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自激振荡脉冲SC-CO_(2)射流冲击频率调制

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煤炭学报 2024年第6期49卷 2675-2690页

作者：魏建平李翔刘勇沈荷莲李海超高梦雅河南理工大学瓦斯地质与瓦斯治理国家重点实验室培育基地河南焦作454000 煤炭安全生产与清洁高效利用省部共建协同创新中心河南焦作454000

SC-CO_(2)射流钻完井技术能保证煤层气井稳定性、提高钻井速度和破岩效率,具有广泛的应用前景。但较高的破煤能耗和复杂的系统限制了其工程推广,自激振荡脉冲SC-CO_(2)射流冲击频率和煤岩体的固有频率相同或满足相位关系,能充分发挥谐... 详细信息

SC-CO_(2)射流钻完井技术能保证煤层气井稳定性、提高钻井速度和破岩效率,具有广泛的应用前景。但较高的破煤能耗和复杂的系统限制了其工程推广,自激振荡脉冲SC-CO_(2)射流冲击频率和煤岩体的固有频率相同或满足相位关系,能充分发挥谐振效应,达到更好的破煤效果。喷嘴结构是影响射流冲击频率的关键,现有的自振脉冲水射流频率调制方法并不适用于SC-CO_(2)射流。为实现对SC-CO_(2)射流冲击频率的调制,采用大涡模拟研究不同喷嘴结构对自激振荡脉冲SCCO_(2)射流冲击频率的影响规律,通过权重分析得到不同喷嘴结构参数对射流冲击频率的影响程度。采用射流冲击频率测定实验及破煤实验验证喷嘴结构对射流冲击频率的影响规律以及射流冲击频率调制方法的可靠性。结果表明:振荡腔直径、振荡腔长度、碰撞壁角度是影响射流冲击频率的关键因素,可通过调节振荡腔结构实现对射流冲击频率的大幅调制,从而达到谐振效应。调节振荡腔结构使射流冲击频率与煤的固有频率形成谐振时破煤效果显著提升,且谐振倍数越小,射流破煤效果越好,能够有效提高破煤效率。当煤的固有频率是25 Hz时,设置上游和下游喷嘴出口直径为2.5、3.0 mm,调节振荡腔直径、长度、角度分别为10 mm、3 mm、120°,射流冲击频率达到25051.83 Hz,是煤体固有频率的1002.0倍,与煤的固有频率形成谐振效应,有效提高了破煤效率。

关键词：自激振荡脉冲SC-CO_(2)射流自激振荡喷嘴冲击频率调制谐振破煤煤层气开采

自激振荡脉冲SC-CO射流冲击频率调制研究

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煤炭学报 2024年

作者：魏建平李翔刘勇沈荷莲李海超高梦雅河南理工大学瓦斯地质与瓦斯治理国家重点实验室培育基地煤炭安全生产与清洁高效利用省部共建协同创新中心

SC-CO2射流钻完井技术能保证煤层气井稳定性、提高钻井速度和破岩效率，具有广泛的应用前景。但较高的破煤能耗和复杂的系统限制了其工程推广，自激振荡脉冲SC-CO2射流冲击频率和煤岩体的固有频率相同或满足相位关系，能充分发挥谐振效... 详细信息

SC-CO2射流钻完井技术能保证煤层气井稳定性、提高钻井速度和破岩效率，具有广泛的应用前景。但较高的破煤能耗和复杂的系统限制了其工程推广，自激振荡脉冲SC-CO2射流冲击频率和煤岩体的固有频率相同或满足相位关系，能充分发挥谐振效应，达到更好的破煤效果。喷嘴结构是影响射流冲击频率的关键，现有的自振脉冲水射流频率调制方法并不适用于SC-CO2射流。为实现对SC-CO2射流冲击频率的调制，采用大涡模拟研究不同喷嘴结构对自激振荡脉冲SC-CO2射流冲击频率的影响规律，通过权重分析得到不同喷嘴结构参数对射流冲击频率的影响程度。采用射流冲击频率测定实验及破煤实验验证喷嘴结构对射流冲击频率的影响规律以及射流冲击频率调制方法的可靠性。结果表明：振荡腔直径、振荡腔长度、碰撞壁角度是影响射流冲击频率的关键因素，可通过调节振荡腔结构实现对射流冲击频率的大幅调制，从而达到谐振效应。调节振荡腔结构使射流冲击频率与煤的固有频率形成谐振时破煤效果显著提升，且谐振倍数越小，射流破煤效果越好，能够有效提高破煤效率。当煤的固有频率是25Hz时，设置上游和下游喷嘴出口直径为2.5mm、3mm，调节振荡腔直径、长度、角度分别为10mm、3mm、120°，射流冲击频率达到25051.83Hz，是煤体固有频率的1002.0倍，与煤的固有频率形成谐振效应，有效提高了破煤效率。

关键词：自激振荡脉冲SC-CO 射流自激振荡喷嘴冲击频率调制谐振破煤煤层气开采

基于多目标粒子群算法的自激振荡脉冲喷嘴结构优化

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煤矿机械 2022年第4期43卷 114-116页

作者：吴瑞志杨帆裴康超潘越河北峰煤焦化有限公司河北邯郸056202 河北工程大学河北邯郸056038

基于流体网络理论建立了自激振荡脉冲喷嘴的等效网络模型,并且基于多目标粒子群算法优化了自激振荡脉冲喷嘴的结构参数。优化结果表明,自激振荡脉冲喷嘴的固有频率及其振幅存在互斥关系,固有频率的增大会导致其振幅降低;当脉冲喷嘴的频... 详细信息

基于流体网络理论建立了自激振荡脉冲喷嘴的等效网络模型,并且基于多目标粒子群算法优化了自激振荡脉冲喷嘴的结构参数。优化结果表明,自激振荡脉冲喷嘴的固有频率及其振幅存在互斥关系,固有频率的增大会导致其振幅降低;当脉冲喷嘴的频率最优时,其固有频率相对于其原有喷嘴上升了33.33%,其振幅略有下降;当脉冲喷嘴的振幅最优时,其固有振幅上升了17.42%,频率略有下降。

关键词：自激振荡喷嘴结构参数固有频率振幅粒子群算法

单/双腔室自激振荡喷嘴质量传输特性的数值及实验研究

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单/双腔室自激振荡喷嘴质量传输特性的数值及实验研究

作者：李夏青北京工业大学

学位级别：硕士

高压水射流被广泛应用在切割、消防工程、钻孔、清洁等领域,随着工况压力的日益提高,对管线和高压水泵等设备的要求也越来越苛刻,导致生产成本急剧增加。而自激振荡喷嘴因其自激振荡产生脉冲射流的特性,使这种喷嘴具备了在低工况条件下... 详细信息

高压水射流被广泛应用在切割、消防工程、钻孔、清洁等领域,随着工况压力的日益提高,对管线和高压水泵等设备的要求也越来越苛刻,导致生产成本急剧增加。而自激振荡喷嘴因其自激振荡产生脉冲射流的特性,使这种喷嘴具备了在低工况条件下达到高工况效果的潜质,因此开展对自激振荡喷嘴的研究工作极具学术价值和市场应用价值。由于自激振荡喷嘴内部的湍流流场极其复杂,自激振荡脉冲射流机理仍处于不断完善的阶段,致使自激振荡喷嘴的应用深度和广度受到了极大的限制。为此本文把自激振荡喷嘴作为研究对象,采用CFD数值仿真与实验相结合的手段,着重开展了喷嘴结构优化设计、脉冲射流产生效果评估、喷嘴内部的空化特性分析等三方面的研究工作。具体研究工作如下:(1)分析了目前国内外脉冲射流产生方法的研究进展,高度概括了自激振荡喷嘴的国内外研究现状,重点提出了通过设计新型串联式双腔室自激振荡喷嘴以提高脉冲射流产生效果的解决方案,阐述了本文的关键技术问题和主要研究内容。(2)建立了自激振荡喷嘴脉冲射流效果评价体系,借助FLUENT完成了单腔室自激振荡喷嘴内部流场及外部流场的数值仿真,分析了喷嘴腔室内流场特性,找到了产生脉冲射流的直接原因,并找到了单腔室喷嘴的最优化结构配比。同时建立了单腔室自激振荡喷嘴的流体网络模型,推导了喷嘴射流频率方程和压力扰动波波速方程,完成了喷嘴的幅频特性分析。(3)在单腔室自激振荡喷嘴的研究基础之上,首先利用脉冲射流产生效果评价体系论证设计串联式双腔室自激振荡喷嘴的可行性。然后运用FLUENT软件对双腔室自激振荡喷嘴进行了内、外部流场仿真,研究了喷嘴的内部流场特性,确定了双腔室结构喷嘴的合理参数配比范围。同时建立了双腔室自激振荡喷嘴的流体网络模型,利用MATLAB对比分析了单、双腔室结构喷嘴的幅频特性。通过综合分析发现:双腔室自激振荡喷嘴可有效产生脉冲射流,运行工况参数性能指标均优于单腔室结构。(4)研究了自激振荡喷嘴内的空化效应的产生机理及影响因素,着重分析了自激振荡喷嘴腔室内部和出口管流道内“空化气囊”产生条件及发育特点,针对出口管流道内的空化特性,提出了能有效抑制出口管流道内空化效应的结构优化方法。(5)开展了自激振荡喷嘴的外流场数值模拟及实验研究工作,证明了本文数值模拟及喷嘴结构优化设计的合理性。最后,对本文的研究工作进行了总结,并指出了进一步的研究方向。

关键词：自激振荡喷嘴脉冲射流结构优化设计数值仿真空化效应

矿用降尘自激振荡喷嘴腔体直径仿真和实验优化

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煤炭技术 2018年第3期37卷 261-263页

作者：侯腾彦太原理工大学现代科技学院太原030024

针对影响自激振荡喷嘴的关键参数,分别利用流体动力学软件仿真和实验测试研究了自激振荡喷嘴内外流场。结果表明:在贴近喷嘴两侧壁面处及碰撞壁处会产生涡旋,涡旋的存在可以基本充满整个喷嘴内部腔体,使喷嘴内部湍流扰动得到加强。腔体... 详细信息

针对影响自激振荡喷嘴的关键参数,分别利用流体动力学软件仿真和实验测试研究了自激振荡喷嘴内外流场。结果表明:在贴近喷嘴两侧壁面处及碰撞壁处会产生涡旋,涡旋的存在可以基本充满整个喷嘴内部腔体,使喷嘴内部湍流扰动得到加强。腔体直径准15 mm喷嘴内部扰动达到最强。雾化粒度D_(50)随着射流水压的增加均表现出减小的变化规律。雾化粒度D_(50)随喷嘴腔体直径的增加表现出单调减小的变化规律。综合考虑选取喷嘴腔体直径准15 mm是较为优的选择。

关键词：自激振荡喷嘴腔体直径仿真实验

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基于VOF模型的自激振荡型喷嘴CFD仿真

机电工程技术 2012年第2期41卷 21-22页

作者：张正付王俊伟鲍峰厦门大学物理与机电工程学院福建厦门361005

普通喷嘴喷出的水柱是直线型的,在普通喷嘴中加入倒U型和三角形结构,就能够使得喷嘴喷出来的水柱呈现振荡形式。利用多相流VOF(Volume of Fluid)模型模拟内建振荡结构的喷嘴的喷射流动过程,CFD仿真结果显示,喷嘴喷射的水柱呈现上下摆动... 详细信息

普通喷嘴喷出的水柱是直线型的,在普通喷嘴中加入倒U型和三角形结构,就能够使得喷嘴喷出来的水柱呈现振荡形式。利用多相流VOF(Volume of Fluid)模型模拟内建振荡结构的喷嘴的喷射流动过程,CFD仿真结果显示,喷嘴喷射的水柱呈现上下摆动的状态,和真实情况相吻合。

关键词：自激振荡喷嘴 VOF模型多相流

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薄膜自激拍打射流的流动特性实验

气体物理 2023年第2期8卷 81-90页

作者：梁效陈浩朱传庆徐敏义大连海事大学轮机工程学院辽宁大连116026

在射流喷嘴出口处安装一端固定的柔性薄膜,在流速足够大时,射流和柔性膜相互诱导产生自激拍打作用,针对这一现象,提出了一种新型的自激拍打射流混合技术。在直径D=40 mm的渐缩喷嘴上固定长度L=(0.5~2)D和厚度δ=50μm的氟化乙烯丙烯共聚... 详细信息

在射流喷嘴出口处安装一端固定的柔性薄膜,在流速足够大时,射流和柔性膜相互诱导产生自激拍打作用,针对这一现象,提出了一种新型的自激拍打射流混合技术。在直径D=40 mm的渐缩喷嘴上固定长度L=(0.5~2)D和厚度δ=50μm的氟化乙烯丙烯共聚物(fluorinated ethylene propylene,FEP)薄膜,使用压差计测量了光滑渐缩喷嘴以及薄膜拍打运动所引起的压力损失。通过激光片光源和高速相机进行薄膜运动状态的显示和拍打幅度的测定,探究了拍打幅度受薄膜长度和Re的影响及其变化规律,利用测得的拍打幅度(A)和频率(f)作为Strouhal数(St=fA/U_(o),U_(o)是射流的出口速度)的特征尺寸进行研究。在Re=3×10^(4)的条件下,使用热线风速仪测量了在不同薄膜长度下拍打射流轴向速度沿中心线的分布,并对湍流度、概率密度函数等特征进行分析。此外,经过数字迭代滤波后获得射流沿中心线的积分尺度、Taylor尺度和Kolmogorov尺度等统计量。实验结果显示,拍打射流的湍流度高于自由射流,意味着前者对周围流体具有更强的大尺度卷吸能力;但对不同薄膜长度的拍打射流而言,其湍流特性存在差异;在实验所用的薄膜长度范围内,1.25 D膜长时射流混合效果最好。通过考察概率密度函数及其偏斜因子(Su)和平坦因子(Fu)发现,相较于自由射流,拍打射流速度更快地接近Gauss分布,这意味着拍打射流在增强大尺度卷吸的同时也促进了小尺度的掺混。

关键词：薄膜拍打拍打射流自激振荡喷嘴湍流混合