自激振荡脉冲射流喷嘴装置系统频率特性理论研究

根据相似系统原理和流体网络理论建立了自激振荡脉冲射流喷嘴装置的等效网络模型,利用系统传递函数推导了系统频率特性方程并进行了数值计算。结果表明:喷嘴装置的固有频率主要由喷嘴形状、结构参数、入口流速、射流中压力扰动波波速决定;自激振荡腔腔径、自激振荡腔腔长、上喷嘴直径、下喷嘴直径都对系统频率特性影响很大。提出了相应的自激振荡脉冲射流喷嘴设计准则,即喷嘴装置在最佳阻尼比下产生谐波共振。     

零重力条件下低温射流抑制大尺寸液氢储罐热分层的数值研究

液氢是一种常用的沸点低、易蒸发的空间低温推进剂. 空间微重力环境中浮力对流被极大减弱,当推进剂储罐壁面存在局部漏热时,储罐内部气液两相流体系会出现环绕漏热源的热分层现象,引起局部过热沸腾,导致储罐内部压力急剧增大,危害系统结构安全. 利用低温射流抑制储罐热分层现象是一种有效手段. 低温流体通过设置在储罐内部的射流喷嘴与储罐内部的流体混合,消减局部高温,实现温度的均匀化. 采用全充满的二维大尺寸储罐模型,对零重力条件下液氢储罐内局部漏热引起的热分层现象开展了数值模拟,主要分析了位于靠近储罐底部的漏热带以及出口衔接段漏热带漏热形成的局部热分层现象的抑制和消除,并研究了不同低温射流条件对于消除零重力条件下液氢储罐内部热分层效果的影响. 研究结果表明对于大尺寸储罐,当采用圆形射流喷嘴且低温射流条件相同时,射流喷嘴的位置对罐体内部热分层消除效果影响不是很明显. 当射流喷嘴位于储罐内部同一相对位置且入射流量相同时,圆形射流喷嘴因出流方向更集中,罐内流场演变更快,消除热分层比半球形射流喷嘴更有效.      

气流作用下同轴带电射流的不稳定性研究

通过对气体驱动同轴电流动聚焦的实验模型进行简化,开展了电场力和惯性力共同作用下同轴带电射流的不稳定性理论研究.在流动为无黏、不可压缩、无旋的假设下,建立了三层流体带电射流物理模型并得到了扰动在时间域内发展演化的解析形式色散关系,利用正则模方法求解色散方程发现了流动的不稳定模态,进而分析了主要控制参数对不稳定模态的影响.结果表明,在参考状态下轴对称模态的最不稳定增长率最大,因此轴对称扰动控制整个流场.外层气流速度越高,气体惯性力越大,射流的界面越容易失稳.内外层液-液同轴射流之间的速度差越大,射流越不稳定.表面张力对射流不稳定性起到促进作用.轴向电场对射流不稳定性具有双重影响:当加载电场强度较小时,射流不稳定性被抑制;当施加电压大于某一临界值时,轴向电场会促进射流失稳.临界电压的大小与界面上自由电荷密度和射流表面扰动发展关系密切.这些结果与已有的实验现象吻合,能够对实验的过程控制提供理论指导.     

淹没磨料射流的空泡运动分析

通过对淹没条件下磨料射流的空泡运动分析研究,建立了淹没磨料射流的空泡运动方程,揭示了淹没磨料射流中空泡的溃灭特性,数值模拟了淹没磨料射流的磨料体积浓度以及空泡所处流场压力对空泡运动及溃灭的影响规律.分析表明:淹没磨料射流中磨料的存在增大流体的粘性系数,增大空泡溃灭历时,减弱射流的空蚀破坏能力;流场压力的改变对空泡溃灭过程影响显著,压力越高,空泡溃灭历时越短.     

射流泵抽吸式淹没射流装置

本文比较了淹没射流装置中产生射流的各种动力方法,提出采用射流泵在实验水箱底部抽吸流体形成负压产生射流的方法,成功地研制了射流泵抽吸式淹没射流装置.实验表明,这一装置具有较高的稳定性,适用于各种速度条件的淹没射流研究.     

孔隙流体耦合效应对射流冲击应力分布的影响分析

运用全解耦流固耦合理论,建立了水射流冲击岩石介质流固耦合数值分析模型,给出了数值算法,计算分析了考虑和不考虑孔隙流体耦合效应对射流冲击岩石时应力分布的影响规律。结果表明,在射流冲击作用下,如不考虑孔隙流体耦合作用,最大拉应力位于冲击面,离冲击中心径向距离与喷距成正比,最大剪切应力位于岩石冲击中心下部约0.5倍喷嘴直径位置;如考虑孔隙流体耦合作用,最大拉应力位于岩石冲击中心下部约0.4倍喷嘴直径位置。数值分析结果可为水射流破岩机理研究中岩石破坏准则的选择提供依据。     

电场驱动射流的弯曲失稳分析

本文对电场驱动射流弯曲问题的动力模型作了理论推导和数值分析.在假定射流具有牛顿粘性并作一维流动的基础上,建立了射流运动的控制方程,采用此方程来研究当带电流体穿过电场时受小扰动而产生的失稳现象.将方程无量纲化后,利用简正模态法对控制方程进行了稳定性分析,而后采用伽辽金法求解方程.结果表明,外电场增强、表面电荷量进一步增多(电荷量较大时)、射流轴向流速增大(其值较大时)、射流半径减小以及电荷的分布不均匀性增大,都可以显著增强射流的短波不稳定性;射流偶数阶频率导致了不稳定性,而且阶数越高,不稳定性增长得越快;频率具有虚部,意味着模态中相差的存在;并且射流在短时问内会失去稳定性.     

主动射流控制水翼空化的数值模拟与分析

为了改善高速流动工况下水翼吸力面上流场的空化特性,提出了水翼表面主动射流对绕水翼周围流动加以控制的方法.基于密度分域滤波的FBDCM混合湍流模型联合Zwart-Gerber-Belamri空化模型,分析了来流空化数为0.83,来流攻角为8°,射流位置距水翼前缘为x=0.19c时,主动射流对于水翼吸力面上流动的空化特性和水动力特性影响.对回射流的强度进行了量化分析,以探究回射流与流场空化特性的关系.数值分析结果表明,在射流水翼吸力面上的时均空泡体积为原始水翼的1/15,使得流场内空化流动由云空化状态转变为较为稳定的片空化状态,显著地削弱了云空化的发展.此外,射流极大地改善了水翼的水动力性能,使得水翼的升阻比较原始水翼提高了22.9%,空泡的脱落频率减少了26.2%,空泡脱落所引起的振幅减小了9.1%.射流大幅降低了水翼吸力面上低压区面积,水翼吸力面上流体的逆向压力减小,回射流强度降低;同时,射流使水翼吸力面上的边界层减薄,增强了流动的抗逆压梯度能力,一定程度上阻挡了回射流向水翼前缘的流动,这也从机理上分析了主动射流抑制空化的原因.      

基于SPH方法粒子射流破岩数值模拟与实验研究

钻井液中加入体积分数为1%~3%的钢质粒子在钻头喷嘴处高速喷出冲击岩石,实现了粒子射流冲击和钻头机械联合破岩,有效提高了破岩效率。利用瞬态非线性动力学有限元模拟软件,基于光滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamics,SPH)方法,考虑流体对粒子射流冲击的影响,建立了粒子射流冲击破岩的物理模型,获得了粒子射流参数对破岩体积的影响规律,进行了室内实验验证,验证了SPH方法的有效性。结果表明:粒子射流冲击岩石表面形成规则的V型冲击坑;同条件下粒子射流破岩体积是水射流破岩体积的2~4倍;随着粒子射流冲蚀时间的增加,粒子射流破岩体积不断增加,但破岩效率降低;粒子射流压力大于10 MPa后,粒子射流破岩效率迅速增大;喷射角度大于6°后,破岩效率迅速减小。     

合成射流技术及其在流动控制中应用的进展

流动控制是流体技术最主要的研究领域,21世纪的空气动力学将在流动控制领域取得重大突破; 合成射流是一种基于旋涡运动的零质量射流,是流动控制领域近10年来最热门活跃的流动主动控制技术.首先介绍了合成射流激励器及激励器的基本类型,并概括了激励器的主要发展方向,即宽频域、高动量、``强壮'的合成射流激励器和微小型激励器.尔后,对合成射流激励器工作原理、合成射流结构以及合成射流独特的流场特征和合成射流技术的特点进行了综述.最后着重对合成射流技术主要和潜在应用,如流动分离及气动力控制、射流矢量控制、增强掺混及加强传热和传质、抑制噪声、微流体控制、飞行控制以及粒子的散布控制、合成射流陀螺仪技术等进行了介绍和综述,同时对其在各应用领域的控制机理进行了归纳总结.      

新型水下爆破切割弹的工程应用及数值模拟研究

通过钢管爆破切割实验和LS-DYNA 数值模拟软件分析研究了爆破切割弹解决卡钻问题的可行性, 然后针对安庆铜矿某一矿井的卡钻事故, 并结合井下地质情况, 在分析卡钻原因的基础上, 设计一种新型水下爆破切割弹. 通过加入12 根铜管将线性聚能引入到新型水下爆破切割弹中, 从而在爆破过程中形成了环形切割器, 利用聚能射流侵彻钻杆以达到破坏钻杆的目的. 通过爆破切割实验和工程实践可知, 新型水下爆破切割弹能够有效解决卡钻事故, 可为类似工程提供参考.     

TBM滚刀刀圈硬度与岩石匹配性能试验

为了研究TBM滚刀刀圈硬度与岩石匹配性能对滚刀刀圈磨损量及磨损去除机制的影响机理,将四种材料相同但硬度不同的滚刀刀圈试样分别与同一种TBM工程中典型的花岗岩试样进行匹配磨损试验.试验结果表明:材料相同硬度不同的刀圈,其微观组织结构存在一定的差异,刀圈硬度对刀圈磨损量及磨损去除机制有显著影响.随着刀圈硬度的增加,刀圈的磨损量呈先减小后增大的变化趋势且硬度最高的刀圈的磨损量最大.当刀圈硬度较低时,刀圈的磨损以显微切削去除机制为主,且在一定范围内随着刀圈硬度的增加,显微切削去除作用减弱,刀圈的耐磨性更好;但当刀圈硬度高于一定值后,刀圈的磨损去除机制发生转变,刀圈磨损以韧性断裂剥落去除机制为主,刀圈的耐磨性急剧变差.     

化纤切割过程中切断刀的磨损性能研究

利用自制小型短纤维切断试验装置模拟涤纶短纤维的切割加工过程,采用台式投影仪测量切断刀刃口的线磨损量,采用扫描电子显微镜观察刃口和刃面的磨损表面形貌,采用傅立叶变换红外-拉曼光谱仪分析刃口磨损表面转移膜的性质,并采用顺磁共振仪分析了纤维切断前后自由基的含量.结果表明:切割涤纶半消光纤维时,高速钢刀片的磨损很快,主要磨损机制为纤维中TiO2粒子的磨粒磨损;硬质合金刀片的磨损缓慢,其磨损主要是由于刃口上高分子转移膜脱落引起的.     

模拟盾构掘进过程中的刀盘受力研究

为了探索盾构掘进机刀盘的掘进机理和刀具受力特点,依据实际土压平衡盾构机的基本结构,按比例缩小设计了模拟盾构刀盘掘进实验装置,并在不变刀具外形的前提下,研制了刀具与传感一体化的刀具传感器.该装置既可测量刀盘轴向推力、扭矩也可测量刀具切削阻力.实验证明了所研制的刀具传感器的有效性,具有挖掘和监测挖掘时的切削阻力双重功能,且解决了切刀中多个力耦合问题,能够分别测量切刀的切削力和轴向阻力.实验结果显示刀具的切削阻力和轴向阻力随所在位置半径增大而增大,且两者基本成线性关系.     

一种测量TBM滚刀受力的实验方法研究

为探索测量TBM掘进机滚刀受力特性的方法,本文提出了一种能够测试滚刀三向受力的方案。选择滚刀装配体上的垫块作为弹性体,以粘贴应变片的方式实现测量。利用数值计算方法找出垫块底端面和侧端面对所测力敏感而对作用力位置变化不敏感的区域作为贴片位置,分析了锁紧楔块对测试结果的影响。对滚刀装配体在不同工况下的受力情况进行了数值分析和实验测试。结果显示,若根据数值计算选定的位置贴片,垫块底端面和侧端面桥路应变总值的实验和数值结果相对误差介于1.06%和5.62%之间。滚刀强烈振动或更换刀具后可能使中心轴与垫块之间受力位置发生变化,结果确定其影响不超过2.75%。该方案不仅可以测出三个力的信号,还可用于分析滚刀振动状态,特别是滚刀发生偏磨后,刀刃与岩石之间强烈摩擦,振动状态与未偏磨时必然不同,因此还可通过分析由该方法测得的动态信号来识别偏磨。     

Rock deformation equations and application to the study on slantingly installed disc cutter

At present the mechanical model of the interac- tion between a disc cutter and rock mainly concerns indentation experiment, linear cutting experiment and tunnel boring machine （TBM） on-site data. This is not in line with the actual rock-breaking movement of the disc cutter and impedes to some extent the research on the rock-breaking mechanism, wear mechanism and design theory. Therefore, our study focuses on the interaction between the slantingly installed disc cutter and rock, developing a model in accordance with the actual rock-breaking movement. Displacement equations are established through an analysis of the velocity vector at the rock-breaking point of the disc cutter blade; the func- tional relationship between the displacement parameters at the rock-breaking point and its rectangular coordinates is established through an analysis of micro-displacement vectors at the rock-breaking point, thus leading to the geometric equations of rock deformation caused by the slantingly installed disc cutter. Considering the basically linear relationship between the cutting force of disc cutters and the rock deformation before and after the leap break of rock, we express the constitutive relations of rock deformation as generalized Hooke＇s law and analyze the effect of the slanting installa- tion angle of disc cutters on the rock-breaking force. This will, as we hope, make groundbreaking contributions to the development of the design theory and installation practice of TBM.     

Experimental investigation of jointed rock breaking under a disc cutter with different confining stresses

Extensive and detailed investigations have been made to better understand the rock-breaking mechanism of the tunnel boring machine (TBM) disc cutter, but the crack propagation and failure modes induced by the disc cutter when the confining stresses and joint characteristics vary have not been comprehensively investigated. To address this area of research, a triaxial testing machine (TRW-3000) is modified to investigate the effect of different confining stresses (0, 2.5, 5, 7.5 and 10 MPa) on the rock breaking of different joint angles (0°, 30°, 60°, and 90°) induced by the disc cutter. In this series of tests, the crack propagation and failure modes of the intact and jointed rock with different confining stresses are analysed. During the experiments, four different types of failure modes have been observed. The failure mode is affected by the joint orientation at low confining stress. The existence of joints has no obvious effect on the failure mode when the confining stress increases to a certain extent.     

TBM滚刀刀圈与岩石的滑动磨损实验研究

硬岩隧道掘进机(TBM)的滚刀刀圈在破岩过程中面临剧烈的磨损,对TBM的掘进效率及施工成本影响巨大。为了深入研究全断面隧道掘进机滚刀刀圈的磨损机理,本文在M-200型磨损试验机上模拟了TBM滚刀刀圈与岩石的磨损行为。基于实验数据,验证了磨粒磨损引起的磨损量与摩擦距离的线性关系,分析了岩石硬度、摩擦系数和润滑对磨粒磨损速率的影响。实验结果表明,在大载荷下,磨损形式将由单纯的磨粒磨损转化为磨粒磨损与疲劳磨损共同存在的形式,并且计算了疲劳磨损量,进而对比了磨粒磨损量与疲劳磨损量的大小。结论:硬度、摩擦系数越大,滚刀刀圈磨损越严重;润滑对降低磨损有重要作用;在大载荷作用下,磨损状态将由磨粒磨损转化为磨粒磨损和疲劳磨损共存的状态。上述研究结果可以为TBM滚刀刀圈设计及施工提供一定的参考。     

Experimental considerations for steady state edge excavation under a constant cutting depth for a mortar specimen using a disk cutter bit

This paper aims to investigate experimentally steady state excavation performance under a constant cutting depth, especially the specific cutting energy of a disk cutter bit in the free edge part of a mortar specimen. Here, the tangential, lateral and normal forces acting on a disk cutter bit having three tip angles and the amount of debris were measured for several cutting spaces and cutting depths. As a result, it was observed that the specific cutting energy, i.e. the ratio of the excavation power of the disk cutter bit to the amount of debris, showed a minimum value of the ratio of cutting space to cutting depth of five, at which ratio the most efficient excavation could be attained.     

射流对工业炸药的引爆及侵彻机制

本文用脉冲X光摄影技术及电探极-记录仪系统,对射流引爆及侵彻工业炸药的过程进行了观测,探讨了的流引爆及侵彻工业炸药的机制,给出了射流与工业炸药作用过程的物理图象。