叶轮式旋转射流喷嘴的射流特性研究
牛似成;王翔;杨永印
【摘要】为提高PDC钻头钻进水平段时的并底射流辅助破岩能力,开展了叶轮式旋转射流喷嘴的射流特性研究.利用k-ε双方程标准湍流模型,对叶轮式旋转射流流场进行了数值模拟,并采用旋流强度和流量系数评价了射流破岩能力.数值模拟结果表明,叶片扭曲角为115°～140°、直柱段无因次长度为0.6～0.8、收缩角为60°～70°时,流量系数和旋流强度可取得最佳值,射流破岩能力最强.根据不同喷距下的旋转射流破岩试验结果,分析了叶轮式旋转射流喷嘴的破岩特性,结果表明,同压降下叶轮式旋转射流破岩直径是普通直射流的近3倍,且喷距在7～11倍喷嘴出口直径时破岩直径最大.研究结果表明,叶轮式旋转射流喷嘴的破岩能力优于普通直射流喷嘴,且通过优化叶轮式旋转射流喷嘴几何参数可提高其破岩能力,加强井底清岩和辅助破岩效果,提高PDC钻头的破岩效率.
【期刊名称】《石油钻探技术》
【年(卷),期】2013(041)006
【总页数】5页(P110-114)
【关键词】喷嘴;旋转射流;旋流强度;流量系数;数值模拟;几何模型;破岩效率
【作者】牛似成;王翔;杨永印
【作者单位】中国石化华北分公司工程技术研究院,河南郑州450006;中国石化华北分公司工程技术研究院,河南郑州450006;中国石油大学(华东)石油工程学院,山东东营257061
【正文语种】中文
【中图分类】TE248
水平井水平段钻进速度一般比较低，而水力射流辅助破岩钻进技术是提高钻井速度的有效途径之一[1］。目前，采用PDC钻头钻进水平段时采用普通直射流清洗井底，清岩和辅助破岩能力有限，极大地限制了钻速的提高。理论和试验研究表明[2-5］，旋转射流具有较强的切向速度和径向速度，在大幅增加清洗面积的同时提高了破岩能力，能够提高钻井速度。目前，国内外很多学者对旋转射流进行了研究，对旋转射流特性的了解也较为深入，但很少用来改进PDC钻头的井底流场[6-8］。为此，基于叶轮式旋转射流喷嘴，参照PDC钻头喷嘴的特点[10-13］，通过优化喷嘴几何参数改进了射流流场。
1 叶轮式旋转射流流场数值模拟
叶轮式旋转射流喷嘴主要由喷嘴外壳和叶轮构成，流体进入喷嘴后，沿螺旋叶片流动具有了切向速度和径向速度，经收缩段和直柱段射出时，形成旋转射流。叶轮式旋转射流喷嘴独特的几何结构是产生旋流的根本原因，利用数值模拟软件对其主要几何参数进行了研究，用旋流强度和流量系数来表征射流特性，并用其评价流场优劣。
1.1 旋流强度和流量系数
旋流强度是表征流场旋转程度的量。旋流强度越大，则流场的旋转程度越强，射出的流体对岩石的横向剪切作用越明显。射流的旋流强度，以喷嘴出口处为基准，通过计算该处横截面的最大切向速度和轴向速度获得[4］：
式中：S为旋流强度；Wmax为最大切向速度，m／s；Umax为最大轴向速度，
m／s。
流量系数作为钻井水力参数设计中的一个重要参数，能够综合反映流体通过喷嘴时所受阻力的大小。在喷嘴出口处雷诺数超过某一临界值时，流量系数主要与喷嘴流道的形状和流体黏性有关[1］。将数值模拟中设定的喷嘴压降和喷嘴出口平均轴向速度，代入式（2），可计算出流量系数。
式中：Qa为实际流量，L／s；Qt为理论流量，L／s；Ua为喷嘴出口处的实际平均轴向速度，m／s；Ut为喷嘴出口处的理论平均轴向速度，m／s；Δp为喷嘴压降，Pa；C为喷嘴流量系数；ρ为流体密度，kg／m3。
1.2 几何模型及求解模型
1.2.1 几何模型的建立
图1所示为叶轮式旋转射流喷嘴结构。图中，d为喷嘴出口直径，S为直柱段长度，α为收缩角，L为喷嘴整体长度。叶片扭曲角φ为叶片上边沿水平面投影为始边顺时针旋转至下边沿水平投影所转过的角度。根据叶轮式旋转射流喷嘴结构建立几何模型，如图2所示。
图1 叶轮式旋转射流喷嘴结构Fig.1 Structure of impeller nozzle
图2 喷嘴和叶轮几何模型Fig.2 Geometric model of nozzle and impeller
1.2.2 求解模型的确定
1）叶轮式旋转射流的流场较为复杂，采用六面体和四面体2种网格结构来划分流场区域，并在出口进行局部加密[14］。
2）采用k-ε双方程标准湍流模型，该模型包含连续性方程、动量方程和k-ε方程。3）计算条件：长度单位为mm，压力单位为Pa；流体为液态水，其流动为定常
流动，流动速度为绝对速度；采用三维分离式求解器求解，采用隐式方案对控制方程进行线性化。
4）边界条件：入口压力为20MPa，出口压力为10MPa；其他边界采用 Wall边
界设置，无滑移、无穿透。
1.3 数值模拟结果及分析
1.3.1 叶片扭曲角对射流特性的影响
流体在喷嘴中沿叶片流动，才具有了切向速度和径向速度，因此叶片扭曲角对喷嘴产生旋流作用。模拟喷嘴压降10MPa，直柱段长度6mm，收缩角60°，喷嘴出
口直径6mm，叶片扭曲角分别为65°、90°、115°、140°、150°、180°、210°、230°、250°和270°时喷嘴出口处流速。利用喷嘴出口速度（轴向速度和切向速度）计算出实际流量，再利用式（1）和式（2）计算出旋流强度和流量系数，绘制出
旋流强度和流量系数随叶片扭曲角的变化曲线（见图3）。
图3 流量系数、旋流强度与叶片扭曲角的关系曲线Fig.3 Effect of twist angle of blades on discharge coefficient and swirling intensity
由图3可知，随着叶片扭曲角增大，旋流强度逐渐增大，流量系数减小，且叶轮
式旋转射流喷嘴的流量系数低于普通锥形喷嘴（一般为0.95）。这是因为，叶片
扭曲角增大，流体在喷嘴内沿叶片的流动长度增加，切向速度和径向速度相应增大，流动阻力也增大，流量系数必然减小。综合考虑叶片扭曲角对旋流强度和流量系数的影响，选择叶片扭曲角为115°～140°。
1.3.2 喷嘴直柱段长度对射流特性的影响
模拟喷嘴压降10MPa，收缩角60°，喷嘴出口直径6.0mm，叶片扭曲角210°（效果更明显），直柱段长度分别为3.0，4.5，6.0，7.5，9.0和12.0mm 时的速度场。根据速度场计算出实际流量，再利用式（1）和式（2）计算出旋流强度和
流量系数，绘制出旋流强度和流量系数随直柱段无因次长度的变化曲线（见图4）。其中，直柱段无因次长度为直柱段长度与直径的比。
由图4可知，随着喷嘴直柱段无因次长度的增加，旋流强度先增大后减小，流量
系数的减小幅度不大，喷嘴直柱段无因次长度的最佳值为0.6～0.8。
1.3.3 收缩角对射流特性的影响
图4 流量系数、旋流强度与直柱段无因次长度的关系曲线Fig.4 Effect of straight tube section on discharge coefficient and swirling intensity
模拟喷嘴压降10MPa，喷嘴出口直径6.0mm，叶片扭曲角210°（效果更明显），直柱段长6.0mm，收缩角分别为50°、55°、60°、65°、70°、75°、80°时的速度场，再根据前面的公式计算出旋流强度和流量系数，绘制出旋流强度和流量系数与收缩角的关系曲线（见图5）。
图5 流量系数、旋流强度与收缩角的关系曲线Fig.5 Effect of nozzle convergence angle on discharge coefficient and swirling intensity
由图5可知，随着收缩角的增大，旋流强度先减小后增大，流量系数先增大后减小，但收缩角对旋流强度和流量系数的影响很有限。在旋流强度变化不大的情况下，以流量系数作为优选依据，收缩角在60°～70°时流量系数有最大值。
2 叶轮式旋转射流破岩试验
叶轮式旋转射流在井底的辅助破岩和清岩能力很难通过室内试验直接反映出来，可采用室内软岩样破岩试验来间接反映，以破碎坑直径和深度为标准，评价叶轮式旋转射流辅助破岩和清岩的能力[7-8］。根据数值模拟结果得到的叶轮式旋转射流喷嘴几何尺寸，加工喷嘴外壳和叶轮。
2.1 射流对比试验
图6为叶轮式喷嘴射流（旋转射流）和普通直射流的射流形态示意图。从图6可
以看出，旋转射流的扩展角度明显大于普通直射流。
图6 普通直射流与旋转射流的扩展角度Fig.6 Extended angle of swirling jet
and conventional straight jet
采用自制水泥岩样，在相同喷嘴压降和喷距下进行破岩对比试验，破岩效果如图7
所示。从图7可以看出，旋转射流的破岩直径是普通直射流的近3倍，破岩深度
则小于普通直射流。这是因为，相同喷嘴压降和喷距下，旋转射流使射流轴线上的冲击力减弱，但大大增加了射流的冲洗面积。PDC钻头钻进过程中，旋转射流的
清洗范围和切向速度较大，能起到很好的辅助破岩和清除岩屑的作用。
图7 普通直射流与叶轮式旋转射流的破岩效果Fig.7 Rock breaking effect of conventional jet and vane type swirling jet
2.2 叶轮式旋转射流破岩特性
淹没条件下，通过室内破岩试验研究叶轮式旋转射流喷嘴的破岩特性。不同喷距（岩样与喷嘴出口之间的距离）下破岩直径和深度反映叶轮式旋转射流的破岩特性，可以间接验证数值模拟得到的速度分布特点。考虑到喷嘴直径的影响，以无因次喷距表征速度场空间分布，无因次喷距为实际喷距与喷嘴直径的比。图8为破岩直
径和深度与无因次喷距的关系曲线。
图8 破岩直径、破岩深度与无因次喷距的关系曲线Fig.8 Effect of standoff distance on rock breaking diameter and depth
由图8可知，随着无因次喷距的增大，破岩深度迅速减小，破岩直径先增大后减小，最大破岩直径出现在7～11倍喷嘴出口直径之间。淹没条件下，射流射出喷
嘴出口后，轴心线速度迅速衰减，导致破岩深度迅速减小；破岩直径受到切向速度和径向速度的影响，开始射流速度的衰减不明显，破岩直径减小幅度较小，随着速度衰减至无法破碎岩样，破岩直径必然减小。
3 应用分析
水平井实钻过程中，由于水平段长、摩阻大，无法施加足够的钻压，大大限制了机械钻速。统计某油田水平井直井段、定向段、水平段所用钻井参数发现，水平段的钻头压降、喷射速度等参数明显低于直井段和定向段。上述射流破岩试验结果表明，相同喷嘴压降下旋转射流的破岩能力优于普通直射流，且数值模拟结果表明，通过
优化叶轮式旋转射流喷嘴几何参数，可使喷嘴的流量系数和旋流强度达到最佳，实现能量高效利用。因此，水平段钻进过程中PDC钻头采用叶轮式旋转射流喷嘴可以优化井底流场，提供射流辅助清岩和破岩能力，提高水平段机械钻速。
PDC钻头采用叶轮式旋转射流喷嘴后，由于其流量系数一般小于普通锥形喷嘴（0.95左右），需要根据等流量系数钻头压降公式[15］，推导出不等流量系数下的钻头压降计算公式，进而确定其他水力参数：
式中：Δpb为钻头压降，MPa；ρd为钻井液密度，g／cm3；Q为实际排量，L
／s；Ci为各喷嘴流量系数；Ai为各喷嘴出口截面积，cm2。
4 结论及建议
1）数值模拟和室内试验研究结果表明，等压降和等喷距下叶轮式旋转射流破岩能力优于普通直射流。
2）通过数值模拟可得到叶轮式旋转射流喷嘴主要几何参数对射流特性的影响规律，并可据此优选出叶片扭曲角、直柱段无因次长度、收缩角的最佳取值范围。
3）建议下一步选取合适的叶轮式旋转射流喷嘴进行PDC钻头钻进水平段试验。
参考文献
References
[1]沈忠厚.水射流理论与技术[M］.东营：石油大学出版社，1998：390-413.Shen Zhonghou.Water jet theory and technique[M］.Dongying：Petroleum University Press，1998：390-413.
[2]王瑞和，周卫东，沈忠厚，等.旋转射流破岩钻孔机理研究[J］.中国安全科学学报，1999，9（增刊1）：1-4.Wang Ruihe，Zhou Weidong，Shen Zhonghou，etal.Study on mechanism of rock-breaking by swirling water
jet[J］.China Safety Science Journal，1999，9（supplement 1）：1-4.
[3]杜玉昆，王瑞和，艾飞，等.切向注入式旋转射流喷嘴携岩能力研究[J］.钻采工艺，2008，31（6）：14-16.Du Yukun，Wang Ruihe，Ai Fei，etal.Study on cuttings carrying capability of a tangential injection type of swirl jet
nozzle[J］.Drilling ＆ Production Technology，2008，31（6）：14-16. [4]杨永印，沈忠厚，王瑞和，等.旋转磨料射流破岩钻孔试验研究[J］.石油钻探技术，1999，27（4）：4-7.Yang Yongyin，Shen Zhonghou，Wang Ruihe，etal.Experimental study on rotary abrasive jet drilling[J］.Petroleum Drilling Techniques，1999，27（4）：4-7.
[5]杨海滨，杨永印，沈忠厚，等.磨料浆体旋转射流破岩钻孔特性试验研究[J］.石
油大学学报：自然科学版，2005，29（3）：46-48.Yang Haibin，Yang Yongyin，Shen Zhonghou，etal.Experimental study of rock drilling with abrasive suspension swirling jet[J］.Journal of the University of Petroleum，China：Edition of Natural Science，2005，29（3）：46-48.
[6]孙伟良.钻头分流降低井底压力的研究[D］.东营：中国石油大学（华东）石油工程学院，2010.Sun Weiliang.Mechanism study on the bottom-hole pressure reduction by drilling fluid shunt on bit[D］.Dongying：China U-niversity of Petroleum（Huadong），School of Petroleum Engineering，2010.
[7]杨永印，裴建忠，孙伟良，等.利用射流改进井底流场的研究[G］∥苏义脑.2010年钻井基础理论研究与前沿技术开发新进展学术研讨会论文集.北京：石油工业出
版社，2010：1-5.Yang Yongyin，Pei Jianzhong，Sun Weiliang，
etal.Research on mechanism of improving bottom hole flow field by using jet[G］∥Su Yinao.Proceedings of drilling basic theory and new progress of frontier development technology seminar，2010.Beijing：Petroleum Industry Press，2010：1-5.
[8]杨永印，牛似成，徐希强.组合射流PDC钻头试验研究[J］.石油钻探技术，2012，40（5）：100-105.Yang Yongyin，Niu Sicheng，Xu
Xiqiang.Experimental study of combined-jet PDC bit[J］.Petroleum Drilling Techniques，2012，40（5）：104-109.
[9]Yang Yongyin，Zhou Weidong，Wang Ruihe，etal.Rock drilling with abrasive suspension swirling jet and effects of additive polyacrylamide：Presented at the Proceedings of 2005American Waterjet Conference，Houston，August 21-23，2005[C］.
[10]管志川，陈庭根，刘希圣.PDC钻头水力结构研究进展[J］.石油大学学报：自然科学版，1994，18（6）：136-142.Guan Zhichuan，Chen Tinggen，Liu Xisheng.Reviev of studies of PDC bit hydraulic configurations[J］.Journal of the University of Petroleum，China：Edition of Natural Science，1994，18（6）：136-142.
[11]管志川，陈庭根，刘希胜.PDC钻头井底液流分布特性的实验研究[J］.石油大学学报：自然科学版，1996，20（3）：24-28.Guan Zhichuan，Chen Tinggen，Liu Xisheng.Experimental study on the characteristics of fluid distribution at bottomhole of PDC bits[J］.Journal of the University of Petroleum，China：Edition of Natural Science 1996，20（3）：24-28. [12]朱海燕，王锡洲，刘时英，等.PDC钻头水力学研究最新进展[J］.石油钻采工艺，2009，31（5）：23-28.Zhu Haiyan，Wang Xizhou，Liu Shiying，etal.The latest developments of the hydraulics research on PDC bit[J］.Oil Drilling ＆ Production Technology，2009，31（5）：23-28.
[13]谢翠丽，杨爱玲，陈康民.PDC钻头水力学研究初探[J］.石油机械，2002，30（11）：1-3.Xie Cuili，Yang Ailing，Chen Kangmin.Hydraulics research on
PDC bit[J］.China Petroleum Machinery，2002，30（11）：1-3.
[14]韩占忠.FLUENT流体工程仿真计算实例与应用介绍[M］.北京：北京理工大学出版社，2004：1-20.Han Zhanzhong.Fluent fluid engineering simulative calculation instance and applications[M］.Beijing：Beijing Institute of Technology Press，2004：1-20.
[15]陈庭根，管志川.钻井工程理论与技术[M］.东营：石油大学出版社，2000：145-147.Chen Tinggen，Guan Zhichuan.Drilling engineering theory and technology[M］.Dongying：Petroleum University Press，2000：145-147.
细雾喷嘴射流特性分析及雾滴分布特性研究 摘要：首先对喷嘴外部射流的特性进行了理论分析，用边界层微分方程求出了其速度分布的积分解，绘制了喷嘴外部射流的轴向速度分布图。然后通过实验得到了TF6喷嘴的雾化粒子各平均直径随压力变化的规律。关键词：细雾喷嘴射流特性速度分布粒子分布特性 0.引言压力式细密雾化喷嘴是一种使液体雾化的重要装置，在很多领域都有广泛的应用。它不仅被广泛地应用于抑制火灾的蔓延、空气的热湿处理之中，而且在液体燃料的雾化燃烧、工艺清洗、除尘控制以及杀虫剂的喷洒等方面也有着广泛的应用。与一般的雾化喷嘴相比，压力式细雾喷嘴能提供细密的水雾，具有独特的优点。近几年许多学者对喷嘴的射流特性及雾滴粒子分布等情况进行了相关的研究。其中，文[1]对高压细水雾灭火喷嘴的射流特性进行了理论分析，对索太尔平均直径随压力的变化关系进行了相关的研究。文[2]主要对气液两相压力对雾化粒子尺寸的影响进行了实验研究，同时对单相喷嘴雾化的效果也进行了一定的研究。文[3]对气动旋流雾化原油喷嘴的索太尔平均直径随压力的变化关系进行了相关研究。文[4]对双路离心式喷嘴的索太尔平均直
径随压力的变化关系进行了研究。这些研究多数是针对气动喷嘴的雾化效果展开的，而有关以雾化水为主要目的的直接压力式细雾喷嘴的雾化特性的研究还比较少。因此，对压力式细雾喷嘴的射流特性进行理论分析，对它的雾滴分布情况进行实验研究，不仅具有重要的理论意义，而且具有较强的现实意义。1.射流特性分析水从喷嘴喷出后其流动的外部结构是典型的圆形紊动射流。其流动的外部结构如图1所示。其中，未受到外界空气卷吸影响而保持原来出口流速的中心部分称为核心区（图中的ACB区），之后的部分称为发展区。从出口至核心区末端的部分为起始段，紊动充分发展以后的部分为主体段。起始段与主体段之间为过渡段，过渡段较短，在分析中为简化起见将这一段忽略。喷雾系统的工作段主要在主体段，因此外部雾化特性分析主要针对主体段。圆形射流虽然没有固体壁面，但可以用边界层微分方程求解[5]。取射流的中心轴为x轴，径向距离为r(见图1)。射流的速度用来表示，其中和分别表示轴向和径向流速。由于在自由紊流射流中，周围流体中的压强为常量，即压强梯度。因此，在圆柱坐标下的圆形紊动射流的微分方程及连续性方程分别为：（1）(2)边界条件为；，(3)；(4)若同时忽略空气阻力的影响，则射流沿x方向不受外力的作用，从而动量通量J为常量。根据相关的已知条件求解上述微分方程，其速度分布的积分解为(求解方法可参见文献[5])(5)(6)其中为射流中
关于漩涡喷嘴的切向入口条件对内部流稳定性影响的探究韩国，151-742，首尔，首尔国立大学，机械航空学院 Sunghyuk Kim, Taeock Khil, Hoyeon Choi ， Youngbin 简要 在漩涡喷嘴中，切向入口条件严重影响着其内部流的稳定性。因为切向入口条件影响着液膜厚度，空气中心形成，喷雾角和质量流率。可以说它是漩涡喷嘴一个最重要的参数。从以往的研究中,我们可以确定，空气核心形成和液膜厚度有着直接的联系。这样我们就可以通过观察漩涡室的空气核心和测量孔的液膜厚度来为各种各样的切向入口条件研究它的内部流特征。测量液膜厚度和观测空气核心形成分别采用了基于电子导电方法而特别设计的注射器和高速摄像系统。孔的液膜厚度和流行的压力脉动之间的变化关系可由FFT（快速傅里叶变换）方法分析。不同的压力脉动与液膜厚度变化呈现同一趋势。我们对内部流的初始入口的角动量动量矩进行了分析，根据这些结果，其内部流的稳定边界就出现了。介绍 形成于涡流室的空气核心成为液膜厚度的根本限定。通常，喷雾器的的外部喷雾现象很容易观察，但是涡流室的空气核心却很难看见。因此，研究主要是通过数值分析的方法进行。参考文献【1】中Som等人指出，空气核心是涡流喷嘴最重要的参数之一，因为空气核心直径决定孔液膜厚度，它在决定雾化过程的平均规模下降中起着重要作用。参考文献[2]Dashi等人观察到，圆锥喷嘴中的空气核心仍然与靠近喷嘴出口的直径保持轴对称，但是它可以实现圆柱喷嘴复杂的螺旋形状，所以在喷嘴出口射流不是一个圆，而是一个椭圆截面。参考文献【3】库珀等人观察在压力漩涡喷雾器中的空气核心和液体表面的波浪使用高速图像和LDA（激光多普勒风速计）方法，他们指出三种各具特色的波浪正在考究之中。螺旋，低振幅，低频率的随机涟漪漩涡驻波。他们也指出，对空气核心/液体表面的干扰，是由这些本地的液膜破裂的波来显现在雾化器出口区域的，空气核心本身与喷雾器壁也发生碰撞。参考文献【6】Donjat等人认为，内部流的不稳定是源于空气核心的岁差运动，它是由于进口喷气扩散和双螺旋波所造成的，
一、旋转射流的空气动力学特性 旋转射流在工程技术中得到广泛的应用，不仅是因为它有较大的射流扩张角，射程短，能在较窄的炉室深度中完成燃烧反应过程，而且在强旋流射流的内部形成了回流区，旋转射流不但从射流外侧卷吸周围介质，还从内回流区中卷吸介质，使大量高温烟气回流到火炬根部，保证燃料顺利着火和稳定燃烧。 1.1旋转射流的特征数—旋流数 研究表明，在自由旋转射流的任一截面上，其旋转动量矩M和轴向动量K 都是守恒的，即： M——旋转射流对轴线的旋转动量矩； K——轴向动量； R——射流截面的半径； ——射流介质的密度； p——射流任意截面上的静压； Q——射流流量； w、u——燃烧器内的平均切向速度和轴向速度； ——旋转气流的旋转半径。 这两个特征量反映了旋转射流的空气动力特性，故国内外都推荐采用以这两个量为基础组成的一个无因次准则来表征旋转射流的特性，称为旋转强度或旋流数，用字母表示。 L——燃烧器喷口的特征尺寸。 目前主流的旋流度定义方式有三种。第一种形式： 这种表达式为我国和前苏联所使用。 第二种形式： 第三种形式： 以上两种形式主要为西欧各国所使用。其中D为燃烧器出口直径。
1.2轴流式直叶片旋流器的旋流度计算 1.2.1几何结构旋流度S 关于旋流度的计算，《煤气设计手册》下册提出以下计算方法：当定性尺寸L取时， （） S——旋流强度； R——旋流器叶片外侧圆半径； R1——旋流器叶片内侧圆半径； ——叶片倾斜角； n——叶片数； c——相邻叶片出口处的平均间距； ——叶片厚度。 1.2.2实际旋流度S p 根据燃烧器的几何结构计算的旋流强度和实际的旋流强度是有差别的，一方面燃烧器的流道存在摩擦损失，另一方面由于中心回流区的存在使得出口的气流截面小于燃烧器的实际出口截面，故计算的出口截面速度将小于燃烧器实际出口速度。这样实际的旋流强度S p将小于几何结构参数决定的S值。 实际旋流强度的计算目前还没有成熟的理论依据，对于轴流式叶片旋流器，当旋流角度较小时，一般认为实际的旋流强度略低于几何旋流强度。 1.2.3综合旋流强度 工程中实际采用的燃烧器通常是将空气分为一、二、三次风，由此形成整个燃烧器的空气动力结构，故引入燃烧器的综合旋流强度的概念，即： 式中，下标1,2,…表示一、二、…次风；、表示某一通道的当量直径和当量面积；即 其中，D max和D0为旋流燃烧器最外通道直径和中心通道的直径。 1.2.4扩锥口对旋流强度的影响 由于具有扩锥，气流在扩锥出口处的轴向速度降低，而切向速度却并未降低
第5章射流 定义：流体由喷咀流出到一个足够大的空间后，不再受固体边界限制而继续扩散的一种流动。 举例：气体、液体燃料的燃烧、转炉吹氧、炉外精炼、高炉喷吹等。 分类：按机理 按流动性质 主要内容：射流的一般特征及经验公式。 5.1 自由射流 ⒈定义：流体自喷咀流入无限大的自由空间中称为自由射流。 形成自由射流必须具备两个条件： ⑴射流流体物理性质如温度、密度等与介质相同。 ⑵空间介质不动，且不受边界的限制。 ⒉基本特点 自由射流可分为几个主要区域：图5-1 P84 喷出的流体与周围介质之间具有很大的速度梯度，流体质点间进行动量交换，喷出流体减速，同时周围流体被卷吸并引向喷出方向而加速，射流边界越来越宽。 射流外边界：射流速度为零。 射流内边界：射流速度保持为初始速度v0。 射流边界层：射流内外边界之间的区域。 转折截面：射流中心一点还保持为初始速度v0的射流截面。 ⑴初始段：喷口截面到转折截面之间。特点：射流中心速度等于v0， 。 ⑵基本段（主段）：转折截面以后的区域。特点：x ，v 中ˉ，为射流边界层所占据。 ⑶射流核心区：具有初始速度v0的区域。 ⑷射流极点：射流外边界线逆向延长的交点O （射流源），张角为180~260。 实验证明，x ，v 中ˉ，V （卷吸），动量不变，静压力与周围介质相同，动能Eˉ（因碰撞而产生动能损失，这一损失转变为热能而散失）。 ⒊速度分布（经验公式） ⑴截面上速度分布 (1) ??? 旋转射流 、限制射流自由射流、半限制射流???大多数情况 紊流射流很难观察到 层流射流0 v v =中2 5.1b y 1v v ??????????? ??-=中
第二章喷头第一节喷头的种类及工作原理第二节喷头的基本参数、性能指标和影响因素第三节摇臂式喷头结构第四节喷头的选型与布置 1 第一节喷头的种类及工作原 理喷头是喷灌机与喷灌系统的重要组成部分。它的作用是把有压水流喷射到空中，散成细小的水滴，并均匀喷洒在灌溉土地上。因此喷头的性能、结构形式及制造质量的好坏将直接影响喷灌的质量。2 喷水量喷头性能工作压力射程喷头的种类和工喷作原理射流式喷头的水头力学原理摇臂式喷头的结构 3 喷头的种类和工作原理按其工作压力和射程的大小可以分为低压喷头或称近射程喷头、中压喷或称中射程喷头和高压喷头或称高射程喷头其划分界线大致可以按表1所列的范围分类。目前用得最多的是中、近射程喷头，因为它消耗的能量较小，而且比较容易得到较好的喷灌质量。按照喷头的结构型式与水流性状可以分为旋转式、固定式和孔管式三种4567喷头按其工作压力和射程的大小分类喷头类别低压喷头中压喷头高压喷头性能工作压力1～3 3～5 5 （kg/cm2喷水量（m3/h ）40 射程（m）40 8 反作用式旋转式喷头叶轮式喷摇臂式头按离心式其固定式喷头缝隙式结构折射式分类多列孔管管孔式喷头单列孔管9 固定式喷头折射式喷头离心式喷头10特点：喷灌过程中，所有部件固定不动，水流以全圆或扇形同时向四周散开水流分散，射
程小（5～10m）喷灌强度大水滴细小，工作压力低结构简单，工作可靠，寿命长用途：公园、苗圃、温室等11 旋转式喷头根据转动机构的特点，将旋转式喷头分为摇臂式、叶轮式、和反作用式齿轮式四种。齿轮式、摇臂式喷头分别是农业和草坪灌溉中最广泛的两种喷头12第二节喷头的基 本参数、性能指标和影响因素对于一个好的喷头，既要要求其机械性能好，即结构简单，工作可靠；又应要求其水力性能好，也就是满足喷灌的主要技术要求（喷管强度小于土壤入渗率，水滴直径细和喷头组合以后的水量分布均匀），而且在同样工作压力和同样流量条件下射程最远。这些要求事相互矛盾的，互相制约的。我们在设计和使用喷头时应全面考虑各方面的要求。不可以片面追求某一指标而忽视其他技术要求，例如，我们不可以追求射程远，而不顾水滴直径和水量分布的要求。而且影响某一水力参数的因素都有好几个。为了能正确使用和设计喷头，我们就需要了解影响这些水力参数（射程、喷洒均匀度和水滴直径）的因素，以便实践中根据需要调节或选择这些水力参数，使之符合身产的要求。13 1、喷水量喷喷水量或称喷头流量是指喷头在单位时间头内，喷射出来的水体积。的性表示符号：q 常用单位：m3/h 有时也用能L/s表示转换关系：1L/s＝3.6 m3/h 测定方法：常采用体积法，循环水池三角堰或水表测定。14 计算喷头流量的半经验方程：
常压四喷嘴强旋转气流床气化炉流动及燃烧气化特性研究 目前我国多数中小型煤化工企业所采用的气化炉是固定床气化炉,其对煤质要求高,碳转化效率低,污染严重,面临转型。加压气流床气化装置尽管性能优越,但投资及维护费用昂贵,难以在中小型化工企业中应用。 常压干煤粉气流床气化技术则具有投资成本小、碳转化效率高和环境友好等特点,较为适用于中小型煤化工厂的升级改造。基于我国数量众多的中小型化工企业的这一需求,我校率先提出了常压干煤粉四喷嘴强旋转气化技术,并得到了 工业应用。 本文的研究对象则是该技术的工业示范项目-宜化集团乌拉山化肥厂造气量30000Nm3/h的常压干煤粉四喷嘴强旋转气流床气化炉。首先根据单相冷态模化 准则确定了冷态试验台的结构和运行参数,搭建了与原型比例为1:8的冷态试验台。 通过对炉内单相冷态流场的研究,得出如下结论:气化炉内单相流场可以分 为6个流动区域,分别为上部返混区、上部折射区、水平射流区、中心切圆区、下部折射区和下部返混区;炉膛下部折射区与返混区的气体沿气化炉高度方向, 混合强度逐渐增大,喷嘴附近区域气体交换量可以达到炉底区域的5倍以上。随着气化炉喷嘴水平偏转角度由4°增加到12°,其切圆直径由74mm增加到126mm。 改变负荷会对气流的切向速度产生明显影响,气化炉负荷升高至120%设计 负荷时,气化炉下部区域受明显影响,相同截面上切向速度最高可达设计负荷切 向速度的1.8倍。而低于设计负荷时炉内的单相流场中,切向速度均稳定在理论值（实际负荷与设计负荷的比值与设计负荷下流场切向速度的乘积）附近,流动情况设计负荷下相似。
利用数值模拟研究了不同喷嘴水平偏转角度和不同负荷下气化炉内的燃烧气化特性。研究发现:煤粉与气化剂反应主要发生在射流边缘,气化炉高温区主要集中在气化炉中上部和喷嘴所在圆周附近,喷嘴截面形成中心负压区,最低温度约为1100K。 CO2和水蒸气在烧嘴气化火焰处浓度相对集中,CO和 H2集中在除了喷嘴附近的其他区域。随着喷嘴水平偏转角度的增加,喷嘴平面上的低温区变大,高温区域位置与壁面距离减小。 随着气化炉负荷由60%设计负荷增加到120%设计负荷,炉内燃烧反应区扩大,使得在燃烧反应区边沿发生的气化反应区下移,CO和H2高浓度范围缩小,而燃烧产物的CO2和H2O富集区域增加。炉膛出口烟气温度由1593K增加到1724K,炉膛出口CO浓度由56.41%增加到 60.56%,CO2浓度由13.72%逐渐减小到10.66%,H2浓度由14.70%增加到18.62%。
流体运动中的射流与涡流特性流体运动是指流体在外力作用下的运动过程。其中，射流和涡流是 流体运动中两种常见的特性。射流是指流体在流动中通过喷嘴、管道 等狭窄通道时，其流速增加而密度减小的现象；而涡流则是流体运动 中形成旋转流动的现象。本文将分别探讨射流和涡流的特性及其应用。 一、射流特性 射流的特性主要包括射流速度、射流角度以及射流的稳定性。首先 是射流速度，射流的速度通常比周围环境的流速要高。这使得射流具 有较强的冲击力，可用于清洗、喷涂等领域。其次是射流角度，射流 角度的大小直接影响了射流的范围和强度。不同角度的射流可以实现 不同的效果，例如喷洒式和喷淋式的喷嘴就是通过控制射流角度来实 现不同的喷雾效果。最后是射流的稳定性，射流的稳定性取决于流体 的性质以及流道的设计。合理的流道设计可以使射流更加稳定，减小 失压和涡脱的现象。 二、涡流特性 涡流是流体运动中形成旋转流动的现象。涡流的特性包括涡旋结构、涡心位置以及涡流的稳定性。首先是涡旋结构，涡流通常会形成旋涡 结构，这是由于流体的速度分布不均匀所致。涡旋的形状、大小和数 量可以反映出涡流的特性。其次是涡心位置，涡心是涡旋的中心点， 涡心的位置可以影响涡流的运动轨迹。最后是涡流的稳定性，涡流的 稳定性受到流体粘性、流速和流动环境的影响。适当调节这些参数可 以改变涡流的稳定性，实现涡流在不同工程领域的应用。
三、射流与涡流的应用 射流和涡流在许多工程领域都有广泛的应用。其中，射流的应用包括火焰喷射器、汽车喷油嘴、火箭喷口等。例如，火焰喷射器利用射流的高速和热能来实现火焰的喷射，广泛应用于冶金、建筑等领域。涡流的应用则包括离心泵、旋流分离器、涡轮发动机等。离心泵利用涡流的旋转力将液体进行输送，广泛应用于工业领域。涡轮发动机则利用涡流的动能转换为机械能，推动飞机、轮船等运输工具。 综上所述，射流和涡流是流体运动中常见的特性。射流具有高速、冲击力强的特点，涡流则表现为旋转的流动。它们在工程领域有广泛的应用，如喷射器、泵和发动机等。对于深入理解流体运动中的射流和涡流特性，以及它们的应用，将有助于我们更好地掌握流体力学理论，并在实际工程中加以应用。
几种喷嘴的喷射流场模拟研究 在工业生产和实际应用中，喷嘴的使用广泛且复杂。喷嘴的喷射流场特性直接影响其喷雾性能和效率。本文通过模拟研究几种常见喷嘴的喷射流场，深入探讨其喷雾性能的差异，为实际应用提供理论依据。喷嘴在许多工业领域如消防、冷却、清洗、喷涂等都有广泛应用。不同种类的喷嘴具有不同的喷射流场，从而具有特定的喷雾性能。对于喷嘴的选择和使用，了解其喷射流场特性至关重要。因此，本文选取了几种常见的喷嘴，通过模拟研究其喷射流场，以评估其喷雾性能。本文选取了以下几种喷嘴进行模拟研究：扇形喷嘴、圆锥形喷嘴、气动喷嘴和平行喷嘴。通过计算流体动力学（CFD）方法，对每种喷嘴的喷射流场进行模拟，得到了以下结果。 扇形喷嘴：扇形喷嘴的喷射流场呈现明显的扇形，具有较大的覆盖面积和较远的喷射距离。模拟结果显示，扇形喷嘴的喷雾性能与喷嘴出口角度密切相关。 圆锥形喷嘴：圆锥形喷嘴的喷射流场呈现圆锥形，射程较远，但覆盖面积较小。模拟结果显示，圆锥形喷嘴的喷雾性能受喷嘴出口角度和流体流速的影响较大。
气动喷嘴：气动喷嘴的喷射流场特点是流体受气压驱动喷出，形成高速射流。气动喷嘴的覆盖面积较小，但具有较远的喷射距离和较高的喷雾速度。模拟结果显示，气动喷嘴的喷雾性能受气动压力和流体特性的影响显著。 平行喷嘴：平行喷嘴的喷射流场特点是流体以平行方式喷出，形成宽广的喷雾带。平行喷嘴的覆盖面积较大，但喷射距离相对较短。模拟结果显示，平行喷嘴的喷雾性能主要受流体流速和喷嘴间距的影响。通过对几种喷嘴的喷射流场进行模拟研究，发现不同喷嘴的喷雾性能存在差异。具体对比分析如下： 扇形喷嘴与圆锥形喷嘴：扇形喷嘴和圆锥形喷嘴都具有一定的喷射角度和射程。然而，扇形喷嘴在覆盖面积上具有优势，而圆锥形喷嘴在射程方面表现较好。在实际应用中，可根据需求选择合适的喷嘴类型。气动喷嘴与平行喷嘴：气动喷嘴以高速射流为主要特点，而平行喷嘴以广范围喷雾为优势。在特定应用场景下，气动喷嘴和平行喷嘴各有优点。例如，对于需要远距离喷射的场景，气动喷嘴具有优势；而对于需要大范围覆盖的场景，平行喷嘴则表现较好。 本文通过对几种常见喷嘴的喷射流场进行模拟研究，深入探讨了不同
叶轮机械的设计与优化研究 叶轮机械是现代机械领域中不可或缺的一部分，它广泛应用于航空、汽车、能源、石化等领域中的各种设备中。在叶轮机械的设计与制造中，优化研究显得尤为重要，因为它可以帮助工程师们尽可能地提高机械的效率，从而提高其使用价值。本文将从叶轮机械的基本原理、设计以及优化研究等层面进行探讨。 一、叶轮机械的基本原理 叶轮机械又称蓄能器，是指将流体通过叶轮的旋转运动产生动能，在转换为压 力能之后，再通过出口进行输出的一类机械装置。叶轮机械的主要组成部分包括叶轮、固定导叶、发动机喷口、轴承等。叶轮是叶轮机械中最重要的部件，它的设计对机械的效率和稳定性有着至关重要的影响。 二、叶轮机械的设计 叶轮的设计是叶轮机械中最为核心的部分。现代叶轮的设计一般采用计算机辅 助设计（CAD）和计算机辅助制造（CAM）技术，可以让设计师更加高效且准确 地完成叶轮的设计。叶轮的设计过程可以分为以下几个步骤： 1. 研究流场特性：通过数值模拟等方法，分析流场的速度、压力、温度等特性，寻求最优解。 2. 设计固定导叶和喷嘴：根据流场特性，设计固定导叶和喷嘴，将流体流向导 向到叶轮中心。 3. 设计叶片曲率：通过绘制叶子曲线来确定叶片的曲率。 4. 优化叶轮外形：根据流体力学、机械强度等要求，优化叶轮的外形。 5. 研究叶轮与流体之间的压力分布：通过数值模拟的方式，研究叶轮与流体之 间的压力分布，寻找最优解。
三、叶轮机械的优化研究 叶轮机械的设计与优化是一个不断迭代的过程，需要不断地进行优化研究。目前，叶轮机械的优化研究主要包括以下几个方面： 1. 气动优化：利用数学模型，对叶轮在工作状态下的流体力学特性进行分析，通过优化叶轮的设计参数，达到最优的气动效果。 2. 结构优化：通过改变叶轮的结构材料、强度等参数，达到最优的结构设计。 3. 降低噪音：优化叶轮的设计，可以将机械噪音降低到最低。 4. 提高效率：通过优化叶轮的设计和流体动力学性能，提高机械的效率。 总之，叶轮机械的设计与优化是一个不断迭代的过程，需要不断地进行研究，以提高机械的效率和稳定性。通过优化叶轮的设计和流体动力学性能，可以将机械的效率和稳定性不断提升，从而为航空、汽车、能源、石化等领域中的各种设备带来更加可靠和高效的运行保障。
工程流体力学中的射流与喷流特性分析 工程流体力学是研究流体在工程领域中的运动、变形和相互作用的学科。射流 与喷流是工程流体力学中常见的现象，在许多实际应用中具有重要的影响和作用。本文将对射流与喷流的特性进行分析，包括形态特征、能量耗散机制和边界条件等方面，以期提供有关工程流体力学中射流与喷流特性的全面理解。 射流是流体以高速喷射出来的一种流动方式。射流的形状与喷头的几何形状、 流体的物性以及射流速度等参数密切相关。射流通常呈锥形或圆锥形，其中心线与喷头中心轴对称。射流的特点之一是具有较高的速度和较小的横截面积。在流体运动的过程中，射流会产生各种现象，如射流的扩散、射流中心线的偏移以及射流中的涡旋等。这些现象对射流的稳定性和传输性能产生了重要影响。 喷流是由于流体在一个较小的孔洞或喷嘴中产生速度增加而形成的，并在周围 的环境中逐渐扩散的流动。喷流通常呈圆锥形，具有较高的速度和较大的横截面积。喷流的形态受到喷嘴几何形状、喷嘴出口流速和环境压力等因素的影响。在喷流的过程中，会出现喷流的弥散、涡旋形成以及边界效应等现象。这些现象对喷流的传输性能和工程应用带来了一定的挑战。 射流与喷流的能量耗散机制是工程流体力学中的重要研究内容。射流与喷流的 速度梯度较大，会导致能量的耗散，从而引起喷流的弥散和射流的偏移。射流与喷流的能量耗散涉及到流体的能量转化和传递，在实际工程中需要进行合理的设计和控制。研究射流与喷流的能量耗散机制，可以帮助工程师优化喷头和喷嘴的设计，提高流体的传输效率和能量利用率。 除了形态特征和能量耗散机制外，射流与喷流的边界条件也是工程流体力学中 的重要内容。射流与喷流的边界条件包括入口条件、出口条件和周边环境条件等。入口条件决定了射流和喷流的初始特性，而出口条件则影响了射流和喷流的扩散和传输过程。周边环境条件会对射流与喷流的稳定性和形态产生一定的影响。在工程实践中，合理选择和控制射流与喷流的边界条件对于实现预期效果至关重要。
离心式叶轮内部湍流及出口“射流尾迹”结构的成因分析 标题：离心式叶轮内部湍流及出口“射流尾迹”结构的成因分析摘要：本文研究了离心式叶轮内部湍流及出口“射流尾迹”结构的成因。首先，通过实验获得了完整的流动特性和射流尾迹结构，然后采用基于流场分析的数学方法来模拟流动变换，以确定叶片入口及出口处湍流强度及 {射流尾迹} 的形成机制。最后，介绍了离心式叶轮研发设计中理解和控制射流尾迹结构的重要性。 关键词：离心式叶轮，湍流，射流尾迹，流动特性离心式叶轮的应用主要体现在以下几个方面： 首先，离心式叶轮可以在水力发电厂中作为涡轮机和水泵等装置，以利用湍流转换成机械能。因此，正确设计离心式叶轮的内部流动特性和射流尾迹结构对水力发电厂的效率和可靠性至关重要。 其次，离心式叶轮可以在海上平台、风力发电、风轮机和航空航天等行业得到应用。如在风力发电领域，离心式叶轮甚至可以发挥重要作用，用来把风力转换为电能。因此，正确认识和掌握离心式叶轮内部湍流及出口“射流尾迹”结构是获取良好结果的关键。 此外，离心式叶轮也可以应用于空调设备、涡轮增压和泵类装备等行业，用以实现流体动力学转化。在这些领域，离心式叶轮的内部湍流及出口射流尾迹结构的理解是保证其设备可靠性的关键。
总之，离心式叶轮的应用非常广泛，理解和控制其内部湍流及出口射流尾迹结构的机理无疑可以保证其设备的可靠性和效率。实际应用中，研究离心式叶轮内部湍流及出口射流尾迹结构的理解，需要考虑多项因素。首先，不同的叶片形状研究中必然会存在一些差异，如叶片处理方法、叶片厚度和角度等。此外，有关叶片内部湍流及射流尾迹结构的研究，也需要考虑入口及出口处的流量条件，包括进入叶片入口处的静态压力分布、流量分布和温度等参数。 此外，流体力学模型也是影响研究离心式叶轮内部湍流及射流尾迹结构的重要因素。例如，常用的RANS（Reynolds Averaged Navier Stokes）模型能够以数学方法准确模拟离心式 叶轮内部的湍流及射流尾迹结构，但它所考虑的参数较少，无法准确模拟出湍流强度及射流尾迹结构变化的趋势。 因此，在实际应用中，多个因素必须考虑在内，一种有利的方法是采用数值模拟的方法，配合实测数据，以准确理解和控制离心式叶轮内部湍流及射流尾迹结构的变化趋势，从而提高设备的可靠性和效率。另外，实验是研究离心式叶轮内部湍流及射流尾迹结构的重要手段，也是目前最重要的实验方法。离心式叶轮实验中，测量可用来确定叶轮出口各方向上射流速度、动压力差和入口及出口处温度和压力等参数。此外，对不同形状叶片进行实验比较，可以获得有关湍流特性的参数，用以优化叶片的形状和尺寸，从而实现设计的最佳效果。 总的来说，要理解离心式叶轮内部湍流及射流尾迹结构，还有许多不同的方法可以考虑，如数值模拟、实验等。因此，在实
同轴三维射流特性研究 近年来，随着科学技术的飞速发展，同轴流体动力学的研究受到了越来越多的关注。传统的同轴流体动力学研究主要集中在二维射流的特性，但是随着计算机技术的进步，三维流体动力学的研究框架也受到了广泛的关注。同轴三维射流的特性是对新型流体动力学系统，包括管线流体动力学系统、压缩机系统、燃气轮机系统和飞机发动机系统，以及其他复杂流体动力学系统的研究，具有重要的现实意义。因此，本文将针对同轴三维射流研究的研究现状进行概述，着重介绍了射流解析解的研究方法、射流数值模拟方法和射流实验方法，并将三个方法应用到某特定同轴叶轮箱射流研究，最后介绍射流试验台设计、测试工厂和企业应用。 一、流解析解法 射流解析解是指根据流体力学理论对射流特性进行分析和求解，从而可以计算流体流动特性。对于一般同轴射流，可以用展开法求解，采用商标格式解析解表达，从而获得流速分布、流量分布、压力分布等。现有的射流解析解研究可以分为基础性研究和具有实际意义的研究。 1、基础性研究 基础性研究是指在射流解析解的基础上，对射流的流动特性进行建模与求解，特别是针对不同入口形状、出口形状、叶轮参数等参数变化，从而获得流动特性，为该领域的研究提供重要支撑。例如，针对五叶轮射流和混合出口射流，陈勇等研究人员针对不同入口形状、
出口形状和叶轮参数，利用展开法模拟求解，获得了射流的流动特性，极大地拓展了射流研究的新领域，为更多应用提供了参考。 2、实际意义研究 实际意义的研究是指将射流解析解法应用于实验室等现场测量，以解决实际工程中的问题，如液力发电机出口射流、涡轮机流量调节和叶轮参数优化等。根据实际工程中的需求，针对不同的入口形状、出口形状和叶轮参数，利用解析解法计算射流的流动特性，比如液力发电机出口射流的流量、功率、压力，涡轮机流量调节的水力响应特性，以及叶轮参数优化的调节特性。 二、射流数值模拟 射流数值模拟是指根据流体动力学模型和相关条件，采用离散形式计算方法，构建数值模拟模型，求解射流流动特性。常用的数值模拟方法主要有格子流体法（Grid-Fluid）、Smoothed-Particle Hydrodynamic（SPH）和Computational Fluid Dynamics（CFD）等。在实际应用中，通常先利用数值模拟方法，构建射流数值模型，求解射流的流动特性，然后再将求解的结果作为射流实验的校核基准，实现理论与实验的联系。 1、格子流体法 格子流体法是一种基于不变形格点的数值求解方法，主要是利用离散的数值模型，根据流体的压力和流速，求解流体的动力特性。利用格子流体法，可以求解同轴射流的流动特性，其结果具有较高的准确性，是射流研究中常用的建模方法。现有的格子流体法研究主要集
工程流体力学中的射流和喷射问题研究 在工程流体力学领域中，射流和喷射问题是研究的重点之一。射流是指液体或 气体通过一个小孔或孔口以一定速度从一个密闭容器中排出。而喷射则是指液体或气体通过一个喷嘴或喷头以一定速度从容器中喷出。 射流和喷射问题研究的内容包括射流和喷射的物理现象、流动特性以及影响因 素等。在设计工程中，了解和掌握射流和喷射问题的基本原理和特性是非常重要的。 首先，射流和喷射液体的速度和流量是研究中的重要参数。通过控制射流和喷 射的速度和流量，可以实现对流体的控制和调节。在实际应用中，可以通过调整液体供给压力和孔口或喷嘴的几何形状来实现速度和流量的控制。 其次，射流和喷射的距离和范围也是需要考虑的因素。这些参数受到多种因素 的影响，如液体的密度、粘性和表面张力等。通过对这些参数的研究和分析，可以得出射流和喷射的最佳距离和范围，以及控制溅射和飞散现象。 此外，射流和喷射还存在着与周围环境的相互作用。例如，在湿式喷气除尘系 统中，射流和喷射会与环境中的颗粒物发生碰撞和交互作用。这种相互作用可能会影响到射流和喷射的性能和效果。因此，需要对环境因素进行研究，以优化射流和喷射的设计和操作。 此外，射流和喷射问题的研究还涉及到流体力学中的流动特性和流场分析。通 过使用数值模拟和实验测试等方法，可以研究射流和喷射的速度分布、压力分布以及涡旋的生成和演化等现象。这些研究可以帮助我们理解射流和喷射的流动机理，为工程实践提供依据和指导。 此外，在射流和喷射问题的研究中，还需要考虑到流体的物理性质和流体动力 学方程等基本理论。该问题涉及的物理性质包括密度、黏度、表面张力等，而流体动力学方程则包括质量守恒、动量守恒和能量守恒等方程。通过对这些基本理论的
气动力学特性对射流喷嘴的影响研究 射流喷嘴作为一种常见的流体力学装置，广泛应用于各个领域，包括汽车发动机、航空航天等。气动力学特性是射流喷嘴的关键参数之一，对射流喷嘴的性能和效果有着重要的影响。本文将就气动力学特性对射流喷嘴的影响进行探讨。 首先，射流喷嘴的气动力学特性直接影响其喷流的速度和稳定性。在射流流动中，流体分子的运动受到气动力学的影响，流速、流向和流量等参数与射流喷嘴的气动力学特性密切相关。射流喷嘴的结构设计和气动外形能够影响流体的流动方式和流线的形成，从而改变射流的速度和稳定性。 其次，气动力学特性对射流喷嘴的能耗和效率产生直接影响。在流体力学中， 流动过程中的阻力损失会导致能量损耗和性能下降。射流喷嘴在工作时需要消耗一定的能量来达到所需的喷流效果，而气动力学特性的改变会直接影响到能耗的大小和喷流效果的实现。同时，合理设计射流喷嘴的气动力学特性可以提高能量利用率，提升工作效率。 此外，射流喷嘴的气动力学特性还会影响到流体的混合和扩散效果。在某些实 际应用中，射流喷嘴需要将不同介质的流体进行混合和扩散，如发动机燃烧室中燃油和空气的混合、环境空气中颗粒物的扩散等。而射流喷嘴的气动力学特性会影响到流体的混合和扩散程度，从而决定了所需的工艺效果和产品质量。 另外，射流喷嘴的气动力学特性还与噪声产生密切相关。在射流喷嘴工作时， 流体流动会产生噪声，而气动力学特性的改变会导致噪声的变化。噪声的产生与流体的流动速度、压力等参数有关，而这些参数又与射流喷嘴的气动力学特性密切相关。因此，在设计和选择射流喷嘴时需要兼顾噪声控制和气动力学特性优化，以达到理想的工作效果。 综上所述，气动力学特性对射流喷嘴的影响是多方面的，包括射流速度和稳定性、能耗和效率、混合和扩散效果以及噪声产生等。因此，在射流喷嘴的设计和研
旋转射流喷头内部流体速度的研究 刘力红 【摘要】采用非标准螺旋形的加旋元件,形成加旋喷头,使喷出的射流在旋转过程中向外扩散,达到内壁清洗和钻孔的目的.加旋喷头分为圆管进液段、流槽加旋段以及 锥形收缩段.文中对其流槽加旋段及锥形收缩段内流体的速度函数关系进行了探讨, 得出了相应的函数关系表达式.结果表明:液体在流槽加旋段内的运动,可视为一元轴对称螺旋流动,在锥形收缩段内流体的运动可视为二元轴对称螺旋流动. 【期刊名称】《管道技术与设备》 【年(卷),期】2010(000)004 【总页数】3页(P49-50,54) 【关键词】旋转射流;加旋喷头;螺旋流动;速度函数 【作者】刘力红 【作者单位】安徽理工大学机械工程学院,安徽淮南,232001 【正文语种】中文 【中图分类】TP273 普通的冰粒射流和磨料射流可用于表面清洗作业[1-3]，但一般用于外表面的清洗。而旋转射流则是一种可用于内表面(如管道内壁清洗)的射流。 普通的射流出射后只有纵向速度，若能使射流在喷射时旋转起来，这样出射后不仅有纵向速度，而且有径向和切向速度，即形成旋转射流。旋转射流区别于普通射流的一个重要参数为旋度，即射流出口最大切向速度和最大纵向速度之比，旋度越大，
切向速度越大，纵向速度衰减得越快。因此可以利用旋转射流的这一特性进行管道内壁的清洗作业或者钻孔[4]。 旋转射流的形成一般都需要采用一定的加旋措施，加旋方法主要有两大类：一类是机械方法使喷头旋转，缺点是会带来难以解决的旋转密封问题；另一类是利用流体动力学方法，主要有切向注入法和加旋元件法，切向注入法是通过改变切向注入与轴向进入喷嘴内的流体比例来调节旋度，缺点是流体比例不易控制，加旋元件法是在喷头体内安装一强制使流体旋转的元件，此法易于实现，但要配备参数不同的加旋元件以满足不同旋度的要求。 文中采用加旋元件法，在喷头体内安装开有非标准螺旋槽的加旋元件，形成如图1所示的加旋喷头。加旋喷头由加旋元件、喷头体、喷嘴压帽和喷嘴等组合而成，分为三段。 第Ⅰ段为圆管进液段，该段内流体的运动形式是液固两相流在有压管道内的流动(液体为高压水，固体为磨料或者冰粒)。第Ⅱ段为流槽加旋段，在该段内的介质运动属于强制性的圆柱形螺旋流动。第Ⅲ段为带锥芯的锥形收缩段，其内部的介质运动也是强制性的，但属于收敛锥形螺旋流动。 螺旋流动是指流速与流体质点的旋转角速度的方向重合的流动，由流体动力学，螺旋流动的一般表达式为[5-6]： 式中：ωx，ωy，ωz分别为流体绕x，y及z轴的旋转角速度；ux，uy，uz分别为流体沿x，y及z轴的平移速度；k为比例系数，一般是位置与时间的函数， k=k(x，y，z，t)。 对于不可压缩均质流体，其连续性方程可表为 由式(1)及式(2)式可见，4个待定参数ux，uy，uz及k分别对应于4个偏微分方程。因而从理论上说，可由定解条件确定出流速的分布。 流槽加旋段内的流体是在加旋元件的螺旋形流道内流动的。由于螺旋形流道完全由
喷嘴结构对高压水射流影响及结构参数优化设计 高压水喷射技术已广泛应用于清洗、切割、喷涂等领域，喷嘴是高压 水射流系统中起决定性作用的关键部件之一、喷嘴的结构参数对于高压水 射流的影响和优化设计具有重要意义。本文将对喷嘴结构对高压水射流的 影响进行探讨，并进一步研究结构参数的优化设计。 首先，喷嘴的结构参数对高压水射流的形成和性能具有直接影响。喷 嘴的内部构造决定了高压水进入喷嘴后的流动状态。一般来说，喷嘴的内 腔可以设计成不同的形状，如锥形、圆锥形、等径等。内腔的形状对于水 流的加速和聚束有重要影响。喷嘴口径的大小、缩颈的长度和角度等参数 也会对喷嘴流动特性产生影响。通过合理设计这些结构参数，可以实现高 压水射流的最佳效果。 其次，喷嘴结构参数的优化设计是提高高压水射流性能的重要手段。 通过对喷嘴结构参数的优化设计可以改善高压水射流的加速和聚束效果， 提高其冲击力和清洗效果。优化设计的方法包括参数调整和结构改进等。 参数调整是指根据实际需求，合理选择喷嘴口径、缩颈长度和角度等结构 参数。结构改进可以通过多孔喷嘴、多嘴设计等方式实现喷射流的聚束和 加速效果。 喷嘴结构对高压水射流的影响是一个复杂的问题，需要综合考虑流体 力学、热力学和材料力学等多个方面的因素。因此，在进行喷嘴结构参数 优化设计时，需要借助计算机模拟和仿真等手段，通过数值方法来研究喷 嘴内部流场和压力分布等参数的变化规律。同时，可以结合实际应用需求，通过实验数据验证和修正仿真结果，最终得到合理的结构参数。
总之，喷嘴结构对高压水射流的影响及结构参数的优化设计是一个复杂而关键的问题。合理设计喷嘴的结构参数可以改善高压水射流的加速和聚束效果，提高其冲击力和清洗效果。在研究和应用过程中，需要综合考虑流体力学、热力学和材料力学等多个因素，并借助计算机模拟和实验验证来得到合理的结构参数。
射流喷嘴旋流强度对燃烧室回流和燃烧特性的影响研究 刘耘州;熊燕;张环;刘艳;张哲巅;肖云汉 【摘要】随着燃气轮机参数的提高和稳定低排放运行工况的拓宽,对燃烧的要求也越来越高.柔和燃烧作为一种有潜力的燃烧技术,具有温度均匀、燃烧稳定和污染物排放低等优点,而如何在燃烧室内组织流动是实现柔和燃烧的关键.采用高速射流引射掺混的方式可以较好的满足柔和燃烧产生所需的条件.预混射流喷嘴结构和布置对流场和燃烧特性有重要影响,如何选择射流喷嘴结构值得进一步研究.本文通过实验和数值模拟相结合的方式,研究了柔和燃烧器中预混射流喷嘴的旋流强度对燃烧器流动结构和燃烧排放的影响.结果表明,旋流能增强燃料/空气的掺混,低旋流作用下能使喷嘴出口掺混不均匀度ISMD下降0.15左右;但是喷嘴旋流对燃烧室的烟气回流有减弱的作用,使回流区向喷嘴和中轴线靠近;同时,旋流会造成温度场和火焰面不均匀分布,略微拓宽燃烧工况范围并略微增加火焰的稳定性.实验结果表明喷嘴旋流进气角从0°变化到45°时,NOx排放随旋流角的增大而增加. 【期刊名称】《燃气轮机技术》 【年(卷),期】2018(031)003 【总页数】9页(P13-21) 【关键词】射流喷嘴;柔和燃烧;数值模拟;流动结构;NOx排放 【作者】刘耘州;熊燕;张环;刘艳;张哲巅;肖云汉 【作者单位】中国科学院先进能源动力重点实验室(工程热物理研究所),北京100190;中国科学院大学,北京100049;中国科学院先进能源动力重点实验室(工程热物理研究所),北京100190;中国科学院大学,北京100049;中国科学院能源动力研
究中心,江苏连云港222069;中国科学院先进能源动力重点实验室(工程热物理研究所),北京100190;中国科学院大学,北京100049;中国科学院先进能源动力重点实验室(工程热物理研究所),北京100190;中国科学院能源动力研究中心,江苏连云港222069;中国科学院先进能源动力重点实验室(工程热物理研究所),北京100190;中国科学院大学,北京100049;中国科学院能源动力研究中心,江苏连云港222069;中国科学院先进能源动力重点实验室(工程热物理研究所),北京100190;中国科学院大学,北京100049;中国科学院能源动力研究中心,江苏连云港222069 【正文语种】中文 【中图分类】TK472 燃气轮机作为现如今效率最高的热-功转换发电设备，它的制造和研发水平代表了一个国家的重工业水平[1]，被誉为“工业皇冠上的明珠”。近年来，有关燃气轮机排放的政策规定日益严苛，因此，低NOx排放成为了燃气轮机先进性的重要性能指标之一[2]。燃烧室作为燃气轮机的核心部件之一，其喷嘴设计，内部流场分布等特征是影响燃气轮机污染物排放、运行效率等指标的关键因素[3]。 为降低燃气轮机污染物的排放，世界各国都对低污染燃烧技术进行了广泛的研究，发展了不同形式的低污染燃烧室[5]。旋流预混燃烧器因其良好的火焰稳定性和燃尽特性广泛应用于燃气轮机燃烧系统中[7]。基于此类型的燃烧器，发展出了多种低NOx的燃烧技术，其中，柔和燃烧凭借其温度均匀、燃烧稳定和污染物排放低[8]等优点成为了近年来燃气轮机技术研究的重要方向之一。 实现柔和燃烧要求燃料和空气在自燃前要与烟气进行充分混合，促进混合物初始温度的升高，使进口温度、燃料组分、氧浓度、燃气的组分和温度等满足一定的条件[8]。Wünning父子[9]定义了回流比：
旋流式进料喷嘴实验与流场结构数值模拟 黄启龙;李进贤;郑亚;朱国强;赵思珍 【摘要】针对旋流式催化裂化进料喷嘴进行了实验研究和数值模拟。实验中测量了不同工况下的雾化粒径和喷嘴的雾化角，同时验证了各段的压降分配方案。通过VOF（ volume of fluid）方法对喷嘴气液两相流的流动过程进行了数值模拟，描述了喷嘴中两相流的填充过程，得到了喷嘴的压力、速度分布和雾化角，并与实验结果进行了比较，二者吻合较好。对上述结果分析后表明，该型旋流式喷嘴雾化粒径在53～60μm，雾化角随气液比或流量的增大而有所增加，采用内外嵌套式旋流器可使射流厚度较为均匀。%Experiments on and numerical simulation of a swirl fluid catalytic cracking ( FCC ) feed nozzle were presented. In the experiments, the spray angle and sauter mean droplet ( SMD) were measured at different flow rates. Then pressure drop on each section of nozzle was verified. Volume of Fluid ( VOF) method was used to simu⁃late the gas⁃liquid flow process in a swirl FCC feed nozzle. The simulation exhibited the process of two⁃phase flow filling feed nozzle. The nozzle pressure, velocity distribution and spray angle were calculated;the calculated results agreed well with validated by experimental data. The results show that: the SMD size of feed nozzle is 53⁃60μm;the spray angle increases with increasing gas/liquid mass ratio or flow rate;the spray pattern is fairly evenly distrib⁃uted within combined cyclone. 【期刊名称】《西北工业大学学报》 【年(卷),期】2015(000)003