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中心体喷嘴射流特性的实验研究与数值计算

张峰  
【摘要】: 空化射流是一种新型水射流技术,已成功应用于煤矿开采、石油钻井、岩石切割和管道清洗等工业领域。目前在水射流中可以诱导空化现象的有3种喷嘴结构:风琴管喷嘴、角形喷嘴、中心体喷嘴。其中国内外学者主要对前两种喷嘴结构开展了大量的实验研究和数值计算工作,而对中心体喷嘴的研究较少。 本文在国家自然科学基金项目“空化射流过程中空泡尺度对空蚀机理的影响(50806031)”资助下,通过对中心体喷嘴产生的自由射流进行PDPA实验研究和数值计算,分析其能量特性;使用高速数码摄像机对淹没条件下的空化射流进行拍摄实验,并对其空化流场进行计算,分析其空化特性;在淹没条件下进行冲蚀打击对比实验,研究中心体喷嘴的打击能力,并确定最佳靶距,为液固耦合理论的进一步完善提供依据。 本文的主要研究内容和结论如下: 1.使用PDPA测试系统对在不同喷嘴进口压力下,中心体喷嘴形成的自由射流的速度、粒径及脉动速度等进行测量,并采用计算流体动力学软件Fluent中的VOF模型,对自由射流条件下的气液两相流场进行计算。实验和计算结果显示,射流核心区的轴向速度衰减很慢,在15MPa下距离喷嘴出口105mm处射流轴向平均速度仅减小0.7%,而射流的径向速度随流束的扩散而增大;自由射流过程中,大量的空气被卷裹进来形成气液混合射流,射流核心区的边界主要是水滴,在射流剪切层内湍动能和脉动速度都远大于射流中心处,能量交换剧烈,湍动能和脉动速度是衡量射流扩散和能量交换程度的主要依据;射流核心区能量比较集中,流束集束性高,液滴粒径较射流外围要大;喷嘴进口压力越大,射流速度越大,但对液滴粒径影响很小。 2.在淹没条件下使用高速数码摄像机对中心体喷嘴形成的空化射流进行拍摄实验,并对不同喷嘴进口压力下空化流场进行计算。研究表明在淹没条件下,轴向速度随喷嘴进口压力的提高而增大,但速度衰减很快;空化区域主要分为喷嘴直管段处、中心体尾部和空化舌外围三个区域,在中心体尾部出现较大的湍动能和脉动速度,有旋涡出现,可以诱发空化发生,中心体尾部既是空化发生的主要位置,也是空泡的聚集区;淹没射流的边界层主要由空气泡组成,射流内部呈现出水、空气泡和空化汽泡三相混合状态;随着喷嘴进口压力的提高,淹没射流中空泡的体积分数增大,扩散程度加大。 3.在淹没条件下对中心体喷嘴和普通喷嘴进行冲蚀破坏对比实验。研究表明:喷嘴进口压力越大、打击时间越长、靶距越小,两种喷嘴所形成的打击效果越好;当进口压力在13MPa-22MPa下,中心体喷嘴的靶距在小于20mm时,其打击效果明显优于普通喷嘴,而当中心体喷嘴的靶距大于等于30mm时,其打击效果明显逊于普通喷嘴;空泡云的长度直接决定中心体喷嘴靶距的长短及打击效果,在喷嘴进口压力为13MPa-22MPa时,其最佳靶距范围在7mm-17mm之间。


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