三维旋转喷射枪喷嘴的流场模拟与结构优化设计

摘要

工业油罐在长期的储存过程中，油品中的机械杂质和重油成分会因为比重差而沉积到油罐罐底。这些沉积物不仅降低了油罐的有效储存容积，而且对罐底底板造成腐蚀。我国规定每6～9年要对油罐进行清洗，三维旋转喷射枪正是在这一工业背景下产生的。三维旋转喷射枪的工作原理是由高压泵给水输送压力，通过气动马达驱动双轴传动实现喷嘴的全方位运动，由喷嘴射出水射流对油罐进行清洗。喷嘴作为喷射枪清洗机的直接执行部件，它将水流的压力能转换成高度密集的水射流，进而完成清洗油罐的目的。实验已经证实:研究出性能良好、材料适宜又与主机匹配的喷嘴，将极大地提高射流的效率。以往的大量研究重点都放在高压以及超高压小流量喷嘴的研制工作上，针对低压大流量喷嘴的研究工作相对较少，本课题正是在这一研究背景下开展的。
　　本论文首先对喷嘴射流的各个物理量进行了详细的阐述;其次利用GAMBIT软件对喷嘴的结构和内外部流场建立了几何模型、网格划分和边界定义;利用FLUENT软件从两相流人手对现有喷嘴结构的内外流场进行了仿真分析，然后将仿真得到的数据导入到ORINGE软件中，对数据进行分析总结，绘制相应的图像，并据此定性的分析了两相流流动的速度、压力与轴心位置、横向位置之间的关系，最后通过改变对喷嘴收缩角和长径比的设定，分析比较了不同的收缩角和长径比参数对喷嘴的内外部流场的影响，得出适合油罐清洗的最佳喷嘴结构参数，进而实现了对喷嘴结构的优化。这一研究成果对三维旋转喷射枪喷嘴结构的工业应用具有巨大的实用价值和经济价值。
　　本文最后总结了研究工作中的不足，并对本课题的下一步工作进行了展望。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章 绪论

1．1 选题背景和意义

1．1．1 课题的研究背景及意义

1．1．2 三维旋转喷射枪的主要结构与原理

1．2 高压水射流清洗的概述

1．3 高压水射流清洗技术的应用

1．4 国内外研究现状

1．4．1 水射流清洗技术的研究现状及发展趋势

1．4．2 喷嘴的研究现状

1．4．3 用于射流的数值模拟和试验研究的发展现状

1．5 研究的主要内容和方法

第二章 水射流及喷嘴设计的基础理论

2．1 非淹没自由水射流的概述

2．1．1 非淹没自由水射流的结构与特性

2．1．2 非淹没自由水射流的清洗机理及影响因素

2．1．3 非淹没自由水射流的基本参数

2．2 喷嘴的性能准则(criteria)

2．3 喷嘴设计

2．3．1 喷嘴的结构型式设计

2．3．2 喷嘴主要结构参数的选择

2．3．3 有关喷嘴的计算

2．4 本章小结

第三章 基于CFD的喷嘴气—液两相流数值模拟

3．1 CFD软件简介

3．2 物理模型的建立

3．3 计算网格的生成

3．3．1 网格生成软件GAMBIT简介

3．3．2 网格划分的原则

3．3．3 网格的生成

3．3．4 边界条件的设置

3．4 数值计算方法的选择

3．4．1 流体介质的数值模拟的假设

3．4．2 计算模型的控制方程

3．4．3 计算模型控制方程的离散化

3．4．4 解的收敛判据

3．5 本章小结

第四章 喷嘴结构的流场数值结果与分析

4．1 设置数值模拟计算的方法和相关参数

4．2 喷嘴内外部水射流流场数值模拟分析

4．3 本章小结

第五章 喷嘴结构的优化设计

5．1 喷射枪喷嘴结构的优化目标和方法

5．2 喷嘴结构参数对外部流场的影响

5．2．1 收缩角对外部流场喷射性能的影响

5．2．2 长径比对外部流场喷射性能的影响

5．3 喷嘴结构参数对内部流场的影响

5．3．1 收缩角对内部流场喷射性能的影响

5．3．2 长径比对内部流场喷射性能的影响

5．4 操作参数对喷射射流的影响

5．5 本章结论

5．6 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 研究工作及分析结果总结

6．2 研究展望

参考文献

致谢

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