磨料射流流场结构测试与离散颗粒模型的建立

Abrasive jet was widely used in gas control, petroleum exploitation, machinery processing. Abrasive jet flow field structure evolution was the basis research for various areas. Recently, scholars have conducted extensive research and achieved fruitful results for the problem. But the development of technology required more knowledge of abrasive jet flow structure evolution and preliminary studies revealed some deficiencies. The force on abrasive is always simplified or use two-fluid model to simulate the abrasive jet, and the collision between the abrasive particles was been neglected. The project would develop the discrete particle model of abrasive jet with micro measurements of PIV. With the micro measurements of PIV, trajectory of the abrasive particles and the flow field around particles before and after collision will be studied, and the collision model will be established. The test results could verify and optimize the collision model. The discrete particle model of abrasive jet would be developed by combining collision model and abrasive force, for example viscous resistance coefficient, apparent mass force, pressure gradient force, Basset, Magnus. To achieve immediate structure of two-phase flow and detailed velocity and to analysis the influence law of hydraulic parameters, nozzle structure and abrasive attribute, PIV measurement will be launched. The test results could verify and optimize the discrete particle model of abrasive jet. It has great significance for promoting the development of related technologies and processes.

磨料射流被广泛用于瓦斯治理、石油开采、机械加工等领域。作为基础研究，学者对磨料射流流场结构演变规律做了大量工作，取得了丰硕的成果。但随着技术的发展，对磨料射流流场结构演变规律的认识有了更高要求，前期研究暴露出了一些不足。学者多对磨料受力进行简化或将离散相简化为拟流体，忽略了磨料颗粒之间的碰撞。为此本项目提出利用PIV细观测量作为切入点建立磨料射流离散颗粒模型的新思路。利用PIV细观测试，获得磨料颗粒碰撞前后运动轨迹及周围流场的变化，建立磨料颗粒碰撞模型，并利用测量结果对模型进行验证与优化；在考虑粘性阻力、视质量力、压强梯度力、Basset力、Magnus力等的作用下并结合碰撞模型建立磨料射流离散颗粒模型；对磨料射流进行PIV测量，以期望获得直观的两相流场结构，并分析水力参数、喷嘴结构、磨料属性等对流场结构的影响规律，以此对离散颗粒模型进行验证与优化，对推动相关技术和工艺的发展具有重要意义。

磨料射流被广泛用于瓦斯治理、石油开采、机械加工等领域。作为基础研究，学者对磨料射流流场结构演变规律做了大量工作，取得了丰硕的成果。但随着技术的发展，对磨料射流流场结构演变规律的认识有了更高要求，前期研究暴露出了一些不足。为此本项目提出利用PIV细观测量作为切入点建立磨料射流离散颗粒模型的新思路。项目采用PIV技术结合自主编程设计的磨料中心识别程序，实现非接触式测试手段下磨料速度测试，研究了不同条件下磨料射流流场结构的影响规律，结果表明在一定范围内增加直线段长度有利于提高磨料出口速度，增加收敛段长度磨料速度增幅不大，而收敛角较大时液相在收敛段后半段加速过于剧烈，导致磨料颗粒加速滞后而磨料出口速度降低；建立了磨料分布概率密度函数，研究了磨料分布随靶距及喷嘴结构的变化规律，研究表明随着靶距的增加，磨料分布的标准差线性增加，表明其增长趋势与射流宽度增长趋势一致，在一定范围内增加直线段的长度和收敛段长度，均能使得磨料分布更为集中，而随着收敛角的增大磨料分布更为分散；利用PIV细观测试技术，进行了大量的磨料颗粒撞击壁面实验，研究了撞击角、垂直壁面速度比、碰撞恢复系数、摩擦系数等参数随撞击角的变化规律，发现了表面粗糙度对磨料回弹分布的影响，建立了考虑表面粗糙度的磨料颗粒碰撞模型；在实时对比插值法分析阻力系数且考虑巴西特力的基础上建立了磨料轴向运动微分方程，结合磨料颗粒碰撞模型，建立了磨料射流离散颗粒模型，获得磨料颗粒加速全过程中的流场信息，与PIV流场测试结果吻合较好，理论值与实验均值偏差0.18m/s，实验值标准差3.81-4.22m/s；建立了磨料侵彻过程的差分模型，结合磨料射流离散颗粒模型获得的磨料信息，得出了不同条件下磨料射流冲蚀钢板的体积，与冲蚀实验非常吻合，进一步验证了磨料射流离散颗粒模型的合理性。本项目可为磨料射流喷嘴结构优化、打击力计算、下向孔排渣等提供理论基础。