自激振荡脉冲射流谐振腔流场优化及冲蚀试验研究

摘要

自激振荡脉冲射流是依靠流体在特殊设计的振荡腔中产生自激振荡，将连续射流束转变为脉冲射流束，而不需要额外的激励元件和装置，是一种新型高效的脉冲射流。自激振荡脉冲射流因其具有结构简单、安装简便、密封性好、工业作业过程无明火产生等优点而被广泛应用于开采煤层气。 本文以增加深部煤层透性为目标，采用理论分析、数值模拟和试验研究相结合的手段对自激振荡脉冲射流的性质进行研究。 首先，采用理论研究方法，分析自激振荡脉冲射流的发生机理，由发生原理得知压力扰动波的有效匹配和剪切层对涡环的放大作用是产生有效脉冲射流的关键。应用相似网络理论推导出自激振荡脉冲射流的幅频特性公式，结果表明自激振荡脉冲射流腔体结构参数和扰动波波速是影响脉冲射流频率的主要因素。 然后，在理论分析的基础上，对自激振荡脉冲射流进行数值模拟研究。采用大涡模型（LES）进行计算，通过数值模拟发现，自激振荡脉冲射流速度云图随时间的变化情况符合自激振荡脉冲射流的发生原理。在特定的参数（上喷嘴直径d1=1.2mm，下喷嘴直径d2=1.3mm，腔长L=3.0mm，腔径D=10.5mm，碰撞壁收敛角α=120Ο，下喷嘴管路长度L2=4mm）下，自激振荡腔下喷嘴出口一点速度增量最大，脉冲射流效果最好。对比自激振荡脉冲射流峰值速度和连续射流峰值速度大小，结果表明自激振荡脉冲射流峰值速度为连续射流的1.53倍。对自激振荡脉冲射流出口速度随时间变化的值进行快速傅里叶变换（FFT），得到了自激振荡脉冲射流的频率特性曲线，结果表明脉冲射流的激振频率约为27.1kHz，与理论推导得到的固有频率的值为整数倍关系，说明形成的脉冲射流激振效果较好。 最后，在理论研究和数值模拟的基础上，进行自激振荡脉冲射流冲蚀试验。通过试验发现，冲蚀试验得到的最优振荡腔腔长与数值模拟得到的最优振荡腔腔长一致，均为L=3.0mm，这说明了数值模拟的正确性。通过试验研究得到了泵压、靶距和冲蚀时间等参数对靶物冲蚀效果的影响规律，当腔长L=3.0mm，冲蚀时间t=60s，靶距s=30mm时，自激振荡脉冲射流冲蚀效果最佳。通过对比发现，自激振荡脉冲射流冲蚀靶物造成的冲蚀坑的体积和直径均大于连续射流冲蚀靶物造成的冲蚀坑的直径和体积，说明自激振荡脉冲射流的冲蚀效果强于连续射流。

目录

声明

1 绪 论

1.1 课题来源

1.2 研究背景及意义

1.3 水射流技术的发展概况

1.4 水射流开采煤层的国内外研究现状

1.5 自激振荡脉冲射流的国内外研究现状

1.6 本文的主要研究内容

2 自激振荡脉冲射流基本理论及破岩理论研究

2.1 自激振荡脉冲射流特性研究

2.2 自激振荡脉冲射流频率特性研究

2.3 自激振荡脉冲射流破岩理论研究

2.4 自激振荡脉冲射流破岩影响因素分析

2.5 本章小结

3 自激振荡脉冲射流谐振腔流场的数值模拟

3.1 数值模拟计算流程

3.2 数值模拟的控制方程

3.3 自激振荡脉冲射流的大涡模拟

3.4 计算结果及分析

3.5 自激振荡脉冲射流频率性质的研究

3.6 自激振荡脉冲射流与连续射流效果比较

3.7 本章小结

4 自激振荡脉冲射流冲蚀试验研究

4.1 试验目的和内容

4.2 自激振荡脉冲射流喷嘴的设计

4.3 试验系统和试验装置

4.4 试验方法和测量方法

4.5 实验结果及讨论

4.6 本章小结

5 总结与展望

参考文献

攻读硕士期间发表的论文及所取得的科研成果

1 发表论文和专利

2 参与课题

致谢