本文關(guān)鍵詞：旋轉(zhuǎn)磨料射流噴嘴流場(chǎng)數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究

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【摘要】：旋轉(zhuǎn)磨料射流是通過(guò)把磨料和水的混合流調(diào)和成旋轉(zhuǎn)流動(dòng)狀態(tài)的一種射流形式。該射流充分結(jié)合了旋轉(zhuǎn)射流和磨料射流在工業(yè)應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì),克服固有的缺陷。在巖石破碎方面可以降低能量消耗,加入磨料后利用磨料具備的高硬度和動(dòng)能,在短時(shí)間內(nèi)可以達(dá)到較好的破巖效果。隨著旋轉(zhuǎn)磨料射流技術(shù)不斷完善和發(fā)展,該射流逐漸在工業(yè)的眾多領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。本文是在基于流體旋轉(zhuǎn)流動(dòng)理論和多相流動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)上,對(duì)旋轉(zhuǎn)磨料射流的流動(dòng)規(guī)律和破巖特性進(jìn)行研究。針對(duì)目前采用導(dǎo)向元件產(chǎn)生旋流在工程領(lǐng)域應(yīng)用中所出現(xiàn)的問(wèn)題,并根據(jù)切向注入式產(chǎn)生旋流的原理提出適合磨料均勻流動(dòng)的新型混合式旋轉(zhuǎn)磨料射流噴嘴,該噴嘴結(jié)構(gòu)主要由內(nèi)、外腔和切向、垂直入流通道以及收縮腔構(gòu)成,外腔負(fù)責(zé)引來(lái)流順利進(jìn)入切向通道并在旋轉(zhuǎn)腔產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng),垂直入流可以增強(qiáng)軸向沖擊作用�；谟�(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件FLUENT對(duì)旋轉(zhuǎn)磨料射流噴嘴的內(nèi)外流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬,首先分析旋轉(zhuǎn)和普通磨料射流在淹沒(méi)和非淹沒(méi)狀態(tài)下的射流特點(diǎn),結(jié)果表明:磨料速度距噴嘴出口3m 處達(dá)到最大,非淹沒(méi)射流條件下形成擴(kuò)散角比淹沒(méi)射流增加25%,旋轉(zhuǎn)磨料射流擴(kuò)散角比直磨料射流增加20%。其次研究了旋轉(zhuǎn)磨料射流噴嘴內(nèi)外流場(chǎng)流動(dòng)特性,結(jié)果表明:旋轉(zhuǎn)磨料射流發(fā)展分為六個(gè)階段,增加入口壓力,在增大水和磨料顆粒速度同時(shí)可減小顆粒與水的速度差。然后得到了,流場(chǎng)內(nèi)外磨料速度分布規(guī)律和衰減規(guī)律,流場(chǎng)中心面沿徑向方向磨料體積分?jǐn)?shù)呈"V"分布,外流場(chǎng)磨料體積分?jǐn)?shù)分布與噴距有關(guān),隨著入口磨料體積分?jǐn)?shù)增大出口磨料體積分?jǐn)?shù)增大,隨著磨料粒徑的增大磨料出口的體積分?jǐn)?shù)先增大后緩慢減小,最大增幅為65.5%。最后分析了不同入射角度對(duì)井底沖擊壓強(qiáng)特性和分布規(guī)律的影響,結(jié)果表明:在0°峰值達(dá)到最大,在20～50°時(shí)壓強(qiáng)峰值偏離射流中心且過(guò)度下降。采用正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法對(duì)旋轉(zhuǎn)磨料射流噴嘴結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,對(duì)比分析了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)噴嘴工作性能的影響,得到內(nèi)外腔半徑、內(nèi)腔長(zhǎng)、收縮錐角、直道長(zhǎng)、以及直柱長(zhǎng)最優(yōu)的尺寸參數(shù)分別為12mm、5mm、30mm、60°、4mm和6mm,且3切向入流通道噴嘴結(jié)構(gòu)為最優(yōu)。采用實(shí)驗(yàn)研究的方法分析了收縮錐角、直道長(zhǎng)和直柱長(zhǎng)對(duì)井底沖擊壓強(qiáng)的影響并對(duì)比實(shí)驗(yàn)與仿真數(shù)據(jù),結(jié)果表明:仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果規(guī)律一致,存在一定的尺寸參數(shù)使沖擊壓強(qiáng)達(dá)到最大。用沖蝕實(shí)驗(yàn)研究噴嘴沖蝕時(shí)間、角度,在不同噴距下巖石種類(lèi)和噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)巖石沖蝕效果的影響,得到了:巖石沖蝕孔的基本特征,沖蝕時(shí)間對(duì)沖蝕效率的影響,存在與數(shù)值模擬相對(duì)應(yīng)的最優(yōu)尺寸參數(shù)使沖蝕效果最好,巖石傾角為10°時(shí)巖石的沖蝕體積比垂直入射增加34.6%,泥質(zhì)沙巖被沖蝕的體積量、孔徑和深度比石英砂巖分別大 12.2%～26%,5%～12.4%和 6.96%～11.4%。
【學(xué)位授予單位】：西南石油大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類(lèi)號(hào)】：TE927

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本文編號(hào)：1269822