氣環(huán)對水射流流場影響的數(shù)值模擬分析

張 彬,甘行平,黃建喜,宋志彬,4,王 麗,范昆侖

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)工程技術(shù)學(xué)院,北京100083;2.渤海石油職業(yè)學(xué)院,河北任丘062552; 3.渤海石油裝備制造有限公司石油機械廠,河北任丘062552; 4.中國地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所,河北廊坊065000) *

氣環(huán)對水射流流場影響的數(shù)值模擬分析

張 彬1,2,甘行平1,黃建喜3,宋志彬1,4,王 麗2,范昆侖2

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)工程技術(shù)學(xué)院,北京100083;2.渤海石油職業(yè)學(xué)院,河北任丘062552; 3.渤海石油裝備制造有限公司石油機械廠,河北任丘062552; 4.中國地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所,河北廊坊065000)*

為從理論上證明周圍氣環(huán)具有抑制中間水射流衰減的作用,選取現(xiàn)場試驗中效果良好的典型水氣噴嘴組合進行分析,得出在有無氣體保護下,處于水淹沒環(huán)境中的水射流流場中動壓力的分布狀況,繪制出不同時刻流場的動壓力分布云圖、水噴嘴中軸線上的動壓力沿流線的分布圖。從反映水射流衰減的動壓力分布規(guī)律得出氣環(huán)保護能提高水射流的射流能力,并分析了氣環(huán)減緩水射流衰減的原因。

氣環(huán);數(shù)值模擬;流場;動壓力;射流

在石油工業(yè)、地質(zhì)工程、清洗行業(yè)等領(lǐng)域都迫切需要提高水射流的射流能力,而處于淹沒環(huán)境中,單一的水射流很容易衰減。分析打擊力與靶距之間的關(guān)系,已有的規(guī)律是[1]:打擊力隨噴嘴直徑 d增大而增大;d一定,打擊力隨壓力增大而增大。因此,流場中動壓力的變化規(guī)律能反映水射流能力的大小。為了提高水射流的射流能力,在水射流外加氣環(huán)可以保護水射流,但是國內(nèi)外目前對氣環(huán)影響水射流流場的詳細(xì)分析很少,而這方面的研究能從內(nèi)在機理上解釋氣環(huán)對水射流的保護作用。

1 選取噴嘴模型

雖然具體應(yīng)用情況不同,噴嘴結(jié)構(gòu)與尺寸會制約噴嘴的設(shè)計,但是基本的參照尺寸不變[1]。典型的水噴嘴結(jié)構(gòu)為內(nèi)錐角α=13～15°,內(nèi)部直線段與噴嘴出口直徑比l/d=2～4。選取工程實踐中證明效果較好的氣噴嘴結(jié)構(gòu)同水噴嘴組合進行分析,選擇的水氣噴嘴組合的結(jié)構(gòu)模型如圖1所示,水噴嘴的出口直徑為2 mm,氣噴嘴的出口環(huán)隙為1 mm,水噴嘴內(nèi)縮1 mm。

圖1 水氣組合噴嘴結(jié)構(gòu)模型

2 數(shù)值模擬及分析[2-10]

模擬噴嘴組合在水下的噴射情況,并且為了盡早在距噴嘴出口較近距離就能觀察到衰減情況,選取的氣壓和水壓分別為0.4 MPa和20 MPa。雖然噴嘴為對稱結(jié)構(gòu),為了與真實情況更相符,沒有采用半模型進行流場分析,而是對完整噴嘴組合模型進行分析,這樣可以觀察到周圍水介質(zhì)對流場的不對稱的影響情況。

2.1 無氣環(huán)保護的水射流動壓力分布(如圖2)

圖2 無氣環(huán)保護的水射流動壓力分布

沒有氣環(huán)保護的水射流在相對較短的時間(0.8 s)就達(dá)到一個基本穩(wěn)定的流場。經(jīng)過近2 s的噴射后,3.5 s時刻的動壓力與0.8 s時刻的分布基本一致,可見,無氣體保護的水射流很容易受到淹沒環(huán)境介質(zhì)的影響,在較短時間就形成動壓力衰減的流場。

2.2 有氣環(huán)保護的水射流動壓力分布(如圖3)

比較圖2,在氣環(huán)保護下的水射流具有更大的能量去克服淹沒環(huán)境介質(zhì)的影響。在3.5 s時刻有氣體保護的水射流仍然沒有達(dá)到穩(wěn)定的狀態(tài),因為在氣體保護下水射流的能量衰減較慢,需要一定的時間克服周圍水環(huán)境施加的力,大約在5 s時刻流場基本穩(wěn)定,噴射流末端出現(xiàn)動壓力的明顯衰減。

圖3 有氣環(huán)保護的水射流動壓力分布

2.3 水噴嘴中軸線上動壓力分布(如圖4)

橫坐標(biāo)位置為7 mm處是水噴嘴出口位置。無氣環(huán)保護的水射流在噴嘴出口10 mm的距離內(nèi),動壓維持短暫且較為恒定,隨后一直到120 mm區(qū)間都在迅速逐步衰減。中間出現(xiàn)某些波動,是由于水介質(zhì)環(huán)境的影響結(jié)果。120 mm以外的區(qū)域能量基本耗散。

圖4 有無氣體保護的水射流達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)下中軸線的動壓力分布

有氣環(huán)保護作用下的水射流在距離噴嘴出口的120 mm范圍內(nèi)動壓基本恒定,隨后在中軸線上出現(xiàn)波動,產(chǎn)生的衰減速度由小到大。其間中軸線上動壓力的變化除了正常的水射流衰減外,也是由于環(huán)境水介質(zhì)對流場的非對稱擾動影響產(chǎn)生的,使流動在中軸線方向不是水平的,而是圍繞中軸線呈現(xiàn)一定程度的波動。這種波動在200 mm以內(nèi)很小,因為這段水射流的能量較大,大于水環(huán)境介質(zhì)的干擾。在200 mm以外的區(qū)域,水射流的能量逐步衰減,抵抗水環(huán)境介質(zhì)干擾的能力減弱。

3 結(jié)論

1) 在淹沒環(huán)境下,無氣體保護下的水射流能較快達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),但是能量衰減快。

2) 中軸線上動壓力分布表明,有氣體保護的水射流的動壓力衰減慢,更有助于提高水射流的打擊力。

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Numerical Simulation Analysis of the G aseous Ring Affecting Water-Jet Flow Field

ZHANGBin1,2,GAN Xing-ping1,HUANGJian-xi3,SONG Zhi-bin1,4,W ANG Li2,FAN Kun-lun2
(1.College of Engineering Technics,China University of Geosciencs,Beijing100083,China;2.Bohai Petroleum Vocational College,Renqiu062552,China;3.Oilf ield Machinary Plant,CN PC Bohai Equipment Manuf acturing Co.,Ltd.,Renqiu062552,China;4.Institute of Ex ploration Techniques,CA G,L angf ang065000,China)

In order to improve the around gaseous ring can prevent the water jet in the center from damping,choosing the better air-water nozzle in the site test.By the way of analyzing the situations of the water jet with or without gas protection,under the submerge condition of water,to get the charts of the flow fields’contours of dynamic pressure at different times and the values of the dynamic pressure along the axial line of the water nozzle,consequently,the conclusions that the gaseous ring can protect the water jet and why it can do it are obtained.

the gaseous ring;numerical simulation;flow field;dynamic pressure;jet

1001-3482(2010)12-0004-03

TE242.9

A

2010-06-12

中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)調(diào)查項目“江河堤壩防滲加固高壓旋噴注漿技術(shù)研究與開發(fā)”(F5.4.2)

張 彬(1982-),女,黑龍江林口人,講師,博士研究生,主要從事鉆井機械流體力學(xué)研究,E-mail:bingzhi201 @sina.com。