基于Coanda脉冲射流的D型体主动减阻控制研究

D型体是典型钝体之一,其尾缘分离流动及近尾流流动结构与其受到的气动阻力密切相关。本文结合Coanda脉冲射流及遗传算法,对D型体绕流进行主动减阻控制。实验在直流风洞中进行,基于来流速度和D型体高度H的雷诺数为1.8×104;Coanda脉冲射流布置于D型体背部上下两侧,控制参数包括射流的驱动压力、频率和占空比,以及背部上下侧射流相位差。遗传算法的目标函数为D型体时均背压,间接反映D型体所受气动阻力。研究结果表明:遗传算法能够帮助确定Coanda脉冲射流的最优控制参数组合(射流驱动压力为1.94 atm,无量纲射流频率为0.27,射流占空比为37%,上下侧射流相位差为136°),使D型体时均背压提升达61%(对应的减阻率约为23%),对应45%的控制效率;在最优控制参数下,D型体近尾流交替脱落的大尺度旋涡被破坏,脱落频率和相位差被改变。

自激振荡脉冲SC-CO_(2)射流冲击频率调制

SC-CO_(2)射流钻完井技术能保证煤层气井稳定性、提高钻井速度和破岩效率,具有广泛的应用前景。但较高的破煤能耗和复杂的系统限制了其工程推广,自激振荡脉冲SC-CO_(2)射流冲击频率和煤岩体的固有频率相同或满足相位关系,能充分发挥谐振效应,达到更好的破煤效果。喷嘴结构是影响射流冲击频率的关键,现有的自振脉冲水射流频率调制方法并不适用于SC-CO_(2)射流。为实现对SC-CO_(2)射流冲击频率的调制,采用大涡模拟研究不同喷嘴结构对自激振荡脉冲SCCO_(2)射流冲击频率的影响规律,通过权重分析得到不同喷嘴结构参数对射流冲击频率的影响程度。采用射流冲击频率测定实验及破煤实验验证喷嘴结构对射流冲击频率的影响规律以及射流冲击频率调制方法的可靠性。结果表明:振荡腔直径、振荡腔长度、碰撞壁角度是影响射流冲击频率的关键因素,可通过调节振荡腔结构实现对射流冲击频率的大幅调制,从而达到谐振效应。调节振荡腔结构使射流冲击频率与煤的固有频率形成谐振时破煤效果显著提升,且谐振倍数越小,射流破煤效果越好,能够有效提高破煤效率。当煤的固有频率是25 Hz时,设置上游和下游喷嘴出口直径为2.5、3.0 mm,调节振荡腔直径、长度、角度分别为10 mm、3 mm、120°,射流冲击频率达到25051.83 Hz,是煤体固有频率的1002.0倍,与煤的固有频率形成谐振效应,有效提高了破煤效率。

增压式脉冲水射流瞬时压力特性试验研究

射流压力特性决定其冲击能力,针对增压式脉冲水射流瞬时压力特性尚不明确这一问题,利用自行研制的增压式脉冲水射流压力采集系统开展试验,探究进水压力、进油压力及喷嘴直径等参数对增压腔压力特性的影响规律。试验结果表明:随着进水压力的提升,峰值压力不变,谷值压力同步提升,频率增大,增压比不变;随着进油压力的提升,峰值压力逐步增大,谷值压力不变,频率增大,增压比不变;随着喷嘴直径的增大,峰值压力逐步降低,谷值压力不变,频率增大,增压比逐步降低。同时,单周期瞬时压力中包含有两次主级脉动与一段次级脉动,通过调制进水压力可获取具有间断性与连续性的脉动压力特征。

脉冲射流下气力输送系统特性的数值模拟研究

使用计算流体动力学和离散单元(CFD-DEM)耦合方法,对原管道和加装射流发生器的管道进行数值模拟,通过改变空气速度、射流位置、射流速度以及射流频率,研究颗粒的运动状态。结果表明:在使用脉冲射流的时,颗粒在管道出口的动能显著增加,颗粒由原管道的底部拖曳运动转变为颗粒群悬浮运动,运输系统的能量转换率也显著提高。对管道中不同位置颗粒的波动速度进行频谱分析和连续小波变换分析,结果表明:射流可以有效调节颗粒在管道内运动的周期性,并且减缓管道内颗粒的纵向发展速度,将更多的能量转换为输送系统所需的颗粒轴向速度,进而减小气力输送系统的能耗。

脉冲驱动等离子体射流中活性粒子空间分布规律

为探究大气压脉冲驱动等离子体射流中活性粒子空间分布特性,采用同轴双环等离子体射流反应器,在外施脉冲激励驱动下,研究各活性粒子在不同电离段的特征峰相对强度沿轴向空间的变化规律。结果表明:在脉冲激励等离子体射流所有测量点位均能检测到NO、OH、N_(2)、N_(2)^(+)、He等活性粒子特征峰,其中以OH、N_(2)、N_(2)^(+)粒子所对应的发射光谱谱带及特征峰较为显著;在高压电极和接地电极之间的电场驱动电离段,活性粒子NO、OH、N_(2)的特征峰相对强度在靠近高压电极和接地电极区域较高,而在两电极中间的区域相对强度较低,不同激发能级He、N_(2)^(+)特征峰相对强度沿气流方向逐渐降低;在接地电极至反应器管口的半开放离子激发段,活性粒子NO、OH以及不同能级N_(2)、N_(2)^(+)、He特征峰的相对强度轴向分布呈现出随着气流方向逐渐降低的趋势;在反应器管口至等离子体射流末端区域的开放离子激发段,活性粒子OH、NO与不同能级He特征峰的相对强度轴向分布随气体流动方向逐渐减弱,不同能级N_(2)、N_(2)^(+)特征峰的相对强度呈现出先增后减的规律,为脉冲驱动等离子体射流能量传递过程与反应机理的深入研究提供支撑。

脉冲射流冲击混凝土的损伤演化与破碎特征研究

脉冲水射流作为一种高效、绿色的混凝土拆除方法,具有动载频率高、水垫效应弱等优点。为明晰脉冲射流冲击混凝土的损伤演化与破碎特征,本文基于SPH-FEM耦合算法,开展了脉冲射流冲击混凝土的数值模拟,分析了脉冲射流冲击下混凝土损伤场的演化特征,获得了破碎坑深度、宽度和面积的变化规律。研究结果表明:随着混凝土强度等级的增加,混凝土的整体损伤程度、破碎坑深度和面积呈逐渐减小的趋势,破碎坑深度和面积呈幂函数变化,破碎坑宽度呈线性正向相关变化;随着射流速度的增加,混凝土的整体损伤程度、破碎坑深度和面积呈逐渐增大的趋势,破碎坑深度和面积呈线性正向相关变化。破碎坑宽度随混凝土强等级的增大而增大,受射流速度影响较小。混凝土在脉冲射流冲击下,在液固接触区域均产生了“碗状”破碎坑。

增压式脉冲水射流破碎硬岩性能研究

为进一步提高脉冲水射流破岩能力,提出了一种增压式脉冲水射流发生方法,以低输入压力获取高脉动压力。为检验增压式脉冲水射流的破碎硬岩性能,搭建了增压式脉冲水射流破碎硬岩试验系统,开展破岩试验,并结合数值模拟获取的流场细节信息,分析了不同喷嘴直径、射流压力、靶距对增压式脉冲水射流破碎硬岩性能的影响规律。结果表明:增压式脉冲水射流的破碎硬岩性能随喷嘴直径增加先增大后减弱;随射流压力升高,射流轴心速度增大,但因气、液能量交换加剧导致的能量损耗增加,当前试验条件下射流压力为60 MPa时破岩效果最好;破碎体积在100 mm靶距达到峰值,而最大破碎深度对应的最优靶距为25 mm和75 mm,逐渐向喷嘴回移。研究结果对推动增压式脉冲水射流工程应用具有重要指导意义。

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。

变频二次脉冲微细电液磨料射流数控机床的改造及创新设计

【目的】变频二次脉冲微细电液磨料射流数控机床是一种全新的特种超精密微细加工数控加工万能机床,有着巨大的市场前景和经济效益,亟需扩大适用范围和应用领域。【方法】笔者融入电液束特种加工技术,增设脉冲电源,将目前的磨料射流技术中纯水与磨料混合变为碳酸钠电解液与磨料混合,改变系统加工原理,并进行了详细的技术分析,说明了改造后的技术亮点。目前,已经初步制造完成系统原理性样机一套,组装改造完成变频二次脉冲微细电液磨料射流数控机床一台,并进行了初步的加工试验。【结果】1)在使用过程中绿色环保,不会形成气体喷丸式的粉尘效应污染空气,也不会对操作者的呼吸系统造成危害;2)磨料的成分是普通的金刚砂或者棕刚砂,即普通硅酸盐,排放后不会造成对水体或土地的污染,可直接处理;3)电解液使用降解材料进行化学中和,生成无害物质后亦可直接排放处理。【结论】该数控机床应用范围更广、更灵活,不仅可以扩大普通数控机床在特种加工领域的加工范围,而且可以大幅度提高加工精度。项目的创新研发解决了工程实际问题,也填补了新时代中国高科技领域空白,具有重要价值与参考意义。

自激振荡脉冲超临界二氧化碳射流冲击频率变化规律

为了得到自激振荡脉冲超临界二氧化碳(SC-CO_(2))射流谐振破煤适用冲击频率,采用大涡模拟研究了自激振荡脉冲SC-CO_(2)射流的形成及发展过程,分析了射流频率在喷嘴内部和自由流场中的变化规律,研究了射流轴向位置和振荡腔长度对射流冲击频率的影响规律,并研制了射流冲击频率测试装置,通过实验验证了数值模拟结论。研究表明,自激振荡脉冲SC-CO_(2)射流在喷嘴内部和自由流场中的频率并不相同。在喷嘴内部,流体经扰动形成的频率相同,且喷嘴出口处射流频率与喷嘴内部频率保持一致。在自由流场中,由于CO_(2)的可压缩性,射流压力、速度等参数具有明显的波动。该特征使自激振荡脉冲SC-CO_(2)射流冲击频率随射流的发展沿轴向逐渐减小。通过改变振荡腔长度,可以改变自激振荡脉冲SC-CO_(2)射流喷嘴内部频率从而实现自由流场中射流冲击频率的调节。

“槽型”驱动板对射流脉冲喷头水力性能的影响试验研究

为改善射流脉冲喷头的径向水量分布,基于射流脉冲喷头的“双驼峰”式水量分布以及挡水板结构的特点,创新了一种“槽型”驱动板结构,并进行了正交试验,得到一种新型结构的射流脉冲喷头.发现“槽型”驱动板的各结构因素对射流脉冲喷头喷灌均匀度影响的主次顺序及最优结构为内槽倾角13°、驱动板长度16 mm、槽宽3 mm、侧驱动板倾角17°、驱动板宽度11 mm.当进口压力为0.15,0.20,0.25,0.30 MPa时,开展了“槽型”射流脉冲喷头、原射流脉冲喷头与摇臂式喷头水力性能对比试验.试验结果表明:在0.15~0.30 MPa的进口压力下,新喷头进口流量相比原喷头进口流量减小0.12~0.17 m3/h,相比摇臂式喷头进口流量减小0.07~0.16 m3/h.“槽型”射流脉冲喷头喷灌均匀度比原射流脉冲喷头提高1.25%~7.43%,比摇臂式喷头高7.84%~14.42%.综合分析表明“槽型”驱动板结构设计合理,对射流脉冲喷头的喷灌均匀性改善显著.研究可为该型国产喷头后续研发和工程应用提供理论参考与数据支撑.

自激吸气式脉冲射流装置机理的试验和理论研究

为了揭示自激吸气式脉冲射流装置的脉冲产生机理,通过试验获取了装置典型测点压力、靶心冲击压力的时间变化过程和内部水气流动图像,分析了工作压力1.4~1.8 MPa和围压0~0.15 MPa下冲击压力的平均值、脉冲频率和脉冲效果,并结合水气两相流理论研究了装置内部的水气流动结构和水气流动过程。结果表明,围压不变和工作压力越高,冲击压力平均值越大,围压0.1 MPa时,增加幅度为51%;工作压力不变和围压越高,冲击压力平均值越小,工作压力1.8 MPa时,降低幅度为63%;不同工作压力和围压的冲击压力脉冲频率变化不大,在0.5~1.0 Hz之间,但工作压力越高或围压越低,脉冲效果越好;装置内部的碰撞体附近和射流核两侧为亚声速水气流动,下喷嘴入口为超声速水气流动;装置在内部负压区域形成了泡状水气涡团,吸气量、碰撞体测点压力和冲击压力的时间变化过程与典型时间水气涡团的旋转速度和气泡直径之间具有明显的相互影响关系。

涡轮驱动式脉冲射流振动工具研制及特性测试

为了提升深部硬岩地层钻井的钻速,研制了一种涡轮驱动式脉冲射流振动工具,采用室内试验和现场实验相结合的方法,对盘阀-脉冲射流特性规律、振动载荷以及现场使用情况等进行了研究,确定了盘阀孔数、盘阀孔结构等工具结构参数。研究结果表明,转子转速与排量呈正相关增长趋势,并在600 r/min时,脉冲频率趋于稳定,且盘阀孔数为3,4,5脉冲发生机构,对应稳定后的脉冲频率为30,40,50 Hz左右;工具压耗和脉动幅值与排量呈正相关趋势,当排量为90 m^(3)/h时,工具所产生的压耗最大为0.62 MPa,最小为0.30 MPa;随盘阀孔数的增加,压耗逐渐增大,振动幅值减小,脉冲频率增大。试制了3孔盘阀式涡轮脉冲振动工具,盘阀孔采用58°圆心角扇形结构设计,其在新蓬321井现场应用试验中应用效果良好,平均机械钻速为15.29 m/h,较邻井钻速提高45.4%。研究结果可为涡轮驱动式脉冲射流振动工具的应用与推广奠定理论基础。

端壁非定常脉冲射流对高速扩压叶栅性能的影响

为探究非定常脉冲振荡射流对高速平面扩压叶栅气动性能、分离流动控制以及流场结构的影响,基于CFX数值模拟方法对平面扩压叶栅进行端壁非定常脉冲射流研究,分析射流效果随射流位置、角度和强度的变化规律。结果表明,通过角区脉冲射流可以显著提高叶栅气动性能,仅采用不足叶栅主流0.3%的射流流量,就能使叶栅出口总压损失系数降低28.66%。当射流位于吸力面侧分离起始位置稍下游时控制效果最佳;射流角度、射流强度和射流频率的最佳值分别为α=20°,C_(u)=110%和F^(+)=0.80;脉冲射流具有较好的适应性,在来流冲角i=-8°~+4°内均能降低叶栅损失。脉冲射流主要通过抑制和推迟通道涡和集中脱落涡的发展,减小其影响范围来改善叶栅内的涡系结构。

气举用脉冲进气自激振荡空气喷嘴数值模拟与试验研究

气举(气力泵)广泛应用在海洋采矿、钻孔水力开采、深水清淤等场合,越来越引起用户的重视。国内外学者对提升气举效率做了不少探索性研究,提出了脉冲进气是有效提升气举效率的途径之一,据此,提出一种亥姆霍兹式空气喷嘴,通过此喷嘴产生脉冲射流作为气举的进气方式,达到改善气举性能的目的。依据波涡理论,分析了自激振荡脉冲射流的产生机理;运用Fluent软件,对自激振荡空气喷嘴内流场进行了数值模拟,基于仿真结果进行试验研究。研究表明:结构参数和运行参数对射流特性影响显著。在入口压力为3 bar(1 bar=1×10^(5)Pa),腔长L=64 mm,频率为8 Hz情况下,压力脉动波动差值和幅值最大,产生的空气脉冲射流最显著;幅值随腔长的增大先上升后下降。数值模拟与试验结果一致。研究成果可为空气脉冲射流与气举一体化的工程应用提供参考,具有较高的工程应用价值。

射流脉冲喷头驱动板结构优化对喷头性能的影响研究

目前缺乏对射流脉冲喷头流道结构的整体优化和基于喷洒特点的驱动结构设计与研究。为解决这一问题,推动该型国产喷头产业化进程与后续系列喷头开发,对射流脉冲喷头进行了整体结构优化设计,并针对影响射流脉冲喷头转动和水量分布较大的驱动板结构进行了首创设计与试验研究,解决了驱动机构复杂,弹簧易腐蚀老化的缺陷。同时驱动板结构是影响射流脉冲喷头水力性能的关键因素之一,而当前缺少基于喷洒特点的驱动结构设计与研究,因此,采用四因素三水平水力性能试验与验证相结合的方法,提出“爪形”驱动板结构。正交试验结果表明:“爪形”驱动板各结构因素对射流脉冲喷头喷灌均匀度影响主次顺序为三角形挡板底宽、驱动板长度、驱动板倾角、驱动板宽度;最优结构为三角形挡板底宽7 mm、驱动板长度18 mm、驱动板倾角14°、驱动板宽度11 mm。

受限空间内水下爆轰燃气射流发展特性

为探索脉冲爆轰水冲压发动机水下工作时导水器内燃气射流发展特性,利用可燃气体的爆轰在水下受限空间内产生脉动气泡,对爆轰管在圆筒形受限空间内的水下爆轰燃气射流进行了数值仿真与实验验证。基于雷诺时均基本方程组与k-ε两方程模型耦合流体体积气液界面追踪方法的相输运方程建立受限空间中水下单次燃气射流流场流动模型,使用OpenFOAM中的Compressible Inter Foam求解器对受限空间中脉冲爆轰燃气射流进行数值求解。结果表明:受限空间对水下爆轰的前导激波的影响较小,前导激波幅值与自由空间相比变化不大,由爆轰燃气射流所引起的压力扰动大幅升高且持续时间明显增加,受限空间中各处压力显著高于受限空间之外;受限空间中燃气泡的脉动周期延长至60 ms左右,然而受限空间径向尺寸对燃气泡的脉动周期影响较小。可见,受限空间可提高水下爆轰管出口近场压力并延长燃气射流作用时间,研究结果对脉冲爆轰水冲压发动机推力性能提升方法研究具有重要指导作用。

附壁式空化射流解堵工具的研制

目前,在石油开采过程中,储层堵塞问题一直存在。其中,针对产层内存在物性夹层和近井带污染导致的油井产能低的问题,本文提出了一种适用于储层改造的附壁式空化射流解堵工具。解堵工具主要由上壳体、下壳体、支撑元件、侧喷射流元件和直喷射流元件等部件构成。通过SolidWorks软件,对射流元件的喷嘴深宽比、侧壁张角和劈距等结构参数进行调整优化;通过ANSYS软件,对解堵工具的脉冲射流和空化射流进行流场模拟分析;通过数值模拟分析,验证了该设计方案的合理性。结果表明,解堵工具空化射流距离随着脉冲信号而呈现周期性波动。该研究方案有望为储层解堵和油井增产提供新的设计思路。

探析海洋油田钻井中水力脉冲空化射流提速技术的应用

海洋油田钻井中水力脉冲空化射流提速技术是一种应用于钻井作业中的新技术,通过控制水流的流速和压力,并利用高速射流和空化效应来实现钻井作业中的爆破、疏通和冲刷等作用,以提高钻井效率、降低钻井成本。通过使用水力脉冲空化射流提速技术,可以有效地改善钻井环境,提高钻井速度,同时减少钻井作业过程中产生的废弃物和环境污染。因此,该技术在海洋油田钻井中具有良好的发展应用前景。

水力脉冲空化射流钻井机理与试验

在分析水力脉冲与空化射流调制机理的基础上，设计出一种新型水力脉冲与空化射流耦合的水力脉冲空化射流发生器，通过流体脉冲扰动和自振空化效应耦合，使进入钻头的常规连续流动调制成振动脉冲流动。钻头喷嘴出口形成脉冲空化射流，产生水力脉冲、空化冲蚀和局部负压效应，从而提高井底净化和辅助破岩效果。塔里木盆地6口井的现场试验结果表明，水力脉冲空化射流钻具对钻头类型、地层特性、钻井液密度、排量、动力钻具等具有良好的适用性，机械钻速提高10．1％～53．4％。水力脉冲空化射流发生器具有性能稳定、效果好、使用寿命长等特点，完全可以满足现场的需要。水力脉冲空化射流技术将为提高深井钻速提供一种切实有效的途径，具有较好的推广应用价值。