自振脉冲式超临界二氧化碳射流流动特性基础研究

Supercritical carbon dioxide jet has incomparable advantages over water jet in shale gas exploitation. The present research on supercritical fluid mostly concentrates in engineering application while jet characteristics and flow mechanism are not deep enough. Therefore, there is great room to improve work efficiency . On the basis of traditional supercritical jet, this project will conduct experimental and numerical research on self-exited pulsed supercritical carbon dioxide jet. Depening on understanding the flow characteristics of self-excited supercritical carbon dioxide, the theory of shear layer theory, vortex dynamics, coherent structure will be synthetically utilized. Aiming at nozzle structure optimization, the relationship between woking parameters, structure parameters and jet external characteristics will be systematacially investigated. Additionally, the frequency model will be established and the flow mechanism will be revealed. This research will set up the flow control method of self-excited oscillation supercritical carbon dioxide jet, which can provide a theoretical basis on nozzle type selection and a technical support for shale gas efficient exploitation.

超临界二氧化碳射流在页岩气开采领域具有水射流无法比拟的优势，目前关于超临界射流的研究多集中在工程应用，关于其射流形态及流动机理的研究还不够深入，工作效率还有很大提升空间。本课题在传统超临界射流的基础上，提出了自激振荡超临界二氧化碳射流，以自激振荡型超临界二氧化碳流动为研究对象，以脉冲式射流特性为切入点，通过实验研究和数值模拟，利用剪切层理论、涡动力学理论、拟序结构等分析方法，从喷嘴流场结构优化的角度出发，系统研究工作参数、结构参数与射流外特性之间的相互关系，建立自振脉冲二氧化碳射流的频率模型，揭示自振脉冲射流的流动机理，旨在建立自振脉冲式超临界流体流动控制方法，为自振喷嘴选型设计提供了理论依据，为页岩气高效开发提供了技术支撑。

自激振荡射流有着结构简单、效率高等优点，超临界二氧化碳射流在页岩气开采领域具有水射流无法比拟的优势，将自振喷嘴应用到超临界射流领域能提升喷嘴工作效率，在非常规油气开采领域有着广阔的应用前景。本课题采用实验研究、数值模拟和理论分析相结合的方法，开展自激振荡超临界二氧化碳射流流动特性及发生机理研究，取得主要成果如下：（1）对自激振荡喷嘴内部流场进行了细致的研究。亥姆赫兹式振荡腔内部剪切层周期性脱落是压力脉动形成的初始诱因，周期性的涡环不断变大向下游运移，到下游碰撞壁附近受到挤压，融合破碎，在壁面处形成二次涡，破碎耗散后，能量向上游反馈，将上游的扰动放大，形成周期性的自激振荡，并且脉动频率随着腔室长度的增大降低；（2）对自激振荡射流性能及其影响因素进行了深入的分析，系统研究了喷嘴结构、工作参数对外流场速度分布、拟序结构的影响规律。结果显示腔长较短的喷嘴喷出的射流更为稳定，射流等速核更宽，在许多场合稳定均匀的射流能达到较好的效果，冲蚀试样的深度和质量都受腔室结构和工作参数的影响。（3）通过实验验证了自激振荡超临界二氧化碳射流的最优结构和工作能力。在最佳靶距下，通过相应的最佳腔室长度可以得到各入口压力下的最大压力峰值，从而导致在相同工况下的最大振幅，与连续射流相比，最佳距离附近的冲蚀能力也有明显提高。 本项目发表SCI论文5篇，EI论文1篇，中文核心3篇，授权发明专利1项，实用新型专利2项。指导硕士研究生2人，联合指导硕士研究生4人。成果丰富了对自激振荡射流流动机理和超临界二氧化碳冲蚀破碎页岩效率提升，对完善自激振荡超临界二氧化碳射流具有关键作用，对高效开发非常规油气有重要的参考价值。