超临界二氧化碳冲击射流的数值模拟和实验研究

本项目的研究背景是超临界二氧化碳射流破岩钻井新技术需要机理性研究基础。针对超临界二氧化碳射流在高温高压高射流速度条件下冲击一垂直固体壁面这个流动问题，申请者在研究方法上提出了一些想法：（1）首先开展均相的超临界二氧化碳射流的直接数值模拟，详细地呈现、乃至预测射流的不规则的结构形态；计算不同条件下射流对壁面的喷射冲击力；湍流模式计算和评估， 以此为基础开发新的适用于超临界二氧化碳流动的湍流模式计算模型，为工程理论计算所需的工程湍流模型的开发奠定基础，这是一部分非常关键而实用的工作内容；展开射流实验，为数值模拟提供合理的压力状态方程、粘度等物性参数，验证数值模拟结果的可靠性。（2）其次针对有相变的超临界二氧化碳冲击射流拟展开数值计算和室内实验，研究和分析引起超临界二氧化碳流体发生相态变化的条件。

本课题的主要目标是：首先探讨适用于超临界二氧化碳冲击射流的直接数值模拟方法，继而根据数值结果描绘出超临界二氧化碳冲击射流的空间结构特性。.本课题完成的主要工作是：建立了一种适用于超临界二氧化碳冲击射流的直接数值模拟方法。针对超临界二氧化碳冲击射流的数值模拟，为了简化压力状态方程所导致的雅可比矩阵的特征值求解及其对角化的困难，本课题提出了一种采用高精度、高分辨率的差分格式离散求解非守恒型可压缩Navier-Stokes方程的直接数值模拟方法。具体推导了适用于超临界二氧化碳气体流动的非守恒形式的无量纲可压缩Navier-Stokes方程。建立了非守恒可压缩N-S方程的高精度差分离散方法。并且进行了平面冲击射流的直接数值模拟。在超临界二氧化碳流体物性的实验研究基础上，提出了本项目开展超临界二氧化碳冲击射流的直接数值模拟中所需要的，比如压力状态方程及流体粘度等主要流体物性方面的计算方法。. 目前本课题正在开展超临界二氧化碳冲击射流的直接数值模拟，但在程序的调试方面遇到了很大的挑战，因此还未描绘出超临界二氧化碳冲击射流的空间结构特性。这是本课题今后继续开展的工作。