基于fluent水射流仿真分析

中图分类号：0351.2 论文编号： 学科分类号：130.2564_ 密级： 公 开 安徽理工大学硕 士 学 位 论 文旋转锥形射流的计算机模拟和实验分析作者姓名： 专业名称： 机械设计及理论 研究方向： 导师姓名： 导师单位：安 徽 理 工 大 学答辩委员会主席： 论文答辩日期： 年 月 日 安徽理工大学研究生处200 年 月 日A Dissertation in Mechanical design and theory Simulation And Analysis Of Whirling Water JetCandidate:Supervisor:Department Of Mechanical EngineeringAnHui University of Science and Technology No.168, Shungeng Road, Huainan ,232001,P.R.CHINA独 创 性 声 明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 安徽理工大学 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名：_ 日期：_年_ 月_ 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解 安徽理工大学 有保留、使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属于 安徽理工大学 。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权 安徽理工大学 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后适用本授权书）学位论文作者签名： 签字日期： 年 月 日导师签名： 签字日期： 年 月 日 摘 要摘要笔者依据大量理论文献，结合实验数据和计算机模拟结果，详尽阐述了旋转射流与普通射流的区别，描述了旋转射流的基本特性：它有一切向速度（旋转速度），使喷嘴的流体旋转起来以使从喷嘴喷射出来的流体具有切向速度分量，另外，除了在无旋转射流中的轴向和径向速度分量外，旋转速度（切向速度）使径向和轴向产生压力梯度并影响整个流场。在旋转非常强的情况下，轴向逆压梯度足以形成沿轴向的反向流。旋转射流出射后在周围环境流体中的扩展比相应的无旋转流动的普通射流快，其卷吸能力、掺混作用、轴线速度的衰减均比普通射流大。概述了计算流体力学（CFD）的基本理论，说明了CFD是在计算机上求解描述流体运动、传热和传质的偏微分方程组，并且对上述现象进行过程模拟。着力分析了CFD的主要优点，譬如能以较少的费用和较短的时间获得大量有价值的研究结果，对投资大、周期长、难度高的实验研究来说，CFD优点就更为突出。本文还简要介绍了旋转锥形射流的基本理论和实现方法，以及实验采集数据的实践工作，据此，对旋转锥形射流的喷射过程和机理作出合理性分析；系统地介绍fluent软件的主要功能，以及旋转锥形射流得建模方法，并介绍以此模拟旋转锥形射流的计算机方法，最终，通过模拟所得到的能量云图，结合试验数据，对加旋体的结构如何影响旋转锥形射流的喷射性能作出合理的说明；使得旋转锥形射流钻孔技术现场应用进一步参数化。关键词：旋转锥形射流； 加旋体； 喷射性能； 计算机模拟； fluent软件分类号：（1-2） ； AbstractWhirling water jetting is a kind of compound jetting of free jetting and whirling jetting, its flowing constitution is complex, mostly it is turbulent flowing. It is very different to the ordinary jetting for the whirling jetting has a tangential speed(whirling speed), so the jetting water from the whirling jetting nozzle has a high tangential velocity. While the liquid jet out from the whirling jetting nozzle , its expanding velocity is more quick than the jetting without whirling, its convolution ability, intermixing action, and its axial speed are all bigger than water jetting without whirlingCalculation flow dynamics(CFD) is a method by computer to describe the movement and diathermanous of liquid flow, and to simulate the process of liquid flow.This article introduce the essential theory briefly of whirling cone jetting, and the practice work of the data collection of experiment. And by this to introduce the chief function systemically of the software Fluent, and by this to simulate the process of whirling cone jetting. Ultimately to explain reasonably the influence by the whirl body to the capability of whirling cone jetting.Key Words：whirling cone jetting; whirling chamber; jetting capability ; computer simulation; software fluent- I -目 录目录AbstractII引言VII1 绪论- 1 -1.1 磨料射流与旋转磨料射流的基本概念- 1 -1.1.1 磨料射流的基本构成5678- 1 -1.1.2旋转射流的基本构成- 5 -1.1.3 磨料的性质- 6 -1.2 国内外研究概况及发展趋势- 7 -1.3 旋转锥形射流的应用现状- 9 -1.4 课题来源- 10 -1.5课题研究的主要内容和意义- 10 -2 旋转锥形射流的发生装置- 11 -2.1 磨料射流发生装置的设计- 11 -2.1.1 发生装置应具有的功能- 12 -2.1.2 磨料的注入及浓度调节- 13 -2.1.3 卸压装置的设计- 13 -2.1.4 淹没式筛分装置的设计- 14 -2.2 磨料灌装系统的设计- 14 -2.2.1 灌装方法的研究- 14 -2.2.2 主要结构设计- 15 -2.3 旋转锥形喷嘴的结构及性能- 16 -3 旋转锥形磨料射流的数学描述- 19 -3.1 旋转射流的旋度概念27- 19 -3.2 旋转流动的基本概念28- 19 -3.3 流槽加旋段内流体运动的描述- 21 -3.4锥形收缩段内流体运动的描述- 22 -4 旋转锥形磨料射流的实验分析- 24 -4.1 旋转射流钻孔的基本理论- 24 -4.2 钻孔试验分析275 基于fluent的旋转锥形射流的分析- 35 -5.1 CFD可视化的研究内容及研究模型- 35 -5.1.1 CFD可视化的研究内容- 35 -5.1.2CFD可视化的研究模型- 35 -5.1.3 矢量场和张量场可视化技术44454647- 36 -5.1.4 数值模拟的概念- 38 -5.1.5 数值模拟的意义和局限性- 41 -5.1.6 CFD基本组成27- 43 -5.1.7 CFD的强大功能- 43 -5.1.8CFD的求解过程- 45 -5.2 计算机数值模拟软件Fluent简介- 48 -5.2 .1 Fluent的程序结构和性能- 49 -5.2.2 Fluent程序可以求解的问题- 51 -5.2.3用Fluent求解问题的步骤- 52 -5.2.4 关于Fluent求解器的说明- 52 -5.2.5 Fluent求解方法的选择- 52 -5.2.6边界条件的确定- 53 -5.2.7 Reynolds应力方程模型（RSM）- 56 -5.3 基于fluent对旋转锥形射流的模拟及分析- 59 -5.3.1 对旋转锥形射流旋转喷嘴及其喷射范围的建模- 59 -5.3.2 对所建模型进行定义边界条件并划分网格51- 60 -5.3.3 在fluent软件中对模型进行分析计算- 62 -结论- 68 -参考文献69作者简介73ContentsAbstract .IIntroduction .1 1 Exordium. 21.1 Concept of abrasive jet and whirling jet.2 1.1.1 The constitute of abrasive jet.21.1.2 The constitute of whirling jet61.1.3 The character of abrasive material.71.2 The general situation and developmental trend.71.3 The application of the whirling jet101.4 The origin of the theme.111.5 The contents and sense of the theme.112 The equipment of the whirling cone jet.122.1 The design of the equipment.12 2.1.1 The function of equipment.132.1.2 Adjust of abrasive thickness and injecting.142.1.3 The design of unload equipment.152.1.4 The design of screen equipment.152.2 The design of the abrasive pot system.162.2.1 The research of potting means.162.2.2 The design of main structure 162.3 The structure and capability of the whirling cone nozzle.173 Mathematic describe of the whirling cone jet.203.1 The concept of the whirling degree.203.2 The concept of whirling flow.203.3 The describe of the flow in the orbit of the nozzle.223.4 The describe of the flow of the cone sect.234 Experimental analysis of the whirling abrasive jet.254.1 The theory of the drilling hole by whirling jet.254.2 The experimental analysis of drilling hole285 The analysis of whirling cone jet by Fluent.365.1 The contents and model of the research of CFD viewability36 5.1.1 The research of CFD viewability.365.1.2 The research model of CFD vewability365.1.3 Vewability technology of vector and tensor field.375.1.4 The concept of numeric simulation395.1.5 The sense and localization of numeric simulation425.1.6 The constitute of CFD.445.1.6 The function of CFD455.1.6 The solution process of CFD.475.2 Introduction of the software Fluent.495.2.1 The capability and framework of Fluent.515.2.2 The question can solved by Fluent.535.2.3 The resolving process of Fluent.535.2.4 The illumination of Fluent solver.545.2.5 The choice of resolving means of Fluent.545.2.6 The choice of border condition545.2.7 The Reynolds stress model.575.3 The simulation and analysis of the whirling cone jet by Fluent.615.3.1 Modeling of whirling jet and nozzle.615.3.2 Define border condition and meshing.615.3.3 Analysis and calculation of the model by Fluent63Conclusion .71Reference .69Postscript or compliment .70Resume of author .74- 25 - 引言引言射流是指从各种排泄口射出或靠机械推动流入周围另一流体域内的一股运动流体。射流除附壁射流以外，大多数类型射流的全部周界都是流体。从不同角度考虑可以将射流分为各种类型。按流动型态可分为层流射流和紊动射流。按射流的物理性质可分为不可压缩射流和可压缩射流;等密度射流和变密度射流。按射流周围环境的条件也可进行如下分类：从环境固体边界的情况划分，在无限空间的流体内运动的称为自由射流；在有限空间的流体内运动的为非自由射流或有限空间射流，其中如有一边贴附固体边界的称为附壁射流，水射流只沿水面射出的称为表面射流。从环境的性质来划分：射入同种性质流体内的称为淹没射流，射入不同性质流体之内的则为非淹没射流。按射流的原动力还可以分为动量射流、浮力羽流和浮射流三类。动量射流以出流的动量为原动力，对以后的运动这个动量的作用仍是重要的。一般等密度的射流属于这种类型，也称为纯射流。经过多年的发展，高压水射流（Water Jet）技术和设备有了长足进步，其应用遍及工业生产和人们生活各个方面，例如清洗、除锈、破碎、切割、钻孔、降尘等领域。目前已有3000多套高压水射流切割设备在数十个国家几十个行业应用，尤其是在航天航空、舰船、军工、核能等高、尖、难领域更显优势，高压水射流（Water Jet）切割设备在各国的应用年增长率超过20。许多大学、公司和工厂竞相在这个领域进行开发和研究，新思维、新理论、新技术不断涌现。为了改善高压水射流技术对物料的切割效果，各国研究人员进行了大量的研究。相继出现了脉冲射流、空化射流、摆振射流、共振射流、聚能射流和磨料射流（Abrasive Water Jet）等新的射流技术尤以磨料射流技术发展最为迅速。1234射流技术当前己被广泛应用于生产、生活的许多领域。弄清射流运动规律及其内在机理对于社会生产及人民生活无疑具有重要的意义。但由于射流运动的复杂性，而且射流常与传热和传质现象相伴随，使对射流现象机理的描述非常复杂，因而该技术的理论研究仍落后于实践的发展。对喷射流动机理的研究尚有待于人们去进行深入研究和开发。 1 绪论1 绪论1.1 磨料射流与旋转磨料射流的基本概念1.1.1 磨料射流的基本构成5678磨料射流技术是在二十世纪80年代中期发展起来的，具有许多独特的优点，由于磨料射流技术是以高压水射流为载体，将磨料粒子与水射流混合加速后实现对物料的作用，因此它对物料的冲击力和磨削力要比高压纯水射流大得多，在同等工作条件下，系统需要的工作压力也远远小于纯水射流的压力。磨料射流按水与磨料的混合方式可分为后混合式磨料射流和前混合式磨料射流两种类型。后混合式磨料射流系统原理如图11所示。高压水从喷嘴喷出，其轴向速度很高，靠抽吸作用吸入的磨料很难进入射流的中心部分，射流能量的利用率很低，磨料得不到很好的加速，且与水的混合效果较差，这种磨料射流的使用压力很高，射流的能量未得到充分的发挥。例如在切割金属时仍需200MPa以上的压力，这就限制了其应用范围。根据后混合磨料射流技术的工作原理，美国首先研制了第一台商业用途的磨料射流切割机器，并在美国投入使用。该机器有进给速度快、切割质量好、可切割材料厚度大等优点。国内外己有许多生产厂家利用后混合磨料射流技术、数控技术和 CAD/CAM技术成功地开发出磨料射流数控车床、数控磨床及加工中心。图1 后混合式磨料射流系统原理图Fig1 The principle of mixing behind style abrasive water jet国外的厂家包括英国的BHR有限责任公司、美国的TECHNICUT公司和JETEDGE公司；国内的生产厂家有广州华臻机械设备有限公司和南京大地水刀有限公司等。为了推广后混合磨料射流技术的应用，研究人员对磨料粒子的加速机理、喷嘴结构对射流的影响、各种参数（如工作压力、流量、靶距、进给速度、磨料）对切割或清洗性能的影响、不同材质的切割机理进行研究，井获得了不少成果。由于后混合磨料射流具有很高的轴向速度，而磨料粒子进入混合室时速度很低，因而磨料粒子难以进入到射流的中心部分，导致切割效率较低，并且容易导致堵塞。为了提高切割效率，降低泵压，人们又提出了前混合式磨料射流。前混合磨料射流技术是近年来引人关注的一种新型射流技术，但由于前混合磨料射流技术的切割机理和过程还没有被人们所完全了解，使这项新技术的潜力得不到充分地发挥，也影响了商业和应用前景。因而本文将以前混合磨料射流数控切割机床为基础，在这一领域进行深入的研究，以进一步推动这一项目的产业化，使这一新产品早日能走向各行各业。1982年安徽理工大学高压水射流研究所刘本立教授等人，首先设计出了前混合式磨料射流试验台，如图2所示，其工作特点是：从泵站出来的高压水，一股通往磨料罐的上部；一股通往混合室。到达磨料罐上部的高压水，由于磨料向下流的速度很慢，因此基本上以静压形式作用在磨料上，磨料在静水压力和自重的联合作用下通过供料阀进入混合室。经节流阀流入混合室的高压水流，在混合室与磨料均匀混合后， 经管路至磨料喷嘴喷出，形成具有极高速度的磨料粒子流磨料射流。磨料供给量通过供料阀进行调节。与纯水射流相比，磨料射流将纯水射流对物料的静压连续作用改变为磨料粒子流对物料的高频撞击与冲蚀作用，其作用效果大为改观。前混合磨料射流与后混合磨料射流相比，因磨料与水混合的均匀、充分、磨料粒子的加速时间长、获得的能量高、对物料的作用效果更加突出，故其工作压力可以大大降低。试验表明，对同样的物体进行切割或除锈，前混合磨料射流所需的工作压力仅为后混合磨料射流工作压力的1/71/10。1高压泵 2单向阀 3磨料罐 4供砂阀 5压力表 6喷嘴 7混合室 8节流阀 9安全阀图2 前混合式磨料射流系统图 Fig2 The system of former mixing style abrasive water jet1982年，英国BHRA(英国流体力学研究协会)也同时研制出了引射注入式前混合磨料射流系统，如图3所示。供磨料装置主要由高压磨料罐、引射器、控制阀和供水系统等组成。从高压泵出来的高压水分为三股：一股水经闸阀后再经节流阀通到高压磨料罐的顶端，对磨料产生一个向下压注的正压力；一股水到闸阀后经节流阀通往高压磨料罐的锥底部，使磨料流态化，以便注入到高压水管路中去；另一股水经节流阀至引射器。三股水的流量由各支路上的节流阀来调节。高压水从引射器喷出时，导致混合室的压力降低，同时，磨料罐锥底处被流态化的磨料，在上面的压力作用下注入引射器的混合室，并被卷入到高速水流中，与水均匀混合，夹带着磨料的高速水经输送管道至磨料喷嘴，经磨料喷嘴喷出，形成前混合磨料射流。91011大量的试验表明，上述两种前混合式磨料射流系统都存在着磨料供给不均匀的问题。磨料罐上方的供水系统，不可能实现磨料的均匀供给。磨料供给量不仅与时间有关，而且与磨料罐内的装料量有关。这是由于：在系统开始工作之前，磨料罐内的磨料处于静压状态 ，速度为零。当射流开始喷射之后，磨料罐内的磨料在上下压差的作用开始作加速流动，很快就达到一个相对稳定的给料量，这就是磨料供料供给的启动过程。磨料罐中的磨料量越多，这个启动过程就越长。随后，由于磨料罐中磨料量的减小，其流动阻力逐步减小，流入到磨料罐内的水流量增加。磨料供给量也就不断增大。 1水箱； 2高压泵； 3压力表； 4节流阀； 5引射器； 6闸阀；7流量计； 8单向阀； 9安全阀； 10磨料罐； 11喷嘴图3 引射注入式前混合磨料射流系统 Fig3 The infusung system of former mixing style abrasive water jet基于上述思想，设计出图4所示新型前混合式磨料射流系统。其主要改进是取消磨料罐上方的高压水进口，从根本上改变了磨料供给原理。磨料罐完全脱离了流路，其内部各点压力的差异仅是由高度差造成的静水力压力。也就是说，磨料间隙内的流体所承受的压力梯度恒定，为，并在作用下作向上渗流运动，与磨料罐内的磨料的高度无关（是磨料与水的混合密度）。换句话说，磨料罐内的磨料量的多少并不会对磨料产生影响。1213141高压泵；2截止阀；3节流阀；4喷嘴； 5磨料罐；6混合腔图4 新型的磨料供给系统Fig4 New style system of abrading agent supplying 前混合式磨料射流切割与后混合式磨料射流切割相比，具有射流压力低：动力消耗少，系统简单可靠，成本低等优点，因此更有利干推广应用。由于前混合磨料射流具有品质好、效率高和能耗低等特点因此近年来，这项技术得到了长足的发展。前混合磨料射流是安徽理工大学机械系高压水射流研究所的专利技术（发明专利号：88109149.9）。经不断努力，目前已基本上解决了磨料的收集、筛分及灌装等配套技术问题，使该项技术具备了实用性 。1516 1.1.2旋转射流的基本构成普通磨料射流尽管破岩能力强，但也具有钻孔直径小的缺陷。为满足石油生产及径向水平井钻井工艺的需要，可以利用旋转射流钻孔直径大的优点来解决磨料射流钻孔小的问题。即通过在高压输送管路中将磨料加入管线，磨料和高压水混合后同时经过旋转射流喷嘴，从而产生旋转磨料射流。旋转射流又称旋动射流，是自由射流加旋转的一种复合流动，其流动情形较为复杂，大多处于紊流状态。旋转射流与普通射流的区别在于它有一切向速度（旋转速度），使喷嘴的流体旋转起来以使从喷嘴喷射出来的流体具有切向速度分量。除了在无旋转射流中的轴向和径向速度分量外，旋转速度（切向速度）使径向和轴向产生压力梯度并影响整个流场。在旋转非常强的情况下，轴向逆压梯度足以形成沿轴向的反向流。旋转射流出射后在周围环境流体中的扩展比相应的无旋转流动的普通射流快，其卷吸能力、掺混作用、轴线速度的衰减均比普通射流大。70年代初，美国国家科学研究基金会曾实施了一项旨在探求一种新型!高效破岩方法的研究，分别对25种可能的新方法进行了破岩效率的研究。经过10多年，耗资5000万美元，最终的研究结果表明:最有潜力！效率最高! 且易于实现的新的破岩钻孔方法当属高压水射流钻孔法，其明显的优势在于能量传输方便和破岩效率高.美国W1C1Maurer博士的实验表明：在103MPa的工作压力下,高压水射流钻井的速度是普通回转钻头的24倍。基于这一结果，近年来各国研究人员对磨料旋转射流钻孔技术进行了大量的研究。根据近年国际! 国内高压水射流技术会议资料的分析，目前各国在这方面开展的工作有以下特点：绝大多数采用纯高压水射流进行钻孔，而利用其它射流品种的情况较少；射流的工作压力较高(70240MPa)! 功率较大(几十至几百千瓦)； 除锥形水射流外，其余各种方法均为多股偏置射流，喷嘴数量多且具有使喷嘴旋转的转动部件。由于磨料射流中含有磨料粒子，因此若利用其进行钻孔，为了避免旋转密封问题,只能考虑采用喷头不旋转的方式。然而,要使不旋转的喷头具有连续钻孔的能力，必须解决两个问题：能用较小孔径喷嘴产生的射流钻出较大直径的孔眼；避免返回流阻挡后续射流。这样才能保证在较大尺寸的供水管和较小尺寸的喷嘴条件下集中射流的能量，有效地实施破碎和连续钻进。根据普通射流的水动力学结构可知，射流的等速核内部不存在横向的速度梯度,因而射流的扩散度较小。要想使射流具有钻孔的能力,必须通过机械或流体动力的方法使射流在喷射时产生旋转，这样，出射后的射流才具有三维速度(轴向、径向和圆周)，从而可在较小的靶距内形成较大的打击面，实现用较小喷嘴产生的射流钻出较大直径孔眼的目的。由于采用机械的方式对磨料射流进行加旋会带来难以解决的旋转密封问题，所以必须考虑运用流体动力学的原理对射流进行加旋。通过对各种加旋方式进行分析、比较，并考虑磨料粒子的磨蚀性,最终采用了非标准螺旋形的加旋元件。由于加旋元件的存在，从上游的来流被迫收敛进入螺旋槽内。伴随着这种收敛过程必将使系统的阻力增大，产生能量损耗,从而影响喷嘴的出口压力，为此，对有加旋元件和无加旋元件时系统的压力降进行了测试，通过对实验数据的分析可见：在泵出口压力不变的条件下，有无加旋元件对系统的压力降影响较大。对于导程相同的加旋元件，随着流槽数的增加，系统的压力降呈下降趋势；而对于流槽数相同的加旋元件，随着导程的增加，系统的压力降也呈下降趋势。由于加旋元件的存在，不仅使射流的结构发生了质的变化，而且给喷头的寿命带来影响。磨料浆液经过加旋元件后产生一定的圆周速度，从而产生离心力。磨料粒子在离心力的作用下，必然沿着喷头的内包容面作高速螺旋运动，结果使喷头内表面的磨损加剧。试验中发现，喷头的内表面上，磨损最严重之处是在与加旋元件的配合段。此段内喷头的内表面形成了与加旋元件流槽相对应的螺旋形沟槽.此外，喷头锥形收缩段的收口处磨损亦较为严重。至于加旋元件的磨损处，则是在迎着磨料浆液的流槽侧面，且磨损情况相对较轻。因此，对于旋转锥形磨料射流喷头，除了喷嘴要具有一定的耐磨性外，实际应用时还应考虑喷头其他各处的耐磨性问题17。1.1.3 磨料的性质磨料射流的固相介质是工业用磨料，磨料的类型和性质对磨料射流系统设计和工作效率 有很大的影响。 1磨料种类 磨料一般可分为矿物系、金属系和人造矿物质；通常选用磨料的原则是： (1)切割效果好； (2)价格低廉，货源充足。磨料的硬度、粒度、形状和密度对磨料射流的切割能力有较大的影响。以柘榴石为磨料的磨料射流，切割效果好，我国又是盛产柘榴石的国家等，在国内普通采用。 以硅砂作为磨料，切割效果差，但由于硅砂价格低廉，容易获得，用在清洗除锈作业中普遍。 金刚砂磨料的切割效果最好，但价格昂贵，一般用在精度要求较高的地方。2磨料粒度磨料粒度是磨料最重要的参数，一般将磨料的概率尺寸称为粒度。从粒度就可以知道某种磨料基本粒径的公称尺寸范围。在每一粒度号的磨料中，比基本粒径或大或小的磨料也占一定比例。磨料的粒度和符号有两个标准，一个标准是以磨粒的公称尺寸()来表示；另一个标准是用每英寸长度筛网的网眼数来表示，磨料粒度参数的标志，是在数字的右上角加一#字符号。试验表明，使用磨粒的磨料射流，其切割金属的效果较好。18191.2 国内外研究概况及发展趋势高压水射流是一门新技术，近期来发展较快，应用也日益广泛。高压水射流的水压较高，一般为300kg/以上，高者达每平方厘米数千公斤。高压水射流所采用喷嘴出口直径较小，通常在2-3mm以下，有时仅为零点几毫米。这样就可以在很小区域内集中极大的能量来切割或破碎各种物料。由于是用普通的水作为工作介质，所以在安全、成本等方面都有许多独特的优点。2021获得旋转射流的方法有多种，如在喷嘴内加入导叶，或由流体非对称进入喷嘴等。较早的实验工作有，1960年ULLrich做了许多旋转射流的实验，采用切向进气和可调导叶旋转组成的旋转射流发生器来产生旋转射流，实验发现旋转射流存在不稳定性；1962年Rose用快速旋转管道的方法近乎充分发展的紊动旋转射流，实际上这种方法只能获得低旋转射流。Rose采用的实验流体为气体并用热线流速仪测量了旋转射流的流速场，其测量结果表明，轴向速度仍存在高斯型相似性剖面旋转速度分布也存在相似性。另外，还研究了最大轴向速度和最大旋转速度的衰减以及旋转对射流扩展的影响；1964年Gore 和Ranz用一根旋转的多孔板是轴向管流旋转，在多孔板上钻有许多孔，这些孔或平行于轴线，或与轴线成45角。用这种方法，他们得到了一个连续变化的旋转角速度。1993年，余常昭采用导叶加旋方式在水槽中形成低紊动旋转水射流，并用激光流速仪对流场进行了测量，得到旋转射流的流动形态、轴向速度分布、旋转速度分布及紊动强度分布等。313233341967年，Chigier和 Chervinsky通过实验研究了不同旋度的轴对称自由紊流旋转射流，测定了轴向速度、旋转速度及静压的径向分布，并以无量纲形式示出这些剖面的相似性程度。对于弱旋流、中等旋流，他们的测量结果表明，平均速度剖面、压力剖面在4倍喷嘴直径距离后，具有明显的相似性；对于强旋流情形，在喷嘴附近产生一个旋涡，导致轴向速度最大值偏离射流轴线。但10倍喷嘴直径后，旋涡的影响变小，剖面呈现相似性。射流宽度和质量流量随旋度增加，对于强旋转射流，其扩展宽度和卷吸率几乎是无旋转普通射流的两倍。从理论上较早分析旋转射流的学者，首推Loitsyanskii。早在1953年他就研究了具有轴向、径向压力变化的轴对称层流旋转射流，得到了旋转射流速度分量的级数解，并推广到轴对称紊流旋转射流情形。在分析中应用了普朗特的混合长度理论，并认为若用一个表现紊流运动的粘性系数代替层流运动粘性系数，则层流旋转射流的解可应用于紊流旋转射流。他关于表观运动粘性系数为常数，即涡粘性系数为常数的概念，是假定最大轴向速度与旋转射流特征半径的积沿轴向保持不变。1954年，Gortler对微弱旋转轴对称层流旋转射流从理论上做了近似分析，忽略了流场中的压力变化，得出的轴向速度场与没有旋转的层流射流相同，而旋转速度场的解则由特征函数给出，飞行中同样采用表观运动粘性系数为常数的概念，并将层流射流的解推广到紊流情形。Loitsyanskii、Gortler的研究工作主要集中在旋转射流的充分发展区域，类似于普通射流的主体段；Steiger和Bloom（1962）年将卡门积分方法应用于轴对称层流旋转射流问题，假定速度分布具有特殊函数形式和旋转速度的径向梯度沿旋转射流轴向保持不变，得到了可压缩流与不可压缩流封闭形式的非相似解；1965年Lee假定轴向速度和旋转速度的剖面存在相似性，得到紊流旋转射流的一个封闭式解，另外还得到轴向速度和旋转速度轴向衰减及射流宽度变化的解；1977年，Uberoi应用涡粘性系数概念分析了自相似的紊流旋转射流；1978年Ross评价了积分方法在旋转射流中的应用。35363738目前，国内进行旋转水射流研究的主要有高压水射流研究中心的研究人员，他们采用叶轮式的加旋方式进行研究，考察不同的水力参数和叶轮的结构参数对旋转射流的形成，以及旋转射流用于钻孔和清洗除锈时实验结果的影响，并获得较好的实验结果。其研究结果主要有：喷嘴锥角增大，旋转射流的扩散角增大；喷嘴出口段的长度在能够满足射流稳定和均匀要求的前提下越短越好；叶轮的导向角增大，射流的扩散角增大，基本呈线性关系。在岩石上钻孔时，泵压的升高、排量的增大、流速的增大、水功率的增大都会使得孔径增大；喷距增大，钻孔的深度下降，孔径直径增大；喷嘴锥角的最佳范围是30。39近年来，安徽理工大学水射流研究所对旋转水射流进行了大量的理论和实验研究，初步找到旋转射流的结构特性及其变化规律，揭示了其独特的破岩钻孔机理，并成功地实验台上进行了多次旋转射流水平钻孔的试验，展示了旋转水射流应用的一个很有发展潜力的新方向。1.3 旋转锥形射流的应用现状70年代以来,高压水射流技术已成功地应用于固体矿物开采、巷道掘进、材料切割及机械加工等领域,取得了巨大的经济效益。但在用于长连续孔眼的钻进应用中一直受到限制，这主要是长连续孔眼的形成必须具备以下三个条件：一是形成的孔眼要有足够大的面积；二是形成的孔眼必须具有规则的形状；三是具有较高的破岩效率和钻进速度。而常规的水射流则不能完全满足以上三方面的要求。直到80年代末，Dickson等人设计利用了多喷嘴组合钻头和锥形单喷嘴钻头，成功地进行了水平井眼的钻进，才促进了水射流钻长连续孔眼技术的发展。近十年来，石油大学对旋转水射流进行了大量的理论和实验研究，初步找到了旋转射流的结构特性及其变化规律、揭示了其独特的破岩钻孔机理，并已成功地在油田现场进行了多次水射流钻径向水平井的井下试验，展示了高压水射流应用的一个很有发展潜力的新方向。随着世界各国经济的飞速发展，普遍面临地下浅部富矿的日趋枯竭，开采深部矿产和浅部贫矿势必造成开采成本增加。开采劳动生产率低，开采成本高以及环境保护等问题，都对传统的地下坑道和露天开采提出挑战。所以，人类迫切需要技术含量高、低耗、高效的采矿方法来缓解这一危机。新一代的开采方法就是利用热传递、质量交换及化学和水力学过程,把固体矿物在地下转化为液态或气态,然后再经过钻孔抽出地表，经过分选处理之后加以应用。旋转锥形射流钻孔水力开采技术就是这类最有前景的开采技术之一，它是基于钻孔技术和水力学原理之上的一种矿产开采新方法。进入九十年代以来，利用高新技术加强低渗油藏的开发并提高原油采收率是各油田提高经济效益、确保稳定发展的一项重要措施。径向水平井钻井技术通过高压水射流破岩，在生产层直接钻出多口辐射状分布的水平井网，达到高效开发低渗油气藏、改造老油田和提高原油采收率的目的，在我国东部油田开发中具有良好的应用前景和强大的生命力。 由前期研究结果及现场试验情况来看，利用旋转水射流在相对较软的地层或浅油层中钻进时，孔眼直径达到80110mm,可以满足油气生产的要求，并且已在井深1000m左右的油层中顺利钻出了合格的井眼。但如果使径向水平井技术成功地应用于井深2000m甚至更深的油层或较硬的地层，必需提高射流的破岩能力。因此，我们即要综合利用磨料水射流和旋转射流的优点，克服各自的不足，通过试验,研究不但破岩能力强、钻进速度高，而且具有钻大直径孔眼特点的磨料旋转射流。2223 旋转射流钻井技术是高压水射流技术在石油钻井中的一个具体应用。在钻进中及时将钻头所破碎的岩屑冲离井底并携带出来，是安全快速钻井的重要条件之一。喷射钻井的一个显著特点就是从钻头喷嘴中喷出强大的钻井射流，它具有很高喷射速度和很大水功率，能给予井底岩屑一个很大的冲击力，从而使岩屑及时、迅速的离开井底，始终保持井底干净。这就是喷射钻井能够大幅度提高钻速的主要原因之一。钻井液射流的作用，不仅能使岩屑冲离井底，而且在一定条件下可直接破碎岩石，这一理论己被喷射钻井的实践所证明。241.4 课题来源该课题来源于导师张东速教授科研项目旋转磨料射流喷嘴磨损机理及旋转接头研究，该项目委托方是中国石油集团科学技术研究所江汉机械研究所。1.5 课题研究的主要内容和意义笔者通过对以往大量文献的阅读和总结，在理论上对旋转锥型射流的基本机理及其运动规律作较为详细的描述，并应用计算机仿真技术对旋转射流喷嘴不同参数的加旋体在一定压力下喷射状态进行模拟，同时将模拟结果与大量试验参数进行比较，进而获得对旋转锥型射流的规律性进一步认识，使旋转锥型射流设备现场工作参数化。2 旋转锥形射流的发生装置2 旋转锥形射流的发生装置2.1 磨料射流发生装置的设计该课题试验设备是由安徽理工大学水射流研究所研制开发的，如下图，是前混合式旋转锥型磨料射流发生装置系统；该系统是由磨料射流发生装置、磨料筛分与罐装装置、切割工作台、数控系统以及旋转锥型喷头等构成。如下图： 1.高压水泵 2. 调压阀 3. 混合室 4. 旁路截止阀 5. 卸压阀 6. 磨料罐 7. 磨料截止阀 8. 高压截止阀 9. 砂浆泵 10. 水砂输送两用阀 11. 磨料斗 12. 筛框 13. 旋转锥型喷头 14. 工件 15. 工作台图1 前混合式旋转锥型磨料射流发生装置 Fig1 The equipment former mixing whirling cone abrasive water jet图2是安徽理工大学前混合式磨料水射流数控系统实物图；这套系统的工作特点是：从泵站出来的高压水，一股通往磨料罐的上部；一股通往混合室。到达磨料罐上部的高压水，由于磨料向下流的速度很慢，因此基本上是以静压形式作用在磨料上，磨料在静水压力和自重的联合作用下通过供料阀进入混合室。经节流阀流入混合室的高压水流，在混合室与磨料与均匀混合后，经管路至旋转锥型喷嘴喷出，形成极高旋转速度的高压水射流。磨料供给量通过供料阀进行调节。 图2 前混合