围压下自振空化射流空化发生能力与冲蚀性能研究

发布时间：2021-01-05 02:10

　　自振空化射流利用瞬态流和水声学原理调制射流流场,诱导空化的发生,能极大的增强射流的冲蚀能力,提高破岩效果。然而,围压下自振射流流场中空化发生机制不清楚,空泡溃灭冲击材料的能量大小不明确,空化冲击的空间分布模式及影响因素有待深入研究。为此,本文通过理论计算、数值模拟和室内实验等方法,对围压下自振空化射流空化发生及冲蚀机理开展了研究,取得了以下主要成果:1.利用大涡模拟研究了围压下射流湍流场结构特征,考察了自振效应对射流剪切层涡环结构的影响规律。研究发现,自振效应能增强涡环的稳定性和拟序性,涡环中心压力降提高幅度可达38%,能有效促进围压下射流流场空化发生能力。2.以空泡动力学方程为基础,考虑空泡与周围流体的传热和传质特征,建立了围压下自振空化射流流场中空泡随外部压力动态变化的计算模型,并编译了MATLAB程序对模型进行计算求解,得到了空泡溃灭过程中温度和压力变化规律。研究结果表明:在射流速度140 m/s,围压5 MPa条件下,空泡溃灭温度的数量级为10⁴ K,溃灭压力的数量级为10⁴ MPa,空泡壁溃灭速度可达5.5个马赫数;空化强烈的冲蚀能... 

【文章来源】：中国石油大学(北京)北京市 211工程院校 教育部直属院校

【文章页数】：117 页

【学位级别】：博士

【部分图文】：

Helmholtz腔自振效应形成过程

图 1.2 （a）风琴管型自振喷嘴;（b）Helmholtz 自振喷嘴 1.2 (a) Organ pipe self-resonating nozzle; (b) Helmholtz self-resonating 为基础，李根生等设计了 12 种不同尺寸的风琴管空化喷嘴，适下的泵压和排量，如表 1.1 所示。表 1.1 风琴管自振喷嘴结构Table 1.1 Structures of Organ pipe self-resonating nozzled (mm) Ds(mm) D (mm) 4.0 26.0 10.0 4.0 26.0 8.0 4.0 26.0 12.0 4.0 26.0 14.0 4.0 26.0 10.0

心形成更大的压力降，从而诱导空化的发生。为深入分析射流场中空化程，必须对射流流场结构进行研究。以此为基础，进一步研究上游扰动结构的影响规律，从而有效评估自振效应提高空化发生能力的作用效果内外学者对射流流场的研究大部分是从剪切层演化入手进行分析。To细描述了射流剪切层涡环结构产生和发展的过程，如图 1.3 所示。流体从形成射流，射流卷吸周围流体，在射流边界形成剪切层。由于喷嘴出口的不稳定结构，并在距离喷嘴某一位置处以涡的形式卷起（roll up），形，剪切涡形成的频率对应的 Strouhal 数 Sd=0.3。这些剪切涡在向下游运移尺寸会变大，射流剪切层厚度也随着距喷嘴的距离线性增加。在射流外增长的剪切涡会卷吸静止的流体进入涡内；而在射流内侧，等速核逐渐剪切涡通过这种方式从高速射流核内获得能量，以维持流体的旋转运动周围流体的相互作用中耗散能量。剪切涡向下游运移过程中，涡之间也响，部分涡被拉伸，与周围的涡配对、融合。此后，旋涡结构变得不稳若干小涡，最终形成常规的湍流窜级。


本文编号：2957807