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前混合磨料射流磨料加速机理及分布规律

左伟芹  
【摘要】:前混合磨料射流广泛应用于石油天然气开采等领域,且起到了不可替代的作用。影响前混合磨料射流切割、冲蚀性能的两个关键因素分别是水介质对磨料的加速性能及磨料在射流中的分布状态。对于前混合磨料射流磨料加速机理的理论研究,目前主要存在以下两个问题:①将阻力系数视为常数;②忽略了巴西特力对磨料加速的影响。由于磨料射流具备较高的速度,传统方法无法直接测试出磨料的速度场及磨料在射流中的分布规律,从而无法验证磨料的加速机理。 本文将阻力系数作为变量且考虑了巴西特力的基础上,建立磨料加速的差分模型,并设计迭代算法进行求解,揭示前混合磨料射流中磨料加速机理;采用3DPIV技术结合自主编程设计的磨料中心识别程序测试磨料速度,对加速机理进行验证;采用非参数假设检验法分析磨料在射流中的分布规律;基于冲蚀实验,进一步验证前混合磨料射流磨料加速机理。主要研究成果如下: ①建立了磨料在高压管道及喷嘴内的运动方程和差分模型,结合迭代算法通过matlab编程得到该模型的数值解。结果表明:磨料在高压管道内受到阻力、视质量力、巴西特力的影响,其中仅阻力与加速度方向一致且在加速过程中占主要地位;磨料在喷嘴的直线段内受力情况与在高压管道内相似,在收敛段内主要受到压强梯度力、视质量力、阻力、巴西特力,作用方向均与磨料加速方向一致,且力的大小依次减小。在流量一定的条件下研究喷嘴结构对磨料加速的影响,结果表明:在一定范围内增加直线段的长度时有助于提高喷嘴出口处的磨料速度;增加收敛段的长度对于提高喷嘴出口处的磨料速度不明显;喷嘴收敛角较小时磨料加速较为平滑,喷嘴收敛角较小时,在收敛段前半段加速缓慢,收敛段后半段急剧加速,磨料与水相的速度存在较大的滑移速度,加速效果不够理想。 ②采用3DPIV非接触测试技术得出了前混合磨料射流磨料的速度场。通过实验手段测试喷嘴出口处磨料的速度,对加速机理进行了检验:借助自行编制的程序对PIV获得的图片进行处理,自动识别磨料的中心,得出磨料的速度;通过参数假设检验验证了磨料速度的理论值和实验值的一致性,表明两者无显著差异,验证了磨料加速机理的差分模型及迭代算法的合理性。 ③采用非参数假设检验法得出了前混合磨料射流中磨料的分布规律及喷嘴结构参数等对磨料分布的影响规律。借助matlab编写自动识别程序对3DPIV所拍摄的图片中的磨料进行自动识别,获得磨料中心的坐标;利用非参数假设检验法,通过P-P图及K-S检验得出磨料在与射流轴心线垂直的断面上服从正态分布,并给出对应的概率密度函数;喷嘴结构参数等对磨料分布的影响规律为:正态分布函数的标准差随着喷嘴直线段的增大而减小,随着收敛段长度的增大而减小,随着收敛角的增大而增大,对标准差影响从大到小依次为:收敛角、直线段长度、收敛段长度。 ④通过冲蚀实验,进一步验证了磨料射流中磨料加速机理,并建立了磨料侵彻过程的差分模型并给出了求解的迭代算法。


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