旋转磨料射流喷嘴流场数值模拟与实验研究

发布时间：2017-12-09 09:07

  本文关键词：旋转磨料射流喷嘴流场数值模拟与实验研究

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【摘要】：旋转磨料射流是通过把磨料和水的混合流调和成旋转流动状态的一种射流形式。该射流充分结合了旋转射流和磨料射流在工业应用中的优势,克服固有的缺陷。在岩石破碎方面可以降低能量消耗,加入磨料后利用磨料具备的高硬度和动能,在短时间内可以达到较好的破岩效果。随着旋转磨料射流技术不断完善和发展,该射流逐渐在工业的众多领域广泛应用。本文是在基于流体旋转流动理论和多相流动力学基础上,对旋转磨料射流的流动规律和破岩特性进行研究。针对目前采用导向元件产生旋流在工程领域应用中所出现的问题,并根据切向注入式产生旋流的原理提出适合磨料均匀流动的新型混合式旋转磨料射流喷嘴,该喷嘴结构主要由内、外腔和切向、垂直入流通道以及收缩腔构成,外腔负责引来流顺利进入切向通道并在旋转腔产生转动,垂直入流可以增强轴向冲击作用。基于计算流体动力学软件FLUENT对旋转磨料射流喷嘴的内外流场进行了数值模拟,首先分析旋转和普通磨料射流在淹没和非淹没状态下的射流特点,结果表明:磨料速度距喷嘴出口3m 处达到最大,非淹没射流条件下形成扩散角比淹没射流增加25%,旋转磨料射流扩散角比直磨料射流增加20%。其次研究了旋转磨料射流喷嘴内外流场流动特性,结果表明:旋转磨料射流发展分为六个阶段,增加入口压力,在增大水和磨料颗粒速度同时可减小颗粒与水的速度差。然后得到了,流场内外磨料速度分布规律和衰减规律,流场中心面沿径向方向磨料体积分数呈"V"分布,外流场磨料体积分数分布与喷距有关,随着入口磨料体积分数增大出口磨料体积分数增大,随着磨料粒径的增大磨料出口的体积分数先增大后缓慢减小,最大增幅为65.5%。最后分析了不同入射角度对井底冲击压强特性和分布规律的影响,结果表明:在0°峰值达到最大,在20～50°时压强峰值偏离射流中心且过度下降。采用正交实验设计的方法对旋转磨料射流喷嘴结构进行优化,对比分析了不同结构参数对喷嘴工作性能的影响,得到内外腔半径、内腔长、收缩锥角、直道长、以及直柱长最优的尺寸参数分别为12mm、5mm、30mm、60°、4mm和6mm,且3切向入流通道喷嘴结构为最优。采用实验研究的方法分析了收缩锥角、直道长和直柱长对井底冲击压强的影响并对比实验与仿真数据,结果表明:仿真与实验结果规律一致,存在一定的尺寸参数使冲击压强达到最大。用冲蚀实验研究喷嘴冲蚀时间、角度,在不同喷距下岩石种类和喷嘴结构参数对岩石冲蚀效果的影响,得到了:岩石冲蚀孔的基本特征,冲蚀时间对冲蚀效率的影响,存在与数值模拟相对应的最优尺寸参数使冲蚀效果最好,岩石倾角为10°时岩石的冲蚀体积比垂直入射增加34.6%,泥质沙岩被冲蚀的体积量、孔径和深度比石英砂岩分别大 12.2%～26%,5%～12.4%和 6.96%～11.4%。
【学位授予单位】：西南石油大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TE927

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本文编号：1269822