400MPa超高压水射流结构的分析研究

在超高压水射流切割过程中,射流结构是设备工作效率及损耗程度的决定性因素,本文针对400MPa范围内超高压水射流结构进行了数值模拟及实验研究,得到了相关因素对其具体影响。结果表明:超高压水射流的流束可分为几个特征各不相同的区域;射流的发散程度随着压力和宝石孔径的增大而增大;喷嘴形状对射流结构具有显著的影响,渐扩的锥形出口及倾斜的出口端面有助于增强射流的集束性;宝石孔内的空化直接影响了射流的形成;空化加剧了宝石的磨损,随着宝石孔入口的磨损程度提高,水射流趋于发散。     

道路标志线的超高压水射流清洗质量控制研究

超高压水射流道路标志线清洗是目前最有效的标志线清洗工艺,然而研究发现目前国内超高压清洗公司凤毛麟角,清洗参数设置更是毫无依据;文章介绍了超高压水射流道路除标系统,对超高压水射流道路除标质量的影响因素进行了研究,采用图像处理软件Halcon计算出清洗率,以此作为清洗质量的评判标准;针对我国目前1 mm厚度的标准道路标志线,研究分析了水射流压力、靶距、执行机构移动速度3个因素对清除标线效果的影响规律,得出结论:在移速330 m·h-1时,射流压力90和110 MPa时的最优靶距大约为27 mm,这对提高清洗效率、清洗效果、节约能源和水资源有着重要的意义。     

围压条件下空化磨料射流的冲蚀特性与机制分析

 磨料射流在水利水电、石油工程和海洋资源开发等领域有着广泛的应用,研究射流的冲蚀特性和破坏物料机制对提高水射流利用效率具有重要意义。利用自行研制的实验装置,研究了围压条件下自振空化、文丘里和锥形3种喷嘴形成的磨料射流冲蚀特性,分析了空化磨料射流冲蚀物料的机制。结果表明：自振空化喷嘴和文丘里喷嘴的冲蚀效果优于锥形喷嘴,空化作用有助于提高磨料射流的冲蚀效果;磨料射流的冲蚀效率随围压的增大而降低,主要原因是围压对纯水射流和空化磨料射流的压力脉动和冲击力具有抑制作用。分析认为,空化磨料射流冲蚀破碎物料的机制主要包括冲蚀、气蚀和共混磨蚀3 种作用。     

微粒撞击高参数汽轮机调节级喷嘴壁面特性研究

固体颗粒冲蚀严重影响超常参数汽轮机调节级喷嘴寿命.本文根据相似理论并借助PIV技术,进行了三种喷嘴内固体微粒运动特性及其材料抗冲蚀特性的试验研究,并通过三维数值模拟进一步研究了单一参数变化对粒子运动特性的影响.发现同一粒子再次撞击角度比初次撞击角度平均小5°～15°;约45%～80%的粒子撞击在离喷嘴出口边约15%的区域;粒子对前加载型线喷嘴有更严重的冲蚀,可以预测采用合适型线的后加载喷嘴或缩短喷嘴宽度能有效降低粒子冲蚀.     

矩形通道内横流喷雾掺混流场的实验研究

应用PIV系统对矩形通道内横流-喷雾掺混过程中液滴沿横流方向的流场进行了实验测量.分别获得了单喷嘴和双喷嘴下横流掺混中的流场结构,以及液滴的水平速度分布.横流作用下,液滴的最大水平速度为横流速度的两倍左右;反旋涡对降低了液滴的水平速度,提高了液滴在横流中的停留时间.双喷嘴条件下,横流截面上的液滴密集区域呈狭长的三角形,...     

紫外光诱导纳米颗粒胶体微射流碰撞特性（英文）北大核心CSCD

采用流体力学模拟方法,建立了垂直非淹没射流的计算流体动力学模型,研究了在紫外光诱导纳米颗粒胶体射流中用直径D为500μm的微孔光-液耦合喷嘴进行抛光加工的冲击动力学,分析了非淹没射流条件下光-液耦合喷嘴内、外的流场分布情况及其对工件表面的喷射冲击特征,对紫外光诱导纳米颗粒胶体射流冲击动力学过程进行了理论描述。计算结果表明,在1MPa入射压力时,微孔光-液耦合喷嘴口TiO2胶体的喷射速度约为30m/s,其集束匀速喷射距离约为5mm。在此喷射距离时进行垂直喷射,在胶束与工件表面的冲击射流作用区域,其射流静压最大值分布在射流冲击作用中心,但射流动压及射流合成速度在此区域的截面分布呈"W"形状,射流动压及速度最大值出现在胶体射流束的外环直径约2mm处。     

紫外光诱导纳米颗粒胶体微射流碰撞特性（英文）

采用流体力学模拟方法,建立了垂直非淹没射流的计算流体动力学模型,研究了在紫外光诱导纳米颗粒胶体射流中用直径D为500μm的微孔光-液耦合喷嘴进行抛光加工的冲击动力学,分析了非淹没射流条件下光-液耦合喷嘴内、外的流场分布情况及其对工件表面的喷射冲击特征,对紫外光诱导纳米颗粒胶体射流冲击动力学过程进行了理论描述。计算结果表明,在1MPa入射压力时,微孔光-液耦合喷嘴口TiO2胶体的喷射速度约为30m/s,其集束匀速喷射距离约为5mm。在此喷射距离时进行垂直喷射,在胶束与工件表面的冲击射流作用区域,其射流静压最大值分布在射流冲击作用中心,但射流动压及射流合成速度在此区域的截面分布呈"W"形状,射流动压及速度最大值出现在胶体射流束的外环直径约2mm处。     

超高压淹没射流破岩规律实验研究

 超高压水射流在石油工业中的应用主要是超高压射流联合机械破岩。对超高压淹没射流破岩规律的研究,其目的在于为超高压PDC钻头的研制提供依据。研究发现：影响超高压射流破岩的主要因素有压力、喷距、喷嘴移动速度和喷射角度等,射流压力越高破岩效果越好,最优喷距随着压力的升高而升高,200 MPa时最优喷距达到32.5倍喷嘴直径,150 MPa时破岩效率最高,喷射角度在12.5°时破岩效果最好。     

多喷嘴射流抛光系统材料去除率分析

为了提高射流加工效率,提出使用多喷头结构来提高工件的去除效率。根据流体力学原理,从理论上分析了多喷嘴冲击射流复合流场的结构特性,对不同喷嘴数目复合流场的流场分布进行了定量计算;针对复合流场的特性进行了模拟研究,得到工件壁面流体速度、压强的分布曲线。建立了单喷嘴、三喷嘴和七喷嘴的材料去除理论模型,并对去除量分布进行了计算和比较。结果表明,当冲击高度为10d,喷嘴间距为5d时(d为射流喷嘴直径),三喷嘴模型材料去除率是单喷嘴模型材料去除率的2.16倍,七喷嘴模型材料去除率是单喷嘴模型材料去除率的4.25倍。     

燃烧器四角切圆布置炉膛内非对称冷态流场的数值模拟

以燃烧器四角切圆布置的超超临界塔式锅炉炉膛内的流动换热为背景,利用Fluent软件通过数值模拟研究了一个物理和几何结构完全对称的三维炉膛内冷态流场变化情况,选用6个燃烧器喷嘴出口速度作为不同的工况来计算炉内的流场,速度变化范围为5~30 m/s,湍流模型采用雷诺应力模型。计算结果表明,随着出口气流速度的增大,流动呈现出的切圆半径越来越大;当喷嘴出口速度小于等于10 m/s时,在所用计算模型下,流体速度场呈中心对称结构,切圆中心位于中央;随着出口速度的持续增加,流场从中心对称结构逐步转变成非中心对称结构,切圆中心发生明显偏斜.数值结果表明,即使几何结构完全对称且边界物理条件也完全对称的燃烧器四角切圆布置的炉膛中的流动,仍然可能是非对称的,这是造成烟气侧热偏差的可能的原因之一。     

大气压微波等离子体射流装置放电特性研究

基于同轴传输线结构设计了两种不同喷嘴结构的大气压微波等离子体射流(MW-APPJ)装置,其工作频率2.45 GHz,工作气体为氩气,分别研究了两种不同喷嘴结构对等离子体放电特性产生的影响。仿真结果表明,MW-APPJ在气体喷嘴处会产生高强度的电场,经过优化结构,实现在频率2.45 GHz下,喷嘴处的场强满足氩气电离的击穿场强阈值要求。同时,利用多物理场耦合仿真软件对装置的气流分布进行了稳态模拟,并通过实验对比分析了两种喷嘴结构下大气压氩等离子体射流的基本特性。实验结果表明,不同的喷嘴结构会影响等离子体装置的反射系数随输入功率的变化规律,但并不影响等离子体射流长度随输入功率的变化规律和反射功率随进气流量的变化规律;同时,在大气压下,稳态微波等离子体射流呈现出类金属性,等离子体中的电子只能在很薄的区域中吸收微波能量,因而造成微波的反射功率较大。     

Near-field acoustic characteristics of screech jet exhausted from a nozzle with a hard reflecting plate

The standing wave in the near field of the screech jet exhausted from a nozzle with a hard plate works on the jet flow as the forcing wave by the location of a reflecting plate, and then jet flow is considered to be changed. Moreover, the reflector location from the nozzle changes the sound pressure contours of the near field. Intensity maps of the screech tone which indicate the propagation to the jet axial direction or the radial direction of the jet by the presence of the reflector plate have not been explored. In the present paper, acoustic characteristics in the near field of the screech tone with the reflecting plate are studied using an optical wave microphone, which can measure the sound propagating for both vertical and horizontal directions to the jet axis. As a result, the standing wave in the near field of the screech jet with the reflector has two types: One is the standing wave between the hydrodynamic pressure fluctuation propagating jet downstream and the sound pressure propagating upstream, and the other is the standing wave by the difference between the wavelength of the sound wave and the wavelength at the place close to the jet.     

自由旋涡气动窗口全流场的数值模拟

建立自由旋涡气动窗口全流场仿真模型,对大密封压比气动窗口的全流场展开数值研究,得到自由旋涡气动窗口的流场结构,发现大密封压比气动窗口形成的自由旋涡射流在光束输出通道内无明显的波系结构.根据模拟结果对自由旋涡气动窗口的性能进行优化,对自由旋涡喷管上壁面型线进行二次粘性修正.优化自由旋涡射流场后,激光器输出光束通道内压力分布稳定上升;增加扩压器外端壁吹气1.19MPa、内端壁吹气1.68MPa时,自由旋涡射流总能提高,气动窗口密封压力从37.5torr降低至6torr.该研究结果对自由旋涡气动窗口技术的发展具有参考意义.     

Plasma generation for the plasma cutting process

This study is an attempt to estimate the overall properties, viz. the thermal power and force, of an intense plasma jet produced by a plasma cutting torch, and to relate the properties of the plasma to the diameter of the nozzle of the plasma torch and the flow rate of plasma-forming gas. For cutting metallic plates using a thermal plasma, a narrow plasma jet is produced by means of a transferred electric are between an electrode in a plasma torch and the material to be cut. The power density and pressure exerted by the plasma jet on the material at the region of cut needs to be high so that a straight cut, without dress at the bottom of the plate, can be obtained. A simple theory to describe the behavior of the arc in a plasma cutting torch has been developed to predict the are radius, pressure, and arc voltage at the nozzle exit as a function of are current for a range of nozzle sizes and air flow rates. The results obtained are in good agreement with the measured values for an air plasma cutting torch nominally rated for 100-A operation. The relationships between the mass flow rate of plasma gas, plasma power, and arc force have been discussed in the light of design of plasma torches for plasma cutting     

Numerical flow visualization of a Single Expansion Ramp Nozzle with hypersonic external flow

Numerical simulation of scramjet asymmetric nozzle flow is carried out to visualize and investigate the effects of interaction between engine exhaust and hypersonic external flow. The Single Expansion Ramp Nozzle (SERN) configuration studied here consists of flat ramp and a cowl with different combinations of ramp angle and cowl geometry. UsingPARAS 3D, simulations are performed for a free stream Mach number of 6.5 that constitutes the external flow around the vehicle. Appropriate specific heats ratio has been simulated for the jet and free stream flow. External shock wave due to jet plume interaction with free stream flow, the internal barrel shock wave and the shear layer emanating from the cowl trailing edge and sidewalls are well captured. Wall static pressure distribution on the nozzle ramp for different nozzle expansion angles has been computed for both with and without side fence. Axial thrust and normal force have been evaluated by integrating the wall static pressure. Effect of cowl length variation and side fence on the SERN performance has also been studied and found to be quite significant. Based on this study, an optimum ramp angle at which the SERN generates maximum axial thrust is obtained. SERN angle of 20° was found to be optimum when the flight axis coincides with nozzle axis.     

On classification of flow regimes in a channel with sudden expansion

Supersonic flows of gas in the vicinity of the bottom region known as flows with sudden expansion have been considered. On the basis of extensive experimental studies, authors have proposed a complete classification of flow regimes: stationary, oscillating, and transient. Hysteresis of the regimes change at total gas pressure increasing and decreasing in front of the nozzle has been found. Typical shock-wave configurations emerging at the jet flowing in a channel at different modes have been determined. The type of shock-wave structure and the nature of interaction of the mixing layer of a jet with the wall or reverse flow flowing into the channel from ambient medium determine the appropriate mode. Combination of physical and numerical experiment with bottom pressure calculation according to the developed semi-empirical model have revealed new flow regimes that were not studied earlier.     

COIL亚声速段横向喷流混合流场数值分析

 COIL是一个气体动力学、化学反应动力学以及光学相互耦合的复杂过程。作为高总压COIL系统研究的第一步,利用三维CFD技术对传统的COIL亚声速段横向射流混合过程进行了数值分析,讨论了包括压力梯度驱动项的分子扩散机制,得到了横向射流的较精细的结构,如马蹄形射流界面、逆旋涡对以及射流剪切层。结果表明,压力梯度驱动项对重、轻组分的扩散作用相反,重组分沿压力梯度正向扩散,轻组分逆压力梯度方向扩散。在射流穿透不足的情况下,仍然在喷管出口得到了约为0.01 cm^-1的小信号增益系数。     

超声速等离子体射流的数值模拟

基于可压缩的全Naiver-Stokes方程，利用PHOENICS程序对由会聚 辐射阳极形状等离子体炬产生的超声速等离子体射流进行了数值模拟.考虑了等离子体的黏性、可压缩性以及变物性对等离子体射流特性影响.研究了超声速等离子体射流的流场结构特性以及不同环境压力对等离子体射流产生激波结构的影响.结果表明，超声速等离子体射流在喷口附近形成的周期性激波结构是其和环境气体相互作用的结果. 关键词： 等离子体炬 超声速等离子体射流 PHOENICS     

流经矩形喷嘴的超音速射流啸叫模式切换的实验研究

通过实验分析比较了对于相同高度不同宽度的四种矩形喷嘴, 当压力在0.2 MPa到0.8 MPa 之间变动时, 欠膨胀超音速自由射流的啸叫特性和对应的流场纹影结构.结果表明: 不同宽高比喷嘴的超音速自由射流辐射噪声中的单频离散啸叫存在两种不同的啸叫模式, 且随着射流压力的变化会出现模式间的切换.所谓模式切换是指不同模式的轮流占优和消失的现象.啸叫模式间的切换及占优区间的宽度随着喷嘴宽高比的减小而缩短.其中, 宽高比为2的射流啸叫模式中的一种模式所占的射流压降区间异常小, 此现象未在相关文献中提及; 喷嘴宽高比为4的射流啸叫占优区间内, 啸叫基频-射流压力曲线在0.49 MPa时出现了间断、跳跃现象.随着压力的降低激波纹影的轴线出现了抖动, 不同宽高比下流场结构的稳定性随压力变化的规律各异.射流压力在0.70 MPa到0.45 MPa区间内, 随着宽高比减小, 第一波节格栅的激波致密度减弱, 且出现轴向脉动, 第二波节后方的流场变得紊乱; 当射流压力低于0.45 MPa 时, 激波串结构随着宽高比的增大而趋于稳定, 在此压力区间内周期性激波格栅结构较射流压力在0.45 MPa以上时有所减弱.结合啸叫频谱及纹影图分析, 可初步认为, 第二、三波节也会对啸叫频率的声压幅值起到反馈增强作用.     

微型超高压宝石喷嘴内部的空化与磨损

宝石喷嘴是影响超高压水射流切割系统工作效率的重要部件,而宝石内部的空化直接影响射流的形成,也是宝石磨损的重要原因之一。对400 MPa压力范围内宝石孔内部的空化两相流进行了数值模拟,阐述了射流在宝石内的形成过程,分析了长径比、压力和入口形状对宝石内空化的影响,并在相应压力下对宝石喷嘴的磨损进行了实验研究。结果表明:宝石内部的空化发展程度随着长径比的增大而减弱;在一定的长径比范围内,空化可以发展到喷嘴出口,并最终使射流的初始直径小于喷嘴直径,且在此条件下当压力升高时,射流的初始直径增大;良好的入口形线可以降低空化的发展程度;宝石入口的磨损较出口更显著,空蚀和高压水的冲蚀造成了宝石孔边缘形状的破坏,这种破坏随着压力的升高而加剧,选择合适的长径比是减少冲蚀磨损的有效途径。