Jet Characteristics and Optimization of a Cavitation Nozzle for Hydraulic Fracturing Applications

Hydraulic jetting is a form of fracturing that involves using a high-pressure jet of water to create fractures in the reservoir rock with a nozzle serving as the central component of the hydraulic sandblasting perforation tool.In this study,the flow behavior of the nozzle is simulated numerically in the framework of a SST k-ωturbulence model.The results show that the nozzle structure can significantly influence the jet performance and related cavitation effect.Through orthogonal experiments,the nozzle geometric parameters are optimized,and the following configuration is found accordingly:contraction angle 20°,contraction segment length 6 mm,cylindrical segment diameter 6 mm,cylindrical segment length 12 mm,spread segment length 10 mm,and spread angle 55°.

双摆线针齿传动齿廓特性与啮合特性分析

将双摆线齿廓运用到NN型少齿差行星齿轮传动领域,通过分析内外摆线轮齿廓的凹凸性、曲率和曲率半径,获得了内、外摆线齿廓的特性;通过图解法推导双摆线针齿传动中内、外摆线轮的压力角计算公式,获得了啮合过程压力角变化规律,以及双摆线针齿主要参数对于内、外摆线轮压力角的影响;通过对等距修形和移距修形进行研究,表明齿廓修形对齿形有明显影响。

新型双盘磁齿整流发电机结构及运行特性

为了实现波浪能的采集与高效转换,加快波浪能开发利用,提出一种新型双盘磁齿整流发电机(double disk magnetic tooth rectifier generator,DDMTRG)。首先,介绍发电机的结构特点和整流原理,结合盘式转子和磁齿轮工作特点分析其结构参数;其次,采用气隙比磁导法及有限元仿真分析该发电机的空载电磁特性和负载输出特性;第三,基于矩角特性分析磁齿轮的带载能力,由外定子各典型位置磁密特征解析该发电机铜耗和铁耗;最后,讨论外定子、盘式转子和磁齿轮结构参数对该发电机运行特性的影响规律。研究结果表明:该电机可将浮子的上下浮动转换为发电机单一方向的旋转运动,实现了波浪运动的整流,效率在94%左右,能量利用率较高;空载气隙磁密和电动势波形正弦性较优,计算结果基本吻合;磁齿轮结构参数对该发电机运行特性影响较大,当盘式转子外圆周永磁体极弧系数为0.6,厚度为4.5 mm,气隙长度为0.5 mm,轴向长度为100 mm,磁齿轮半径为35 mm,长度为40 mm,磁齿轮外圆周永磁体厚度为4 mm,极弧系数为0.8时,双盘磁齿整流发电机的性能较优,发电效率较高,磁齿轮带载能力较强。

攻角对超空泡射弹波浪环境入水影响研究

为获取超空泡射弹不同攻角入水时的空泡演化与运动特性变化规律,基于RANS方程、Schnerr-Sauer空化模型、k-ε湍流模型,采用重叠网格技术,针对入水速度400 m/s不变,入水攻角不同时,静水与波浪环境下的超空泡射弹入水过程开展了数值模拟研究。研究结果表明:攻角大于2°时,弹丸将在入水过程中出现尾拍现象,尾拍时尾翼划破空泡壁,会造成空泡在此区域的扩张,并对弹道稳定性产生不利影响;尾拍现象发生时,阻力系数和升力系数均会上升,且攻角越大,上升的幅值越大;在波浪环境下,弹丸入水过程中仍然会发生尾拍运动,但与静水环境相比,在尾拍发生的时间上有一定区别。攻角为正时尾拍出现的时间提前,反之则尾拍出现的时间延后。

内齿齿顶角度对灌水器水力性能和抗堵塞性能的影响分析

为探究不同三角形内齿齿顶角度对于迷宫流道灌水器的水力性能以及抗堵塞性能的影响,结合FLUENT数值模拟的方法,在梯形迷宫流道中加入三角形内齿结构,研究三角形内齿齿顶角度分别为-66.37°、-63.64°、-58.86°、-53.13°、60°、53.13°、58.86°、63.64°、66.37°(以60°为界,根据水流方向,顺时针为正,逆时针为负)的流道流速特性和堵塞成因。齿顶角为58.86°、63.64°和66.37°的低速区域相对较少;内齿齿顶角角度为60°、63.64°、66.37°流道时,涡旋区占比较大,涡旋区域位置合理;分析流道中不同粒径颗粒的运动情况,三角形内齿齿顶角角度为53.13°、58.86°、63.64°时,流道内颗粒即使出现涡旋周转运动,但滞留时间较短,运移轨迹也相对于更短,流道的抗堵塞性能提高显著。三角形齿顶角度对加内齿迷宫流道的水力性能和抗堵塞性能均有不同程度的影响,齿顶角度为63.64°的流道流速特性较好且最不易产生泥沙堵塞现象。

垂直凹壁面对称位置的空泡动力学模拟研究

直角凹壁面是水力机械过流部件中的一种常见壁面类型,而对于其附近区域内的空泡动力学行为认识还十分有限。本文采用VOF方法捕捉气液交界面进而对垂直凹壁面附近对称位置的空泡动力学行为进行研究,通过改变无量纲距离参数γ来探究不同距离下射流特征及其对壁面压力的影响。结果表明,空泡在溃灭阶段会产生两种不同方向的射流,即主射流与斜射流。主射流方向指向两垂直壁面交点,斜射流的方向随时间变化,有可能对两壁面产生影响。两种射流对壁面的压力影响与距离参数γ呈反比关系,γ越大时射流对壁面压力的影响越小。当距离较小(γ <2.5)时,需同时考虑两种射流的影响,但主射流对壁面的影响始终占据主导作用。

变螺旋纯滚动斜齿轮传动设计及啮合特性研究

基于齿轮啮合原理,研究变螺旋角纯滚动圆柱斜齿轮传动的几何设计、啮合性能和力学性能。根据齿轮啮合的运动规律,推导纯滚动斜齿轮传动的7种典型情况的设计参数方程,在此基础上从接触模式、接触应力和弯曲应力等啮合性能方面,与非标准渐开线斜齿轮进行对比。结果表明:与恒螺旋角纯滚动斜齿轮相比,变螺旋角纯滚动斜齿轮的设计方案降低了弯曲应力和接触应力;与几何修正的非标准渐开线斜齿轮传动相比,纯滚动齿轮具有良好的弯曲性能。

基于Masta的电动汽车减速器振动噪声响应特性分析

为改善减速器系统的耦合振动响应特性,运用Masta软件建立了齿轮传动系统的模型;导入差速器壳体和减速器箱体的有限元模型进行耦合,并通过NVH(Noise,Vibration,Harshness)分析得到减速器各个工况的噪声瀑布图以及减速器各个工况的噪声切片图和动态响应曲线;研究了齿轮传动系统压力角、螺旋角和齿宽3个参数对动态响应的影响规律,并进行优化设计。结果表明,优化后的减速器系统各个工况动态啮合力减小,其噪声辐射均有大幅度下降,为减速器减振降噪设计提供了一定的理论依据。

高压轴向柱塞泵配流空蚀特性的评价

分析高轴向柱塞泵的空蚀特性，提出了一种评价空蚀特性的方法，并将其用于泵的实际设计。针对实验中轴向柱塞泵出现的空蚀破坏，对轴向柱塞泵配流过程进行计算流体动力学（CFD，computational fluid dynamics）解析，得到了配流盘不同位置的速度分布和压力、速度随缸体转角的变化曲线；得出轴向柱塞泵空蚀破坏的机理——空蚀破坏不仅取决于减压槽附近的速度和压力大小，还取决于速度的方向；并且指出如果减压槽处的射流角大小在30°～65°范围内高压轴向柱塞泵就不容易产生空蚀破坏的问题。应用该方法对配流盘进行改进后，从空蚀破坏方面讲，泵的寿命延长到了原来的4倍多。

直角截止阀噪声特性分析及优化设计

针对直角截止阀振动噪声较大的实际问题,建立了某型号直角截止阀的流场结构,并利用CFD数值计算方法对其在不同开度下的压力、速度和湍流动能进行了计算。计算结果显示,直角截止阀在阀口位置具有明显的空化现象和湍流噪声,且阀口开度越小,噪声问题越明显。针对该问题,对直角截止阀的阀芯、阀座和回油腔流道结构进行了低噪声优化设计和计算分析。计算结果表明,优化后的新型直角截止阀与原阀相比,空化系数减小了10%以上、湍流噪声降低了20 d B以上,具有良好的低噪声性能。

摆线针轮行星传动机构啮合特性分析

以摆线针轮行星传动机构为对象,采用反转法建立了摆线齿廓方程,推导出针齿与摆线轮齿廓间压力角的计算公式,分析了几何参数对压力角的影响规律。在此基础上,针对该机构多齿啮合的结构特点,分析了摆线轮与单齿、多齿啮合时压力角随曲柄轴转角的变化规律,探讨了摆线轮与单齿、多齿理想啮合,以及考虑几何误差和构件弹性时机构压力角的计算方法。算例结果表明:考虑针齿实际啮合状态时计算压力角能够较精确地揭示机构的传力特性。该种计算方法可为摆线针轮行星传动机构的静力学分析及强度设计提供借鉴。

渐开线外啮合斜齿轮泵困油特性研究

基于渐开线外啮合斜齿轮泵的困油数学模型和斜齿轮副图形模型，对渐开线外啮合斜齿轮泵的困油特性进行研究。结果表明：当齿宽在23～27mm之间时，随着齿宽的增加，困油经历的角度呈一次比例关系减小，最大困油体积呈二次比例关系增大；当齿宽b=23mm时，在其困油经历的角度内，困油体积随着轮齿转过角度的增大呈抛物线规律变化；随着螺旋角的增大，困油经历的角度呈一次比例关系减小。以上得出的结论可为以后选取和设计困油特性良好的齿轮泵提供理论依据。

齿的倾角对齿盘空化器的性能影响

齿盘剪切空化器内的流场及空化过程复杂,齿间的空化行为及空化特性研究一直是该领域的难点和重点。采用Zwart空化模型对齿盘剪切空化器内空化过程进行数值模拟。结果显示,动齿后缘局部区域的空化现象是离心力与机械剪切力的交替作用的结果。齿倾角对齿间空化效果的影响较大,且改变空化泡产生位置。齿盘剪切空化器内的空化在整个盘间呈多点分布,且分布均匀,空化强度高,累积空化体积大。高速旋转的齿盘间“点阵式”空化泡的产生具有连续、稳定特性,这对人们就齿盘剪切空化机理的探索、开发设计和应用具有重要意义。

碟盘刀具上刀齿切削煤岩的载荷特性研究

为探求碟盘刀具切削煤岩载荷规律和高效破碎煤岩机构特性评价方法,采用碟盘刀具结构简化处理方法,以一个刀齿作为等效分析单元,在载荷理论模型构建中,给出了等效切削厚度的概念和算法,以数值模拟、试验和理论方法获取了刀齿切削煤岩的载荷曲线,探讨轴向振动径向切削煤岩载荷特性和对比特征。结果表明:刀齿径向切削数值模拟、试验和理论载荷随楔面角的变化规律是吻合的,验证了刀齿径向切削煤岩力学模型的正确性,其理论径向载荷与试验最大值和平均值分别减小5%和增大14%,轴向载荷均值理论与试验均值减小19.5%,轴向载荷方向呈现正负的变化,当完全楔入煤岩中,轴向载荷方向呈现由向下变为向上的变化规律。类比分析了刀齿轴向向上振动与径向复合切削,其径向载荷理论值比径向切削试验均值减少了约32%,而轴向载荷比试验均值减少了约27%。碟盘刀具轴向振动径向复合切削方法破碎煤岩特性的研究,为研制硬岩破碎机构提供技术参考。

斜流角对半浸桨叶剖面入水的水动力特性分析

为了分析自然通气状态下斜流角对半浸桨的水动力特性的机理问题,本文对无因次半径为0.7处的841-B型半浸桨的杯型剖面进行建模。通过求解RANS方程模拟杯型剖面入水过程的同时,结合标准k-ε湍流模型、流体体积方法以及重叠网格技术,建立可靠的数值方法,并在此基础上研究不同斜流角工况下半浸桨杯型剖面的水动力特性,分析了不同斜流角工况下的半浸桨杯型剖面的自由液面形式、通气腔形式、流场形式以及表面压力分布。研究结果表明:增大半浸桨杯型剖面的斜流角,会对其入水过程的通气现象起到一定的促进作用,此外,由于增大半浸桨杯型剖面的斜流角会间接增大浸深,进而使得半浸桨杯型剖面受到的横向力系数以及垂向力系数有所增大。在半浸桨的工程应用过程中,要着重考虑传动轴以及工况的改变对其斜流角的影响机理。

双圆弧齿轮啮合特性进一步研究

以往对双圆弧齿轮的啮合特性研究中没有考虑螺旋角的影响。文中对因螺旋角的不同而导致双圆弧齿轮啮合点位置关系变化进行了分类讨论,重新考虑齿轮螺旋角对双圆弧齿轮啮合系数区间划分的影响,计算了不同螺旋角时的多点啮合系数以及多对齿啮合系数,并给出了双圆弧齿轮啮合特性表。研究结果完善了双圆弧齿轮的啮合特性,并对后续多圆弧齿轮啮合特性计算提供了参考。

齿厚与螺旋角对人字齿行星轮动态特性的影响

利用多尺度法分析人字齿行星轮轮齿厚度和螺旋角对人字齿行星轮系统动态特性影响。建立人字齿行星轮的动力学模型,该模型考虑时变啮合刚度、脱齿等非线性因素。利用该模型,分析齿厚与螺旋角对人字齿行星轮动态响应影响,多尺度法与数值模拟的计算结果一致。结果表明,齿厚与螺旋角对时变啮合刚度各阶波动幅值有着周期性影响,选取适当的齿厚与螺旋角可明显降低系统各自由度振动幅值和动态传递误差。

斜轴变桨轴流泵空化特性试验

为研究单机流量为50 m^(3)/s的新型斜轴轴流泵的空化特性,基于轴流泵试验平台,针对斜轴轴流泵开展不同叶片角度条件下的能量特性及内部流动特性分析,总结了该类泵空化现象的发生规律,确定了合理的设计参数与运行参数。结果表明:叶片角度及扬程与水泵空化性能密切相关,在高扬程或超低扬程运行时,水泵空化性能较差,易产生空化;可通过变桨技术,减小水泵叶片角度,从而改善空化性能,获取更优的运行稳定性。

双相正弦激波推杆活齿传动齿形综合与啮合力特性

针对新型双相正弦激波推杆活齿传动,进行了齿形综合和啮合力特性分析。首先,根据其结构和传动原理设计了双相正弦激波器廓线,推导出该传动机构中心轮齿廓方程及其变曲率计算公式,根据中心轮齿廓曲率变化曲线得到齿廓不发生干涉的条件,分析了中心轮实际齿廓干涉的影响因素;然后,基于变形协调条件分析了推杆活齿啮合副的啮合力及其变化规律和影响因素,分别得到推杆活齿与中心轮和激波器啮合的最大啮合力;最后,研究推导出传动机构的压力角计算公式,并分析了压力角的变化规律和影响因素。结果表明,传动比是影响中心轮实际廓线干涉的主要因素,波幅值次之;波幅值是影响啮合力的主要因素,形成双正弦激波凸轮理论廓线的基础圆半径ρ0次之;而波幅值是影响压力角α1的主要因素,ρ0是影响压力角α2的主要因素。研究为该传动机构设计和性能分析提供了理论依据。

范成包络面齿侧最优前角滚刀设计

现有齿轮滚刀采用替代蜗杆,滚刀顶刃前角固定为7°,这是造成齿形误差过大的重要原因。通过对滚刀造型原理分析、解析计算,回归到滚刀本身具有的渐开线几何特征,采用范成包络面取代阿基米德螺旋面作为刀齿侧面、最优分圆前角设计滚刀,再通过优化设计参数、工艺参数等,制造出的滚刀造型精度提高10倍以上,不仅新刀刃口可以达到很高的齿形精度,重磨后仍可保持齿形精度,所采用的“径向铲磨”增大了滚刀重磨角度,滚刀使用寿命延长。