淹没射流中磨料与空泡的相互关系研究
【摘要】：
为满足海洋资源的开发与水下切割的需要,空化水射流与磨料射流得到不断的发展。同时,含砂水流通过各种水力机械(如水泵、水轮机等)、水工建筑时存在严重的空蚀现象有待研究,固、液、气多相流动的研究也很不完善。目前国内外对淹没环境下磨料射流中磨料与空泡的相互关系的研究还处于空白。
本文从理论上系统地分析了淹没射流中磨料与空泡的相互关系,以及磨料射流的空蚀特性,实验研究了纯水空化射流和含有空泡的磨料射流的岩石破碎性能。得到以下重要结果:
①通过对空泡的运动特性研究,建立了磨料射流的空泡运动方程。在单颗粒磨料受力分析基础上,建立了磨料群的运动方程。给出了空泡溃灭历时随磨料浓度、流场压力的变化,以及给出了磨料颗粒速度分布规律。
②按微观运动理论,分析了含有空泡的磨料射流运动特性,建立了空泡、磨料、水体各相分别满足的动量方程。数值模拟和分析了淹没磨料射流的流场和压力场。得到:颗粒相速度比水相减少,颗粒相最大滞止压强较水相增加。研究了含有空泡的磨料射流的紊动特性、出流特性、和空化特性。指出,相同条件下含有空泡的磨料射流的空化数较纯水空化射流大,磨料射流的空化能力有所降低。纯水空化射流主要依靠空泡溃灭作用使靶体破坏,含有空泡的磨料射流则是磨料的磨损与空蚀两者共同作用使得靶体破坏。纯水空化射流的空泡溃灭压强略大于含有空泡的磨料射流。
③在纯水空化射流与低浓度的磨料射流中,空泡云的发育过程经历了空泡云的膨胀、压缩、再膨胀、压缩、溃灭的几个过程。纯水空化射流产生的空泡云长度随泵压增加而增加;随着围压的增加,空泡云长度存在一最优围压。低浓度的磨料射流中,空泡云长度随着泵压增加先扬后抑;随着围压增加,空泡云长度出现不稳定性。
④实验研究表明,在相同泵压时,文丘里型空化喷嘴产生的空化射流比普通收缩喷嘴具有更强的冲蚀能力,对砂岩的深度冲蚀能力平均是普通射流的2倍;质量冲蚀能力平均是普通射流的7倍;切缝直径是普通射流的2.3倍。
对于含有空泡的磨料射流,围压增加空化噪音减少,泵压增加空化噪音增加;有效靶距直径比增加,对花岗岩的冲蚀深度与冲蚀质量存在一最优有效靶距直径比;在最佳冲蚀时间下,较纯水空化射流工作效率提高2倍。随泵压的增加,对花岗岩的冲蚀质量、冲蚀深度增加;随围压的增加,冲蚀质量、冲蚀深度减少,最优围压与纯水空化射流相同。
本研究的主要创新之处在于:通过分析研究淹没状态下磨料射流中磨料与空泡的相互关系,建立了磨料射流的空泡运动方程和磨料群的运动方程;按微观运动理论建立了含有空泡的磨料射流的动量方程;给出了含有空泡的磨料射流的空化数变化规律,以及空泡溃灭压强的范围。这对含有空泡的磨料射流在深海深水中的应用奠定理论和实验基础。
【关键词】：空泡云 含有空泡的磨料射流 空蚀 冲蚀性能 【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2007
【分类号】：TG664
【DOI】：CNKI:CDMD:1.2008.042425
【目录】：
- 中文摘要3-5
- 英文摘要5-9
- 1 总论9-17
- 1.1 水射流技术与理论研究进展9-15
- 1.2 课题的提出与意义15-16
- 1.3 拟研究的问题与内容16
- 1.4 论文研究的方法16-17
- 2 淹没射流中磨料与空泡的相互作用17-55
- 2.1 淹没状态下磨料射流中的空泡运动特性分析17-28
- 2.1.1 淹没状态下磨料射流的特性分析17-18
- 2.1.2 磨料射流中空泡的膨胀、压缩18-24
- 2.1.3 磨料射流中空泡的溃灭分析24-28
- 2.2 空化射流中磨料运动特性分析28-33
- 2.2.1 单颗粒磨料在射流中的运动方程28-31
- 2.2.2 磨料群在空化射流中的运动特性31-33
- 2.3 含有空泡的磨料射流流场特性33-39
- 2.3.1 含有空泡的磨料射流运动理论分析33-36
- 2.3.2 含有空泡的磨料射流的连续性方程36
- 2.3.3 含有空泡的磨料射流的动量方程36-39
- 2.4 淹没磨料射流数值计算分析39-53
- 2.4.1 多相流模型39-41
- 2.4.2 数值计算分析41-53
- 2.5 本章主要结论53-55
- 3 淹没状态下含有空泡的磨料射流的破碎机理研究55-75
- 3.1 含有空泡的磨料射流的磨蚀作用55-56
- 3.1.1 磨料射流的磨损作用55
- 3.1.2 空化射流的空蚀作用55-56
- 3.1.3 含有空泡的磨料射流的磨蚀作用56
- 3.2 磨料射流空蚀能力分析56-66
- 3.2.1 含有空泡的磨料射流紊流特性56-60
- 3.2.2 磨料射流的过流能力分析60-63
- 3.2.3 磨料射流空蚀能力分析63-66
- 3.3 淹没状态下含有空泡的磨料射流的冲蚀特性66-69
- 3.3.1 淹没状态下纯水空化射流的冲蚀特性66-68
- 3.3.2 淹没状态下含有空泡的磨料射流的冲蚀特性68-69
- 3.4 岩石在水射流作用下的破坏特性69-73
- 3.4.1 岩石中水的力学效应69-71
- 3.4.2 岩石在水射流作用下的破坏特性分析71-73
- 3.5 本章小结73-75
- 4 淹没状态下含有空泡的磨料射流实验研究75-109
- 4.1 实验设备与测试系统75-78
- 4.1.1 实验设备75-77
- 4.1.2 测试系统77-78
- 4.2 淹没状态下纯水空化射流的实验研究78-94
- 4.2.1 淹没状态下纯水空化射流空泡云长度实验79-84
- 4.2.2 淹没状态下纯水空化射流噪音分析84-87
- 4.2.3 淹没状态下纯水空化射流岩石冲蚀实验87-94
- 4.3 淹没状态下含有空泡的磨料射流实验研究94-106
- 4.3.1 淹没磨料射流中空泡云形成94-99
- 4.3.2 淹没磨料射流中空蚀噪音分析99-102
- 4.3.3 淹没状态下含有空泡的磨料射流岩石冲蚀实验102-106
- 4.4 本章小结106-109
- 5 结论与建议109-111
- 5.1 结论109-110
- 5.2 建议110-111
- 致谢111-112
- 参考文献112-120
- 附录120-121
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