中心體噴嘴射流特性的實(shí)驗(yàn)研究與數(shù)值計(jì)算.pdf

1、空化射流是一種新型水射流技術(shù)，已成功應(yīng)用于煤礦開采、石油鉆井、巖石切割和管道清洗等工業(yè)領(lǐng)域。目前在水射流中可以誘導(dǎo)空化現(xiàn)象的有3種噴嘴結(jié)構(gòu)：風(fēng)琴管噴嘴、角形噴嘴、中心體噴嘴。其中國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要對(duì)前兩種噴嘴結(jié)構(gòu)開展了大量的實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值計(jì)算工作，而對(duì)中心體噴嘴的研究較少。
　　 本文在國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“空化射流過(guò)程中空泡尺度對(duì)空蝕機(jī)理的影響(50806031)”資助下，通過(guò)對(duì)中心體噴嘴產(chǎn)生的自由射流進(jìn)行PDPA實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值計(jì)

2、算，分析其能量特性；使用高速數(shù)碼攝像機(jī)對(duì)淹沒(méi)條件下的空化射流進(jìn)行拍攝實(shí)驗(yàn)，并對(duì)其空化流場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算，分析其空化特性；在淹沒(méi)條件下進(jìn)行沖蝕打擊對(duì)比實(shí)驗(yàn)，研究中心體噴嘴的打擊能力，并確定最佳靶距，為液固耦合理論的進(jìn)一步完善提供依據(jù)。
　　 本文的主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)論如下：
　　 1.使用PDPA測(cè)試系統(tǒng)對(duì)在不同噴嘴進(jìn)口壓力下，中心體噴嘴形成的自由射流的速度、粒徑及脈動(dòng)速度等進(jìn)行測(cè)量，并采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件Fluent中的VOF

3、模型，對(duì)自由射流條件下的氣液兩相流場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算。實(shí)驗(yàn)和計(jì)算結(jié)果顯示，射流核心區(qū)的軸向速度衰減很慢，在15MPa下距離噴嘴出口105mm處射流軸向平均速度僅減小0.7％，而射流的徑向速度隨流束的擴(kuò)散而增大；自由射流過(guò)程中，大量的空氣被卷裹進(jìn)來(lái)形成氣液混合射流，射流核心區(qū)的邊界主要是水滴，在射流剪切層內(nèi)湍動(dòng)能和脈動(dòng)速度都遠(yuǎn)大于射流中心處，能量交換劇烈，湍動(dòng)能和脈動(dòng)速度是衡量射流擴(kuò)散和能量交換程度的主要依據(jù)；射流核心區(qū)能量比較集中，流束集束性高

4、，液滴粒徑較射流外圍要大；噴嘴進(jìn)口壓力越大，射流速度越大，但對(duì)液滴粒徑影響很小。
　　 2.在淹沒(méi)條件下使用高速數(shù)碼攝像機(jī)對(duì)中心體噴嘴形成的空化射流進(jìn)行拍攝實(shí)驗(yàn)，并對(duì)不同噴嘴進(jìn)口壓力下空化流場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算。研究表明在淹沒(méi)條件下，軸向速度隨噴嘴進(jìn)口壓力的提高而增大，但速度衰減很快；空化區(qū)域主要分為噴嘴直管段處、中心體尾部和空化舌外圍三個(gè)區(qū)域，在中心體尾部出現(xiàn)較大的湍動(dòng)能和脈動(dòng)速度，有旋渦出現(xiàn)，可以誘發(fā)空化發(fā)生，中心體尾部既是空化發(fā)生的

5、主要位置，也是空泡的聚集區(qū)；淹沒(méi)射流的邊界層主要由空氣泡組成，射流內(nèi)部呈現(xiàn)出水、空氣泡和空化汽泡三相混合狀態(tài)；隨著噴嘴進(jìn)口壓力的提高，淹沒(méi)射流中空泡的體積分?jǐn)?shù)增大，擴(kuò)散程度加大。
　　 3.在淹沒(méi)條件下對(duì)中心體噴嘴和普通噴嘴進(jìn)行沖蝕破壞對(duì)比實(shí)驗(yàn)。研究表明：噴嘴進(jìn)口壓力越大、打擊時(shí)間越長(zhǎng)、靶距越小，兩種噴嘴所形成的打擊效果越好；當(dāng)進(jìn)口壓力在13MPa～22MPa下，中心體噴嘴的靶距在小于20mm時(shí)，其打擊效果明顯優(yōu)于普通噴嘴，而當(dāng)