水下空化射流清洗喷嘴流场分析及结构优化

摘要

随着海洋石油行业和海上运输业的发展,我国在海上拥有越来越多的石油平台和海上运输船只、舰艇等。当这些设备服役时间较长时,其上附着的海生物和污垢会增大设备运行的能耗并影响其运行的安全性。为了保证这些海上设备的正常运行,必须定期对其进行清洗。本文以风琴管空化射流清洗喷嘴为研究对象,完成了风琴管喷嘴的设计、喷嘴内部流场分析、喷嘴结构优化以及多喷头联合清洗结构的研究等相关工作。主要工作内容包括:
　　1)在分析常用空化清洗喷嘴的结构复杂性和空化效果的基础上,选择风琴管喷嘴作为研究对象,并利用水声学知识完成了风琴管喷嘴的设计;
　　2)基于流体建模软件 Gambit完成了风琴管喷嘴内部流场区域有限元模型的建立,基于流体分析软件Fluent完成了风琴管喷嘴内部流场空化效应的分析。分析结果表明,风琴管喷嘴具有极好的空化效果。
　　3)采用控制变量法完成了风琴管喷嘴结构优化方案的制定;基于流体分析软件Fluent,以喷嘴内部空化率最小而喷嘴出口平面的面平均空化率最大为优化目标,完成了风琴管喷嘴的结构优化,得到喷嘴在给定泵压下的最优结构尺寸。
　　4)为提高喷嘴的清洗效率,对喷嘴的排布形式对喷嘴清洗效率的影响进行了分析,提出了采用三角形排布的联合清洗结构,并完成了该清洗装置的淹没射流流场分析。分析结果表明,以三角形排布为基本组成单元的多喷头联合清洗结构能极大的提高喷头的清洗效率。
　　本文的研究内容能为淹没射流条件下空化射流清洗喷嘴的选型及优化设计提供一定的参考依据;同时,在多喷头联合清洗方面,能为喷嘴的排布方式的选择提供参考,对提高喷嘴在实际清洗过程中的清洗效率具有较大的意义。

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引言

1 绪论

1.1 研究的目的和意义

1.2 空化射流清洗国内外研究现状及发展趋势

1.3射流空化判据和空化状态相关研究

1.4 主要研究内容及研究方法

2 空化清洗喷嘴设计

2.1 空化清洗喷嘴的选型

2.2 风琴管喷嘴的设计

2.3 本章小结

3 风琴管喷嘴内部流场分析

3.1 射流流动的数学模型及空化射流基本方程

3.2 喷嘴有限元模型的建立

3.3 风琴管喷嘴射流流场分析

3.4 本章小结

4 风琴管喷嘴结构优化

4.1 风琴管喷嘴优化方案的制定

4.2 风琴管喷嘴优化计算实例

4.3 风琴管喷嘴结构优化结果分析

4.4 本章小结

5 多喷头联合清洗射流流场分析

5.1喷嘴最小壁厚计算

5.2喷头排列方式选择计算

5.3三角形排布联合清洗射流流场分析

5.4本章小结

6 总结与展望

6.1 全文总结

6.2展望

参考文献

致谢

附录：攻读工程硕士学位期间发表的部分科研成果