（化工过程机械专业论文）自激振荡脉冲射流装置性能影响因素数值分析及喷嘴结构优化设计.pdf

摘要 本论文课题来源于浙江省自然科学基金重大资助项目大型工业油罐罐 底油泥清洗及油泥无害化、资源化处理( 项目编号：z e 0 2 0 8 ) 。项目的主要内容 分为两部分：研制白激振荡脉冲清洗装置用于大型工业油罐罐底油泥的清沈；油 泥的无害化、资源化处理。本论文隶属于第一方面的内容。 本课题组前期根据实际的工程需要，首次将脉冲喷射清洗方式引入到大型 1 = 业油罐底泥的清洗方面，模型试验获得了很好的清洗效果。在喷射装置的设计 巾，臼激喷嘴的频率特性对射流的清洗效果存在着极其重要的影响，目莳国内外 的相关研究还很不完善。在本文中，首先通过采用流体网络理论的小扰动集中参 数模型，推导了低压大流量自激脉冲射流喷嘴的频率特性分析式，初步分析了结 构参数和运行参数变化对脉冲效果影响的趋势：然后通过建立非定常液汽两相流 空化模型，对自激喷嘴内部流场进行数值模拟，揭示了低压大流量自激振荡脉冲 发生机理，进而建立了自激脉冲喷嘴数值优化理论；最后通过两次模型试验和数 值计算综合分析的结果，得到了自激喷嘴结构参数和运行参数的优化配比范围， 为指导工业没计打下了坚实的基础。 第一章绪论从工业应用背景出发，对大型工业油罐自动清洗技术及采用脉 冲射流清洗的可行性和优点进行了论述，同时对国内外相关研究理论尤其是射流 清洗理论进行了综述。第二章通过采用流体网络理论的小扰动集中参数模型，推 导了低压大流量自激脉冲射流喷嘴的频率特性分析式，同时指出了目前直接理论 分析中存在的困难和可行性研究方法。第三章建立了定常空化射流数值模拟理 论，主要讨论了利用双流体模型进行定常空化模拟的控制方程、方程离散、坐标 变换、液汽两相流s i m p l e 解法等，并特别讨论了利用汽体密度分数进行相问压 力分摊的必要性。第四章针对所提出的低压大流量自激脉冲清洗方式及自激脉冲 喷嘴，建立了非定常二维空化数值模拟理论，对原空化模型进行了改进，通过对 空化发生后腔内压力、速度及体积分数场的分区，揭示了自激脉冲射流发生机理， 总结了产生较好激振效果的要点。第五章讨论喷嘴结构参数及运行参数对激振效 粜的影响，提出自激喷嘴的数值优化理论。第六章通过两次模型试验对自激喷嘴 优化模型加以验证，并综合模型试验和数值分析的结果，总结了自激喷嘴结构、 运行参数优化配比范围，提出自激脉冲装置优化设计理论。第七章总结了全文研 究成果与创新点，指出了研究过程中存在的不足，提出进一步的研究方向。 关键词：自激喷嘴、优化设计、频率特性、空化模型、液汽两相流、低压大流量、 油泥清洗 i i 浙江大学博士学位论文 腑l u e n c ee a c t o r sn u 眦r i c a ls 啜吼a t i o ns t u d y0 ft h e s e l f e c i t e do s c i l l a t i o np u l s e dj e td e c ea n d n o z z l es t r u c t u r eo p r d 加匣凰dd e s i g n a b s t r a c t i n t h i s d i s s e r t a t i o n , t h es e l f - e x c i t e d o s c i l l a t i o n p u l s e d j e t n o z z l e s ，u s e d i n t h ec l e a n i n g o f i n d u s t r i a lo i lt a n kb o t t o ms l u d g e a v eb e e ns t u d i e d h lt h ec o n d i t i o n so fl o wp r e s s u r ea n d l a r g ef l u x ，an e wp u l s e dj e tm e t h o do fc l e a n i n gb o t t o ms l u d g ei sf i r s t l yp r o p o s e d t h e m e c h a n i s mo fs e l f - e x c i t e dp u l s ea c t i o ni sd e m o n s t r a t e da n dt h en u m e r i c a lo p t i m i z ed e s i g n t h e o r yo f t h es e l f - e x c i t e dn o z z l et h e r e f o r ei sp r o m o t e d _ t h eu n s t e a d yc a v i t a t i o n sm o d e li ss e t u pa n dt h es e l f - e x c i t e do s c i l l a t i o nc h a m b e r sf l o wf i e l di ss i m u l a t e d mm o d e le x p e r i m e n t s o fs e l f - e x c i t e do s c i l l a t i o nn o z z l eh a v eb e e ne o n d 删t ov e r i f yt h et h e o r i e s a tl a s t n o z z l e s t r u c t u r eo p t i m i z e dd e s i g nt h e o r yi sb u i l d , i t su s e f u lf o rd i r r e c t i n ga c t u a l l yi n d u s t r i a ld e s i g n i n c h a p t e r1 ：t h et e c h n o l o g i e so ft h et r e a t m e n to fb o t t o mo i ls l u d g e a n dw a t e rj e t c l e a n i n ga r ei n t r o d u c e d , t h el a t e s td e v e l o p m e n to nt h e ma l es u m m a r i z e d i nc h a p t e r2 ：t h ef r e n q u e n c yc h a r a c t e r i s t i co fs e l f - e x c i t e do s c i l l a t i o nn o z z l ei sd e d u c e d b a s e do ns m a l ld i s t u r bh y d r o n e t w o r kt h e o r y , a l lk i n d so f p a r a m e t e r s i n f l u e n c et of r e n q u e n c y a r ea n a l y s i z e d w a v es p e e d si n f l u e n c ei se m p h a s i z e de s p e c i a l l y h lc h a p t e r3 ：t h en u m e r i c a lt h e o r yo f s t e a d yc a v i t a t i o n sh a sb e e ns e tu p b yt h es t u d y i n g o ft h et w o f l u i dm o d e lo fl i q u i da n dv a p o r t h ec o n t r o le q u a t i o n sa r ep u tf o r w a r da n dt h e m e t h o do fe q u a t i o n ss e g r e g a t i n g ，t h em e s h 鲥dt r a n s f o r m a t i o na n ds i m p l ef o rt w o p h a s e f l u i di sp r o m o t e dt h em e t h o do f s h a r i n gp r e s s u r eb ym a s sf l a c t i o ni sd i s c u s s e de s p e c i a l l y i nc h a p t e r4 ：u n s t e a d yc a v i t a t i o n sm o d e li sp r e s e n t e da n di m p r o v e dt o o t h em e c h a n i s m o ft h es e l f - e x c i t e dp u l s ei se x p a t i a l i x lt l l r o u g ht h ed i v i d i n go ft h ep m s s m e ，v e l o c i t ya n d v o l u m ef r a c t i o nz o n e t h eo u t l i n e so nh o wt of o r mp u l s e j e ta i es u m m a r i z e d h c h a p t e r5 ：t 啊ee f f e c t so ft b en o z z l ec o n f i g u r a t i o na n dt h eo p e r a t i n gp a r a m e f e r st ot h e s e l f - e x c i t e dn o z z l eh a v eb e e nd i s c u s s e db yn u m e r i c a ls i m u l a t i o na n a l y s i s , t h eo p t i l 1 a lr a n g e o fs t r u c t u r a lp a r a m e t e r sa n do p e r a t ep a r a m e t e r sa r es u m m a r i z e d i nt h ec h a p t e r6 ：t h ev e r i f i c a t i o nh a sb e e nm a d ef r o mt h ee x p e r i m e n t , a n dt h el a s t o p t i m a lr a n g eo f s t r u c t u r a lp a r a m e t e r sa n do p e r a t ep a r a m e t e r sa r ec o n f i r m e d h c h a p t e r7 ：t h es u m m a r i z a t i o no ft h ed i s s e r t a t i o ni sg i v e a n dt h es u g g e s t i o n so f h i 浙江人学博二l 学位论文 fu r t h e rr e s e a r c h e sa r ep r o m o t e d k e yw o r d s ：s e l f - e x c i t e do s c i l l a t i o nn o z z l e ，p u l s e d j e t ，o p t i m i z e dd e s i g n ，c a v i t a t i o n sm o d e l ， l i q u i d - v a p o rt w op h a s ef l o w ，l o wp r e s s u r ea n dl a r g ef l u x ，o i ls l u d g ec l e a n i n g 浙江人学博士学位论文 图例索引 l 到1 2 1 自激脉冲喷嘴内部结构图 图2 2 1 射流剪切层波动位移示意图 图2 2 2 自激振荡脉冲射流喷嘴压力场示意图一 图2 3 1 自激振荡腔集中参数等效线路图 图3 1 1 自激脉冲喷嘴结构示意图v 蚓4 3 1i 岛压小流量自激脉冲发生机理简图 图4 3 2 两种脉冲射流效果比较图 一一，t t 图4 3 3 自激振荡腔内压力变化数值模拟 蚓4 4 1 工况8 1 7 1 0 0 6 0 压力场、液体体积分数场及速度矢量场 、+ 劁4 4 2t 况8 1 7 一1 0 0 9 0 压力场、液体体积分数场及速度矢量场 一u 圈44 3 工况8 一1 5 8 0 一6 0 压力场、液体体积分数场及速度矢量场一 图4 4 4 工况8 一1 8 1 0 0 一6 0 压力场、液体体积分数场及速度矢量场 一v 矧4 4 5 工况8 一i 8 1 2 5 6 0 压力场、液体体积分数场及速度矢量场 网4 4 6 工况8 - 1 7 8 0 6 0 压力场、液体体积分数场及速度矢量场” 旧511 白激腔体内压力分区示意图 一“ 一 “u 图5 1 2 腔径变化对空化区影响分析图 一 一 图5 1 3d 。= 1 5 r a m 情况下腔径变化数值分析对比图 一 旧514 下喷嘴直径变化数值模拟结果，- 图5 1 5 不同长径比情况下压力场及速度矢量场数值分析图一- - 幽5 1 6 下喷嘴加长后的自激喷嘴数值模拟 闰5 2 1 瞬念压力场、速度矢量图及相图分析( 1 ) 一 罔5 2 1 瞬态压力场、速度矢量图及相图分析( 2 ) 图5 2 2 三种不同入口速度下空化区形状示意图 图5 2 3 不同上喷嘴入口速度下瞬态压力场、速度矢量图及相图 圈52 4 不同下喷嘴淹没深度下瞬态压力场、速度矢量图及相图 图6 2 1 模型试验用白激脉冲喷嘴结构图 图6 2 2 自激脉冲喷嘴试验装置图一 v 旧 辨 眄 卯 陀 佗 h 加 加 n 挖 弘 如 浙江大学博士学位论文 图6 2 - 3 自激脉冲喷嘴试验装置图二( 平面布置图) 图6 3 18 1 8 一1 2 5 工况测点压力近周期性变化规律 幽6 3 r 2i 0 - 1 8 - 1 2 5 工况测点压力近周期性变化规律 图6 3 ，3 腔长一打击力示意图 图6 3 4 泵压一打击力示意图 图6 3 5 入口压力与打击力的关系一 图6 3 6 脉冲射流与连续射流打击油泥效果对比图t + ” ” 强 弱 甜 浙江大学博士学位论文 列表索引 表3 2 1 控制方程通用式参变量具体意义，一。 表3 2 2 模型常数系数 + 表3 2 3 柱坐标下液气双流体模型各项意义一 表3 3 1 液气二相流控制方程坐标变换通用形式各项意义( 连续方程除外) 表4 4 1 非定常空化过程数值模拟的自激喷嘴主要结构参数一 表5 1 1 自激喷嘴结构参数工况编号说明 。 表5 1 2 三组吐4 的腔径变化工况 、 表5 13 两组长径比p 的下喷嘴变化工况( 单位：m m ) 。 。 表5i 4 两种腔径比d ，乩情况下的腔长变化数值分析工况( 单位：m m ) 表5 2 一上喷嘴入口压力变化工况( 8 - 1 7 1 0 0 - 6 0 ) ” 农5 2 ：上喷嘴入口速度变化工况( 8 1 7 1 0 0 6 0 ) 表5 2 3 不同淹没深度数值模拟工况 表6 1 1 喷嘴工作压力、流量及有效射程表 表6 2 1 自激喷嘴基本结构参数( 单位：m m ) 一 表6 2 2 装置设备及试验仪表及精度， 5 7 5 6 5 8 6 5 8 7 1 0 7 1 0 9 1 1 0 1 1 2 1 1 9 1 2 0 1 2 3 1 2 8 l3 0 l3 2 浙扛大学博：t 学位论文 第一章绪论 第一节工业应用背景 一、水射流装置的工业应用 水射流技术是一项涉及多学科的应用技术，包括流体力学、材料力学、固体 力学、机械学和高压工程等十多个专业学科。近三十年来，水射流技术发展迅速， f 1 益完善地称为新型的清洗、切割、破碎工具，应用面日趋广泛。从具体应用来 看，它为我国的采掘技术展现了变革性的前景；为我国加工业、清洗除锈业、基 础施工、增添了新的技术手段；从长远看，它可改变目前油井开采方法，改进油 罐清沈方式，对石化工业产生重大影响。因此，丌展对射流技术的研究和应用， 不仅对促进我国科技进步，而且对提高石化工业经济效益具有重要的意义。“。 反映水射流做功能力的标志主要有两个：有效功率只和有效打击力f 。这两 个指标出具体反映到两个参数上，即压力和流量。压力和流量两个参数的作用是 互补的，但又不能相互替代，不能偏废。也就是说，对于某一特定的作、l k 目标， 必须要有一定的射流压力，在此基础上，流量越大显然作业效率越高。 从压力级别上分，国际上将水射流压力级别分为四类【2 j ，即低压：o 5 2 0 m p a ，巾压：2 0 1 4 0 m p a ，高压：1 4 0 4 0 0 m p a ，以及超高压： 4 0 0 m p a 。 为提高水射流的冲蚀能力及效率，目前对于水射流的研究技术路线主要有两 条：一是研究高压、超高压水射流切割、破碎系统，靠提高压力等级的方式来提 高水射流的作业效率，拓展其应用领域，如开发超高压柱塞泵和增压器等；二是 研究新型高效射流，以实现在低压或中压条件下完成切割、破碎、除锈的任务。 在早期的水射流技术研究工作中，国内外专家主要将研究重点放在第一种技 术路线上，而且也开发出了许多实用的产品，产品技术含量不断得以提高。但随 着压力等级的日益提高，对高压密封的要求越来越苛刻、制造成本也大幅度增加， 据估算，对于国产的大于1 5 0 m p a 的水射流装置，其成本核算每千瓦功率要达到 一万多元，这导致迄今为止高压、超高压水射流装罱难以进入普遍应用阶段。 2 0 世纪8 0 年代后期，设计者开始从射流形式、喷嘴设计等途径着手寻找提 高射流效果的方法，以期在满足工程要求的前提下，尽可能降低喷射工作压力。 随着研究与实践的深入，许多新型的高效射流技术相继出现，如磨料射流、高分 子减阻射流及空化射流。射流形式也从单一的定压射流发展到多孔射流、磨料射 浙江大学傅上学位论文 第一章绪论 第一节工业应用背景 一、水射流装置的工业应用 水射流技术是一项涉及多学科的应用技术，包括流体力学、材料力学、崮体 力学、机械学和高压工程等十多个专业学科。近三十年来，水射流技术发展迅速， 门益完善地称为新型的清洗、切割、破碎工具，应用面日趋广泛。从具体应用来 看，它为我国的采掘技术展现了变革性的前景；为我国加工业、清洗除锈、l k 、基 础施：削k 增添了新的技术手段：从长远看，它可改变目前油井丌采方法，改进油 罐清洗方式，对石化工业产生重大影响。因此，丌展对射流技术的研究和应用， 不仅对促进我国科技进步，而且对提高石化工业经济效益具有重要的意义。 反映水射流做功能力的标志主要有两个：有效功率和有效打击力f 。这两 个指标出具体反映到两个参数上，即压力和流量。压力和流量两个参数的作用是 互补的，但又不能相互替代，不能偏废。也就是说，对于某一特定的作业目标， 必须蜡有一定的射流压力，在此基础上，流量越大显然作业效率越高。 从压力缴别上分，国际上将水射流压力级别分为四类”j ，即低压：0 5 ：0 m p a ，巾压：2 0 1 4 0 m p a ，高压：1 4 0 4 0 0 m p a ，以及超高压： 4 0 0 m p a 。 为提高水射流的冲蚀能力及效率，目i j i ：对于水射流的研究技术路线主要有两 条：是研究高压、超高压水射流切割、破碎系统，靠提高压力等级的方式来提 高水射流的作业效率，拓展其应用领域，如开发超高压柱塞泵和增压器等；二是 研究新型高效射流，以实现在低压或中压条件下完成切割、破碎、除锈的任务。 在早期的水射流技术研究工作中，国内外专家主要将研究重点放在第一种技 术路线上，而且也开发出了许多实用的产品，产品技术含量不断得以提高。但随 着压力等级的日益提高，对高压密封的要求越来越苛刻、制造成本也大幅度增加， 掘估算，对于国产的大于1 5 0 m p a 的水射流装置，其成本核算每千瓦功率要达到 一办多元，这导致迄今为止高压、超高压水射流装置难戳进入普遍应用阶段。 2 0 世纪8 0 年代后期，设计者开始从射流形式、喷嘴设计等途径着手寻找提 高射流效果的方法，以期在满足工程要求的前提下，尽可能降低喷射工作压力。 随着研究与实践的深入，许多新型的高效射流技术相继出现，如磨料射流、高分 子减阻射流及空化射流。射流形式也从单一的定压射流发展到多孔射流、磨料射 子减阻射流及空化射流。射流形式也从单一的定压射流发展到多孔射流、磨料射 浙江大学博士学位论文 流( a b r a i v ew a t e r3 e t ) 、气蚀射流( c a v i t a r i n gj e t ) 以及脉冲射流( p u s ej e t ) 或打击射流( p e r e u s s i v ej e t ) ”1 。 新型射流型式的出现，促进了水射流技术的蓬勃发展。在这些新型的射流中， 自激振荡脉冲射流、磨料射流和空化射流被认为最具有发展和应用前景。自激振 荡脉冲射流是一种典型的高效射流，它以其在清洗、切割方面的高效率，特别是 在淹没条件下对石油钻井的潜在优势，备受研究人员青睐。 自激振荡脉冲射流是利用流体动力学、流体共振、流体弹性学和水声学等原 埋而发展起来的一种新型高效脉冲射流，通过自激即不需要外加激励源，靠流体 本身在特殊的流体结构中产生自激振荡，将连续水射流变为振荡脉冲水射流，它 兼有脉冲射流、空化射流的特点，因此成为近二十年来国内外许多学者研究的世 界前沿性新课题，历届水射流会议都有学者的研究报告。其中以重庆大学廖振方 和李晓红教授、西南石油学院的廖荣庆教授、石油大学的沈忠厚教授、美国流航 公司的v e j o h n s o n 和a e c o m a 等的研究最受关注。 近期，针对实际的工程需要，本课题组首次把自激振荡脉冲喷射清沈方式引 入到大型工业油罐罐底油泥清理上来，模型试验取得了较好的实际应用效果。本 套装骨工作压力在1 5 m p a 左右，属于低压大流量的清洗范畴，目前还鲜见这方 面的文献报道，下面先就本论文的工程背景做一个简要的介绍。 二、本论文的工程应用背景 本论文课题来源于浙江省自然科学基金重大资助项目一一大型工业油罐罐 底油泥清洗及油泥无害化、资源化处理( 项目编号：z e 0 2 0 8 ) 。项目的主要内容 分为两部分：研制自激振荡脉冲清洗装置用于大型工业油罐罐底油泥的清洗；油 泥的无害化、资源化处理。本论文隶属于第一方面的内容。 2 1 油罐底泥形成机理及数量统计 工业油罐在储存油品特别是原油时，在长时间的存放过程中，浊品中的少量 机械杂质、沙粒、泥土、重金属盐类以及石蜡和沥青质等重油性组分会因比重差 而自然沉降积累在油罐底部，形成又黑又稠的胶状物质层油罐底泥，其数量 一一般高达该储罐容量的1 。按照规定，在间隔3 至6 年的定期油罐清沈时，必 须将它清出罐外。 油罐底泥数量巨大，其数量取决于装置所储存的油种以及储运、中转的周期 等诸多因素。对石化企业而言，大型油罐主要储存其加工原油，按其生产装置来 组织生产，大型油罐是其基础的中转基地。以镇海炼化公司为例”3 ，仓储公司的 原油储罐容量近1 4 0 万m 3 ，炼油厂区为4 9 万m 3 ，仅由目前的1 5 9 万m 3 原油罐容 计，年产油罐底泥量在4 3 4 0 吨以上。“十五”期间我国将按照国家储备与企业储 浙江大学博j i ：学位论文 各相结合、以国家储备为主的方针，统一规划，分批建设国家战略石油储备基地， 届时，油罐底泥的数量将更为可观，同时，出于紧凑的储运生产要求，清罐工作 必须在尽可能短的时间内完成，其清理工作将是项异常繁重的任务。 2 2 国内外油罐清洗技术进展情况及对比分析 清理使用多年的原油储罐罐底的油泥是一项艰难的工作，由于油罐底泥中含 有大量重油性物质，并与泥、沙及水形成胶状物，处理难度非常大，是石化行业 的一个处理难题。国外有些国家对含油污泥的处理已有较为完善的环保法规，并 实现了自动清罐技术与油泥的资源化、无害化处理。储罐清理方法的选择以 多种因素为依据，其中包括油泥的特点，清理所用的时间和花费的资会，油泥中 可回收产品的含量等。目前，国内外现行的清洗方式主要有四种：人工清沈、高 温处理、化学清沈和原油喷射清洗法。下面对其作一个简单的对比分析。 2 2 1 传统的人工清沈方式 目前，我国的清罐工艺主要依靠人工清理罐底油泥的办法。对于这种清沈方 式，存在着劳动强度大、清洗周期长( 一般要持续几周甚至几个月) 、工作条件 恶劣、易损坏罐体的诸多弊端。举一个简单的例子，一个5 万m 3 油罐，在正常工 作的情况下，需要3 0 多人清洗2 3 个月，这不仅造成油罐设备长时问不能利用， 降低了油罐储存周期，而且工人在罐内工作也十分不安全。随着我国石油战略储 备的增加，油品储罐从以前的3 万m “，到当前的5 万m 二以及今后的1 0 万、1 5 万 m ，大型化的趋势明显，由于结构的需要，今后的油罐设计将不设置齐平型清扫 i ，仅科用于检修用的人孔，届时，仅靠人工清洗的传统方式来完成清罐任务已 不可能，实现自动化、机械化的清洗方式是大势所趋。 2 2 2 高温处理法清理油罐底泥 高温处理法l j 具体又可分为整体加热法与热油( 水) 循环泫两种方式。清 理油罐底泥整体加热法均匀加热大直径的储罐非常困难，特别是当罐中盛有易燃 物时。热油( 水) 循环法是将原油( 水) 注入油罐，加热搅拌，溶解油渣，在温 降之前抽出。 这两种方法的共同存在的缺点是需要大容量热源，投资大、加热时削长，寒 冷地区加热效率低，需保温输送管，温度降低期间易再固化，挥发性油在加热中 蒸发，失去有用资源、污染大气、并使复原油质量降低，产生大量含油废水、沉 淀物等。 2 2 3 化学清洗 化学清洗呤4 1 是向油泥中投加化学品溶剂以降低油泥倾点，使油泥液化并达 到泵抽要求；其最大的缺点是分离效果受化学品在油泥中的均化和温度的影响很 大。受储罐大小和油泥量的影响，而且只能泵抽7 5 8 0 的油泥，剩余油泥则 需增加化学品量，且化学品在该含沙量较多的剩余油泥间不能很好分解，过剩的 浙江大学博 ：学位论文 化学品计量还会对下游炼制设备造成消极影响。 2 2 4 原油喷射清洗 其工作原理是利用同类型原油通过清洗设备注入储油罐进行封闭式清洗，清 洗前及清洗过程同时，向罐内注入惰性气体。这种清洗方式具有突出的优点：清 洗周期大大缩短，不受沉积物多少和油罐大小的影响，沉淀物中几乎所有的油类 成分被复原，不加热，挥发性油不会蒸发，沉积物变成纯粹的粒子被稀释和扩散， 不会再沉淀，复原油不含水、沙、赃物和铁锈，不需要污水罐和废液处理设备， 没有再生麻烦，不需加热投资，发生静电火花可能性小，清洗后的罐内产生惰性 气体和过量空气双重安全气体，安全性提高，大大节省人力和物力【”。1 l 。 对于这种清沈方式，许多国家已经形成产业化，代表的装置有台湾渥茂股份 有限公司的p 4 3 装最，日本太凤公司t a i h o c o w s 及1 a m s 储油罐清洗装置， 月麦z o f i e j o r y 公司的高压喷射封闭式清洗装置b l a b o 系统【2 ”】。 3 、国产化的迫切需求 按照传统清罐方法存在着相当大的安全风险，如大批人员进入油罐内，在清 理油泥过程中会产生大量的油气，引发人员中毒或作业不安全。国际上现正在推 行h s e ( 健康、安全、环境) 管理体系，只有实行全自动清罐方法，操作人员 无需进入油罐内，才能根本上消除安全风险，确保本质安全。据报道，在清罐工 作方面，国外许多国家已明文禁止工人真接进罐清泥作业，相信不久的将来我国 电会这样，清罐工作的自动化将是大势所趋。 目前，国外的自动清罐处理系统，其喷嘴采用专利技术，有关技术理论国内 外未见报道，另一方面，其引进成本非常高，单台设备报价均在1 8 0 力美元左右， 这给引进带来了很大的困难，因此，走设备国产化的道路非常必要。 研究国产化的大型油罐机械化清洗是一项十分紧迫和重要的课题。该项研究 成果不仅能够填补我省乃至全国在罐底油泥清洗和处理方面的空白，而且能最大 程度的提高石油储罐的周转能力和资源的综合利用，为缓解资源短缺，减少环境 污染，提高经济增长的质量和效益，保障国民经济持续、快速、健康发展发挥重 要作用。 4 、本课题的研究e l 的 对于一套典型的自动清罐处理流程，其中设备投资最大的是三相分离系统， 技术难度最大的是三相分离系统和回流出口的三维全方位清洗喷头，所以只要攻 克或引进喷头技术，就可以实现自动清罐处理的国产化 2 7 吲】。近年来国内水射 流清洗技术的研究和应用蓬勃发展，但主要集中在高压、超高压水射流的切割、 破碎、剥蚀除锈等方面，运行工况一般为高压小流量。石化工业生产中，油罐底 泥清沈属于低压大流量清洗的范畴，目前国内关于这方面的专项研究基本处于空 白，因而对其设立专项课题，进行深入的研究并进行设备开发非常必要。 浙江犬学博士学位论文 针对工程实际需要，本课题组前期首次把自激脉冲喷射清洗方式引入到油罐 底泥清理上来。采用脉冲射流进行罐底泥清洗有以下三个方面突出优点：一方面， 可利用管路自激现象产生周期性高压脉冲射流团的特殊聚能效应，可产生比定压 射流滞止压力高得多的水锤压力，提高打击效果；另一方面，脉冲方式可在相邻 射流团到达问隙的较短时间内，产生较大的冲量作用于被沥青质包裹的油泥粒 团，达到使油泥粒团结构松散和破坏的目的，从而提高射流在搅拌均化浊泥、分 解油泥结构方面的清洗效率；再者，采用自激振荡脉冲射流的方法，可大大降低 管道内的压力等级，便于管路的设计和降低能耗。 本论文研究的内容隶属于脉冲喷嘴装置的开发，具体研究目标如下：利用流 体网络理论建立喷嘴分析数学模型，分析各结构参数和运行参数改变对脉冲射流 的影响，推导自激喷嘴的频率特性分析式；通过建立非定常液汽两相流空化模型， 对自激喷嘴内部流场进行数值模拟，揭示低压大流量自激振荡脉冲发生机理，进 f i j 建：藏自激脉冲喷嘴数值优化理论：通过两次模型试验数据和数值分板结果，总 结自激喷嘴结构参数和运行参数的优化配比范围，为指导工业化设计打下基础。 第二节射流喷嘴的研究和应用现状 应用水射流技术进行清洗，除锈、切割技术现今已在世界主要发达幽家得到 普遍应用，成为一项通用的新技术、新工艺，而这项新技术、新工艺的关键在于 喷嘴。喷嘴是转换射流能的元件，是形成水射流工况的直接元件。其性能的好坏、 材料的适宜将直接影响到水射流的实际应用。因此，喷嘴虽小，但却极其重要。 绝不能忽视它的重要性。出于它的重要性，其研究也受到了越来越多的关注。 、各类喷嘴型式介绍与对比 1 、喷嘴的型式 喷嘴是水射流设备的重要元件，它最终制约着水射流流态，同时又制约着系 统的各个部件。喷嘴的分类形式很多，按形状区分有针形喷嘴、扇形喷嘴、异形 喷嘴等：按孔数区分有单孔喷嘴、多孔喷嘴；按压力区分有低压喷嘴、高压喷嘴、 超高压喷嘴等。本文按照压力的分类方式来表述。 l - 1 低压喷嘴 工业用低压喷嘴型式很多。从射流形状设计上，低压喷嘴的成功往往给高压 喷嘴许多启示。低压喷嘴的工作压力往往在lm p a 至u i o m p a 以内，其射流介质也不 仅限于清水，因此液体的温度、粘度、密度、表面张力及其化学腐蚀性能等都是 设计时所考虑的因素。下面介绍几个应用实例。 1 1 1 空气辅助雾化喷嘴 一定量的压缩空气与液体混合后自喷嘴喷出，从而获得良好的雾化特性。这 浙江大学博士学位论文 种典型的两相射流广泛应用于除尘、喷射干燥、湿润、涂装、气体冷却和调节等。 由于空气的辅助雾化特性，这种喷嘴尤其适用于粘度较大液体的喷涂和喷雾。其 喷射方式有重力喷射、虹吸喷射和压力喷射三种，每一种方式均对应于不同的设 备，且均配有不同的手动或自动控制装簧，以控制喷雾形状及尺寸。喷雾形状有 扁平扇形、大角锥形和小角锥形。压力喷射比重力和虹吸喷射的性能更为理想。 l 1 2 扇形喷嘴 扇形喷嘴直接由喷嘴形状产生平坦均匀的扁平射流，其射流致密性好，扩散 角也可在较大范围内变化，其工业应用依据流量、流速、射流角及覆盖面的不同 而不同。这种喷嘴也成功地用在高压水射流中。扇形喷嘴一般包括轴向扇形喷嘴 和导向板式扁形喷嘴两类。 扇形喷嘴广泛应用于清洗、冲刷、喷涂、冷却和表面处理等，将其组合成列 式又可用于制作水幕。 【1 3 空心锥形喷嘴 陔类喷嘴形成的水射流截面为一环形、射流本身具有良好的雾化特性，可广 泛用于气体冷却、除尘、喷雾干燥等场合。它又分为轴向进入和切向进入阿种。 这种喷嘴也已用于高压水射流工况，其特点是集中有限流量大面积作业。 对于轴向空心锥形喷嘴，流体自轴向进入锥形插入体旋转，形成空心圆锥剩 流，其压力多在2m p a 以内。对于切向空心锥形喷嘴，流体自切向进入一圆柱形 守腔旋转，经喷嘴形成空心锥形射流。由于没有插入体，因而按装、加。1 ：都相对 比较简单，但圆柱形空腔的设计是关键。 】j 4 实心锥形喷嘴 实心锥形喷嘴形成的射流在一圆形或矩形截面上分布特别均匀，因而广泛应 用于涂装、冷却、静态清洗或漂洗等场合。它也分为轴向进入和切向进入两种。 这种喷嘴也己用于高压水射流工况。 轴向实心锥形喷嘴体内设置一特制的x 型叶片，叶片在射流冲击下增加了扰 动，从而大大提高了射流分布的均匀度。由于设置阻力，射流扩散性也比较好。 切向实心锥形喷嘴，它仅用于喷涂作业中，目前这类喷嘴已不采用插入体或叶片， 因而己不同于传统的“直角”型实心锥形喷嘴，即使压力波动，其射流分布也特 别均匀，喷射角也特别稳定。实心锥形喷嘴压力多在1 m p a 以内。 1 1 5 异形低压喷嘴 对于异形低压喷嘴，因为工作压力低，所以低压异形喷嘴能以多变的结构产 生多变的射流形状。并且随着技术和工艺的进一步提高，低压异形喷嘴的：t 二作压 力也有不同程度的提高，甚至用nz o 一3 0 m p a 的高压力范围。 射流特性主要用喷射角、喷幅、冲击力、雾滴平均尺寸及分布等参数表征， 不同场合要求的侧重点不一样。对喷雾或喷涂主要要求雾滴尺寸细小、均布。为 了减小雾滴尺寸，对单纯压力喷嘴可采取降低流量( 缩小孔径) 、提高工作压力、 浙江大学博士学位论文 增加喷射角等方法。对于空气辅助雾化喷嘴，则可采用减少液体流量( 缩小孔径) 、 增加气体耗量、提高工作压力的方法。 l - 2 高压喷嘴 随着压力的提高，射流用于高难度清洗、剥层、除锈甚至切割，对于细射流， 喷射角越小，冲击力越强越好。高压水射流设备的压力范围通常为i o l o o m p a ， 随着设备可靠性的提高，提高压力和功率也就极大地提高了作业效率和功能，因 而高压范围也就扩大到1 5 0 2 0 0 m p a ，甚至2 5 0 m p a 。实心流喷嘴喷出的射流具有最 集中的打击力及稳定的靶距。大多高压、超高压喷嘴的特点正在于此，即集聚能 量、集束射流，以获得最大的射流打击力。这样，高压喷嘴的喷孔形状就很简单， 基奉上就是圆柱形或扇形，但为了集束射流，喷孔的形状设计还是有规律的：到 了超高压喷嘴就只有圆柱形喷孔了。 i 2 1 外表面清沈喷嘴 外表面清沈喷嘴由于其轴向尺寸不受限制，外形设计往往最接近理论喷嘴。 刈f 典型的高压喷嘴，其压力可达2 0 0 m p a 。根据压力喷嘴可采用不同的利料，喷 嘴的收敛长度和角度能够很好的保证射流集束性。 高压扇形喷嘴的成因与低压扇形喷嘴一致，但由于压力的不同，其结构也各 宵特色。为了提高水射流的集束性能，各种型式的异形喷嘴也丌始出实验室走向 商品化，其中美国a q u a d y n e 公司的异形喷嘴最具特色，其名为a n k i n - s h a p e 1 e t s 的喷嘴标志着射流喷嘴的新水平。其喷嘴结构是将这种不同形状的i 喷嘴芯置丁| 外 螺纹喷嘴体内与喷管联结。实验证明，磨料射流切割采用异形喷嘴比传统的圆柱 形喷嘴性能有较大提高，同时异形喷嘴异形喷嘴可以降低水射流的压力和功率。 1 2 2 内表面清洗喷嘴 对内表面清洗喷嘴最大的约束条件是径向尺寸，也萨如此，它的变化特点多 在喷嘴孔的数量上而不是形状上。管道内壁清洗是高压水射流技术的主要市场之 ，不同直径的管道、不同材料的垢层、不同形式的堵塞，使得内表面清沈喷嘴 型式远远多于外表面清洗喷嘴。典型的内表面清洗喷嘴的结构为喷嘴孔一个轴向 向f j i ，其它若干个呈4 5 。向后。其作用是中心喷孔用于打通被堵塞的管道，向后 若干喷嘴用于径向管壁清洗和自进，即水射流的反冲力拖动高压软管自动沿管程 前进。射流向后还利于垢层的排出。另外，值的注意的是，为了保证内表面清洗 喷嘴的喷孑l 方向，在外形设计时一定要为实现钻孔工艺创造条件。 i 3 超高压喷嘴 超高压喷嘴多用于水切割，其压力范围基本在2 0 0 4 0 0 m p a 之阳j 。超高压喷 嘴切割的对象是金属与非金属板材，其原理是超音速高压水射流引射磨料形成磨 料细射流用以破坏材料。超高压喷嘴的直径一般为0 2 5 m m ，最小可达0 0 8 m m 。 为了保证喷嘴的定位和密封，通常要附以喷嘴套和喷嘴体作成组件，以适应 各种场合的装配。因为喷嘴本身的外形尺寸太小，所以超高压喷嘴结构简单，但 浙江大学博= t ：学位论文 它的制造工艺却非常特殊。并且超高压喷嘴的喷嘴芯为人造宝石。形状与前面讨 论的喷嘴也有很大差别。 1 4 空化喷嘴 当水流系统内的局部绝对压力降低到蒸汽压力以下，则能产生瞬i 句的相变过 程，并可能导致空化和气蚀，即产生空化射流。空化射流的过程描述如下：从喷 嘴出来的水射流内诱发含有空气( 或水蒸气，或混合气体) 的空泡初生：适当的控 制射流的靶距，使空泡发展壮大：当射流冲击到靶件上( 或附近) 时发生溃灭，使 靶利引起空蚀破坏。对于任何一个空化喷嘴，都存在着一个相应的最佳靶距。 空化射流的打击力与普通射流的打击力相比为 f = ( 8 6 1 2 4 ) f ， 式中f 一空化射流打击力，f ，一普通射流打击力。 通过上述的初步估算，如果用空化喷嘴取代普通喷嘴，则泵压可以降低至少 一个数量级。但是，由于射流的敛散性不同，空化射流显然在很多应用( 如射流 切割) 中不能取代普通喷嘴。 典型的空化喷嘴是建立在流体力学绕流现象形成的卡门涡街基础上的，也就 是说，在喷嘴中人为引起绕流，这就是中心体式空化喷嘴。空化喷嘴的工作原理 在于流体绕过中心体时出现液体的分离现象。喷嘴出口截面的下游出现充满了旋 涡的尾流，空泡在旋涡的中心孕育而初生；在一定射程内，空泡发育长大：临近 靶件表面时，由于滞止压力场的影响，空泡迅速收缩以至溃灭。 l 5 自振空化喷嘴 本课题组在充分吸收国外先进清罐技术的基础上，针对油泥特性和清罐工 艺，首次提出用于油罐清洗的脉冲射流方式，并自行开发了新型低压大流量白激 振荡脉冲射流喷嘴。脉冲清洗方式是利用不连续射流团的聚能作用产生比定压连 续射流大的冲量，降低了管道工作压力以及清洗原油的温度，加速罐底油泥的液 化，大大提高油泥清洗效果。该系统利用喷嘴前的自激振荡腔，产生脉冲源，将 泵压提供的连续射流束自动变为脉冲射流束，该喷嘴被称为自激脉冲喷嘴( 如图 1 2 3 ) ，其基本型式来自于c h a h i n e 的亥姆霍兹自振腔式脉冲水射流装置。 图1 2 1 自激脉冲喷嘴内部结构幽 9 浙江人学博t j 学位论文 本文研究的新型脉冲清洗喷嘴的关键部件是喷嘴入1 ：3 处的自激振荡腔。连续 射流从上游喷嘴进入腔内后，由于不稳定剪切层的作用，在射流轴心四周形成同 轴涡环，且在涡环中心出现大小周期性变化的低压区，当压力低于介质的汽化蒸 汽压时，涡环中心液体汽化，低压区压力在蒸汽压附近周期性变化，涡环中心气 穴的体积也呈现周期性的变化，即在振荡腔内发生了周期性的气液相变，由于空 化区的存在中心射流造成了周期性激励，从而引发了脉冲射流。本文数值模拟及 试验研究结论均证实了这一推断。 对于本论文所采用的自振空化脉冲射流，兼有空化射流和脉冲射流的特点。 一方面，一定频率范围内的压力振荡可使射流束获得高于从上游喷嘴出来的初始 速度，提高其峰值打击力：另一方面，一定频率范围的压力振荡和大尺度涡环结 构的存在有利于空泡初生，在水中形成的气核也易于获得动量而长大，进入腔内 的窄气也能很好地跟随液体运动，从而使射流具有较强的空化作用。 第三节水射流清洗装置相关理论和试验研究综述 一、连续高压水射流研究概况 1 1 、连续高压水射流装置开发和应用情况 高压水射流是近三、四十年来发展起来的一门耨技术，广泛应用于切割、表 面清洗、挖掘钻探以及材料破碎等方面。 早在5 0 年代，前苏联、中国和美国就开始利用低压大流量的水射流进行水 力采煤的试验和应用”，并对连续射流进行了一系列试验和理论研究。此后，发 达吲家逐渐将射流技术推广到其它工业领域。 2 0 世纪6 0 至7 0 年代初，大批高压柱塞泵和增压器问世，使射流工作压力 最高町达1 7 0 0 m p a ( 同本) ，同时也出现了脉冲射流发生器，最高压力可达5 6 0 0 m p a ( 前苏联、美国) ，这些为高压水射流的迅速发展奠定了物质基础。 2 0 世纪7 0 年代初至8 0 年代初，人们把注意力从片面的追求高压力转向如 何在水射流作用效果相同的前提下，降低工作压力上来。该阶段主要是工业试验 和工业应用。 2 0 世纪8 0 年代以来，是连续高压水射流技术迅速发展的阶段，这一阶段高 压水射流在切割( c u t t i