自振空化射流利用瞬態(tài)流和水聲學原理調(diào)制射流流場,誘導空化的發(fā)生,能極大的增強射流的沖蝕能力,提高破巖效果。然而,圍壓下自振射流流場中空化發(fā)生機制不清楚,空泡潰滅沖擊材料的能量大小不明確,空化沖擊的空間分布模式及影響因素有待深入研究。為此,本文通過理論計算、數(shù)值模擬和室內(nèi)實驗等方法,對圍壓下自振空化射流空化發(fā)生及沖蝕機理開展了研究,取得了以下主要成果:1.利用大渦模擬研究了圍壓下射流湍流場結(jié)構特征,考察了自振效應對射流剪切層渦環(huán)結(jié)構的影響規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn),自振效應能增強渦環(huán)的穩(wěn)定性和擬序性,渦環(huán)中心壓力降提高幅度可達38%,能有效促進圍壓下射流流場空化發(fā)生能力。2.以空泡動力學方程為基礎,考慮空泡與周圍流體的傳熱和傳質(zhì)特征,建立了圍壓下自振空化射流流場中空泡隨外部壓力動態(tài)變化的計算模型,并編譯了MATLAB程序?qū)δＰ瓦M行計算求解,得到了空泡潰滅過程中溫度和壓力變化規(guī)律。研究結(jié)果表明:在射流速度140 m/s,圍壓5 MPa條件下,空泡潰滅溫度的數(shù)量級為10⁴ K,潰滅壓力的數(shù)量級為10⁴ MPa,空泡壁潰滅速度可達5.5個馬赫數(shù);空化強烈的沖蝕能... 

【文章來源】：中國石油大學(北京)北京市 211工程院校 教育部直屬院校

【文章頁數(shù)】：117 頁

【學位級別】：博士

【部分圖文】：

Helmholtz腔自振效應形成過程

圖 1.2 （a）風琴管型自振噴嘴;（b）Helmholtz 自振噴嘴 1.2 (a) Organ pipe self-resonating nozzle; (b) Helmholtz self-resonating 為基礎，李根生等設計了 12 種不同尺寸的風琴管空化噴嘴，適下的泵壓和排量，如表 1.1 所示。表 1.1 風琴管自振噴嘴結(jié)構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

心形成更大的壓力降，從而誘導空化的發(fā)生。為深入分析射流場中空化程，必須對射流流場結(jié)構進行研究。以此為基礎，進一步研究上游擾動結(jié)構的影響規(guī)律，從而有效評估自振效應提高空化發(fā)生能力的作用效果內(nèi)外學者對射流流場的研究大部分是從剪切層演化入手進行分析。To細描述了射流剪切層渦環(huán)結(jié)構產(chǎn)生和發(fā)展的過程，如圖 1.3 所示。流體從形成射流，射流卷吸周圍流體，在射流邊界形成剪切層。由于噴嘴出口的不穩(wěn)定結(jié)構，并在距離噴嘴某一位置處以渦的形式卷起（roll up），形，剪切渦形成的頻率對應的 Strouhal 數(shù) Sd=0.3。這些剪切渦在向下游運移尺寸會變大，射流剪切層厚度也隨著距噴嘴的距離線性增加。在射流外增長的剪切渦會卷吸靜止的流體進入渦內(nèi)；而在射流內(nèi)側(cè)，等速核逐漸剪切渦通過這種方式從高速射流核內(nèi)獲得能量，以維持流體的旋轉(zhuǎn)運動周圍流體的相互作用中耗散能量。剪切渦向下游運移過程中，渦之間也響，部分渦被拉伸，與周圍的渦配對、融合。此后，旋渦結(jié)構變得不穩(wěn)若干小渦，最終形成常規(guī)的湍流竄級。


本文編號：2957807