结合水下注气系统的高压水射流喷嘴的数值模拟和实验设计

摘要

我国的船体清洗市场发展前景十分广阔。作为一种新兴的船舶清洗方式，高压水射流船舶清洗技术以清洗质量好、清洗速度快、无环境污染、适用范围广等特点受到了越来越多船舶清洗企业的青睐；另外，为了减少船舶的停航损失、解决船坞不足的问题，高压水射流的水下清洗方式应运而生，该方式可以对锚泊以及停靠码头的船舶直接进行清洗。但目前我国的高压水射流在清洗水下设施的研究中存在着清洗设备成本高、有效清洗靶距范围窄的问题。
　　针对以上水下船体清刷过程中留存的问题，本文提出一种结合水下注气系统的高压水射流清洗技术。该技术可以降低射流阻力，有利于提高喷嘴在淹没环境下的有效靶距范围。
　　为此，本文做了以下研究：
　　首先，本文对高压水射流的射流特性、高压水射流清洗机理以及空化现象作了简要的阐述，这为文章在后续内容中提出并研究一种新型的清洗技术提供了理论基础。
　　其次，本文提出了一种结合水下注气系统的高压水射流清洗技术，对该技术的工作原理进行了简要概括。提出了一种结合水下注气系统的高压水射流喷嘴，并确定了有关于该喷嘴的关键的结构参数。
　　然后，本文采用Gridgen软件创建了该喷嘴及其计算域的网格，并应用CFX中的Mixture模型和SSTk-ω模型计算分析了在水深为10m的水下清洗过程中，喷嘴外环流的气液两相比对射流流场的影响。详细论述了不同气液两相比下射流速度和压力的分布特点。总的分析结果表明，增大喷嘴外环流中的气液比，可以有效地增大喷嘴的有效靶距范围，为水下清洗实际作业提供了理论依据。
　　此外，本文设计了一套结合水下注气系统的高压水射流水下模拟实验装置，使其能够模拟水下10m甚至更深的水深环境下的水下清洗过程。另外，本文对不同气液两相比下结合水下注气系统的高压水射流清洗过程进行了实验方案的设计，在实验方案设计中采用了标准冲蚀试件法。
　　最后，本文总结了喷嘴的数值模拟和清洗过程的实验设计中存在的问题后，对之后开展的研究工作提出展望。文章得出的一些结论为以后的研究和优化结合水下注气系统的高压水射流喷嘴的设计提供了理论依据。

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第1章 绪论

1.1 课题的研究背景和意义

1.2 高压水射流清洗技术的概述

1.3 高压水射流清洗技术的国内外研究现状

1.4 本课题研究的主要内容

第2章 基于CFD的不同气液比下喷嘴的数值模拟

2.1 高压水射流清洗的理论分析

2.2 CFD概述

2.3 结合水下注气系统的高压水射流喷嘴的结构设计

2.4 物理模型和数学模型的建立

2.5 离散化方法的确定

2.6 流场求解的计算

2.7 本章小结

第3章 不同气液两相比下喷嘴的仿真结果分析

3.1 网格无关性验证

3.2 不同气液两相比下喷嘴流场的速度变化分析

3.3 不同气液两相比下喷嘴流场的压力变化分析

3.4 本章小结

第4章 射流清洗模拟试验方案设计

4.1 淹没水射流清洗模拟实验装置的设计

4.2 试验方案的设计

4.3 本章小结

第5章 总结与展望

5.1 全文总结

5.2 研究展望

致谢

参考文献