心处的颗粒占比相对较少,分布较为分散。研究结果表明,相比清水,胍胶溶液使得颗粒速度的加速更快,颗粒冲击能量更强,辅助钻井破岩的能力更强。