CFX的噴嘴噴針流道的水力優(yōu)化

結(jié)合防城港電廠工程,對(duì)循環(huán)水泵流道進(jìn)行了物理模型試驗(yàn),重點(diǎn)研究了流道的水力特性,包括引水溝來水的擴(kuò)散消能特性、旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)及吸水室的水流流態(tài)特征、吸水喇叭口進(jìn)水?dāng)嗝娴牧魉俜植家?guī)律等。針對(duì)原設(shè)計(jì)前池?cái)U(kuò)散不充分、出流不均、泵體管外環(huán)流等問題,提出在前池?cái)U(kuò)散段設(shè)置消能橫梁和在循環(huán)水泵中心線上游設(shè)置淹沒胸墻等整流措施。該優(yōu)化方案能有效阻斷吸水室內(nèi)的表面回流通道,起到改善流態(tài)和消能的作用,從而滿足循環(huán)水泵的運(yùn)行要求,并且能夠有效節(jié)省土建投資。

滴灌滴頭水力性能優(yōu)化是滴灌技術(shù)不斷發(fā)展的需要。采用響應(yīng)曲面法研究了梯形迷宮滴頭流道的流道寬度、長度、深度、轉(zhuǎn)角和流道單元數(shù)等5個(gè)關(guān)鍵參數(shù)對(duì)滴頭水力性能(流態(tài)指數(shù)和流量系數(shù))的影響與最佳水平。試驗(yàn)結(jié)果表明,所測試梯形迷宮滴頭最優(yōu)流道寬度、長度、深度、轉(zhuǎn)角和流道單元數(shù)分別為1.55mm、2.33mm、1.55mm、46.32°和20,優(yōu)化后滴頭的流態(tài)指數(shù)為0.4993、流量系數(shù)為0.4441,較優(yōu)化前流態(tài)指數(shù)提高了5.624%,滴頭水力性能得到了改善。

利用cfd數(shù)值模擬方法代替?zhèn)鹘y(tǒng)水力性能試驗(yàn)對(duì)不同結(jié)構(gòu)參數(shù)尺寸的齒形迷宮滴頭流道內(nèi)流場進(jìn)行模擬計(jì)算,充分發(fā)揮其快速、低成本的優(yōu)勢,選取流量系數(shù)、流態(tài)指數(shù)和水頭損失系數(shù)3個(gè)指標(biāo)來分析齒形迷宮滴頭流道結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)滴頭工作性能影響的規(guī)律。結(jié)果表明,齒角度α對(duì)流量系數(shù)的影響最大,其次是偏差量j,齒高h(yuǎn)對(duì)其影響最小;齒角度α對(duì)流態(tài)指數(shù)的影響最大,其次是偏差量j,齒高h(yuǎn)對(duì)其影響最小。

采用數(shù)值計(jì)算方法對(duì)臥式前軸伸泵裝置的三維流場及水力性能進(jìn)行了初步研究,獲得了設(shè)計(jì)流量時(shí)進(jìn)、出水流道的流場圖以及水力損失值.同時(shí),還采用透明流道模型試驗(yàn)的方法,分別對(duì)臥式前軸伸泵裝置進(jìn)、出水流道數(shù)值計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證.研究結(jié)果表明:臥式前軸伸泵裝置進(jìn)、出水流道內(nèi)的流態(tài),數(shù)值計(jì)算的結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果一致,進(jìn)水流道內(nèi)的水流僅在泵軸后有很小范圍的局部旋渦,進(jìn)水流道出口斷面的流速均勻度為96.9%;出水流道進(jìn)口的水流具有一定環(huán)量,水流呈螺旋狀流入流道,流道外側(cè)的流速較大,流道中心附近流速較小.進(jìn)、出水流道水力損失值,數(shù)值計(jì)算值分別為0.142m和0.163m,流道模型試驗(yàn)值為0.137m和0.168m,兩者非常接近.該泵裝置在低揚(yáng)程泵站具有一定的應(yīng)用前景.

針對(duì)低揚(yáng)程泵站直管式出水流道內(nèi)較為嚴(yán)重的脫流問題,提出了直管式出水流道優(yōu)化水力設(shè)計(jì)方法:以最大限度地回收水流動(dòng)能和減少流道水力損失為目標(biāo),通過建立直管式出水流道幾何數(shù)學(xué)模型以及借助cfd三維湍流數(shù)值模擬,逐步優(yōu)化直管式出水流道的型體。通過專門設(shè)計(jì)的流道模型試驗(yàn),測試了直管式出水流道的水力損失;結(jié)合某大型泵站的應(yīng)用實(shí)例,驗(yàn)證了直管式出水流道優(yōu)化水力設(shè)計(jì)的效果。

降低滴灌系統(tǒng)灌水器工作壓力有望成為減少滴灌系統(tǒng)能耗以及運(yùn)行費(fèi)用的一種有效途徑,但目前低壓灌水器還十分少見。基于此,選取了國內(nèi)應(yīng)用較為廣泛的5種典型迷宮流道灌水器,分析了不同工作壓力區(qū)間對(duì)灌水器水力性能及消能特征的影響。結(jié)果表明:5種灌水器在低壓條件下運(yùn)行對(duì)于灌水器流量系數(shù)kd和流態(tài)指數(shù)x具有一定影響,但對(duì)于流態(tài)指數(shù)x的影響未達(dá)顯著水平。同一流道類型的灌水器流量系數(shù)kd與無量綱數(shù)a/l2呈顯著的線性相關(guān)關(guān)系,不同流道類型之間差異顯著。5種灌水器流道內(nèi)流態(tài)為紊流,未發(fā)生流態(tài)轉(zhuǎn)捩行為,采用常規(guī)管道流態(tài)轉(zhuǎn)捩雷諾數(shù)2200去判斷流道內(nèi)流態(tài)是不合適的。

水力噴射酸化技術(shù)是目前較新的一項(xiàng)儲(chǔ)展增產(chǎn)技術(shù),該技術(shù)既具有傳統(tǒng)酸化壓裂的特點(diǎn)又具有定向深穿透的優(yōu)勢,具有較好的發(fā)展前景。本文通過對(duì)水力噴射噴嘴外部流場進(jìn)行模擬,對(duì)比單向流噴嘴外部流場和氣體保護(hù)氣液兩相流噴嘴外部流場的速度分布云圖得出,理論上氣體保護(hù)氣液兩相流噴射效果更好,同時(shí)模擬得到影響氣體保護(hù)氣液兩相流噴嘴外部流場的因素,為現(xiàn)場施工提供依據(jù)。

應(yīng)用cfd模擬滴頭內(nèi)部流體特性,分析了流道長度、寬度、深度與滴頭水力性能的關(guān)系。結(jié)果表明,當(dāng)其他流道結(jié)構(gòu)參數(shù)保持不變時(shí),滴頭流量隨著流道長度的增大而減小,隨著寬度與深度的增大而增大;流道長度、流道寬度和流道深度均對(duì)滴頭流態(tài)指數(shù)影響不顯著,與流量系數(shù)呈指數(shù)關(guān)系,流量系數(shù)隨著流道長度的增大而減小,隨著流道寬度和深度的增大而增大。

針對(duì)油田罐體內(nèi)易沉積泥砂和這些含油泥砂難以自動(dòng)清理的技術(shù)問題,選擇圓錐收斂形沖砂噴嘴進(jìn)行了水力沖砂性能的試驗(yàn)研究。確定了單個(gè)噴嘴的最佳沖砂流量和沖刷范圍,得到流量q、噴距h(噴嘴與砂面垂直距離)、沖刷坑尺寸之間的關(guān)系,按此參數(shù)設(shè)計(jì)的水力沖砂噴嘴管網(wǎng)能使沖砂覆蓋率達(dá)到99%,并能使油水界面基本不受擾動(dòng)影響。

將水力噴砂射孔與水力壓裂相結(jié)合,一次施工完成射孔和壓裂是近幾年興起的油氣井增產(chǎn)新工藝。噴嘴是該工藝中的關(guān)鍵部件,弄清噴嘴的損傷特點(diǎn)及其影響因素,對(duì)于噴嘴的制造和合理使用都很重要。通過對(duì)比國內(nèi)外水力噴砂射孔噴嘴在室內(nèi)噴射磨損試驗(yàn)和現(xiàn)場噴射壓裂試驗(yàn)結(jié)果,得到了不同的噴嘴流道磨損情況。分析噴嘴材料微觀組織發(fā)現(xiàn),國內(nèi)材料wc粒子之間很少冶金結(jié)合,在水砂射流的沖擊下,粒子容易剝落;國外材料wc以結(jié)晶態(tài)存在,其耐磨性能遠(yuǎn)優(yōu)于國產(chǎn)噴嘴。制造工藝和安裝條件也影響噴嘴的使用壽命。

噴射鉆井的實(shí)踐和理論研究表明,噴射鉆頭不僅靠牙輪進(jìn)行機(jī)械破巖,鉆頭噴嘴還是一個(gè)水力機(jī)械,高速射流的水力能量不僅能凈化井底的巖屑,還具有直接破碎巖石的沖蝕作用。文中以基礎(chǔ)流體力學(xué)理論和流場模擬來分析噴嘴的水力性能,建立不同結(jié)構(gòu)噴嘴的cfd模型,對(duì)比分析各型噴嘴的水力性能,為牙輪鉆頭上噴嘴的選用與設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

研究了異形噴嘴對(duì)變量噴頭水量分布的影響。依據(jù)面積相同原則設(shè)計(jì)多種形狀的異形噴嘴,測量了異形噴嘴的流量系數(shù)、射程和末端水滴直徑,得出星形噴嘴射程降低較少,不同壓力時(shí)水量分布規(guī)律相近,可改善低壓力下均勻度。對(duì)比了星形噴嘴變量噴頭和圓形噴嘴變量噴頭的水力性能,星形噴嘴變量噴頭遠(yuǎn)射程處平均噴灌強(qiáng)度為近射程處的85%,圓形噴嘴變量噴頭遠(yuǎn)射程處平均噴灌強(qiáng)度為近射程處的79%,星形噴嘴變量噴頭水量分布優(yōu)于圓形噴嘴變量噴頭。分析比較了變量噴頭水量分布等值線圖,結(jié)果表明,星形噴嘴變量噴頭的水量分布均勻度好于圓形噴嘴變量噴頭,方形噴灑域的均勻度好于三角形噴灑域。

分析了水力噴砂壓裂工具噴嘴磨損的機(jī)理。水力噴砂射流對(duì)噴嘴的磨損主要是噴砂射流中砂粒對(duì)噴嘴內(nèi)壁材料的沖蝕磨損。砂粒對(duì)噴嘴內(nèi)壁面沖蝕磨損作用的形式包括微切削磨損、疲勞磨損、脆性斷裂磨損及擴(kuò)散磨損等。研究表明:噴嘴材料的微觀組織結(jié)構(gòu)及物理力學(xué)性能、噴嘴內(nèi)流道結(jié)構(gòu)形狀及幾何參數(shù)、噴嘴內(nèi)表面粗糙度、噴砂射流中砂粒濃度、砂粒特性(硬度、粒度、形狀等)及射流工作參數(shù)(射流壓力等)對(duì)于噴嘴的磨損都有影響。提出了耐磨材料選擇,噴嘴內(nèi)流道結(jié)構(gòu)優(yōu)化等延長噴嘴壽命的措施。

為了使工程安全穩(wěn)定運(yùn)行,提出對(duì)于采用平直出水流道的大型混流、軸流泵站工程必須進(jìn)行水力過渡過程分析計(jì)算,并提出安全可靠的斷流設(shè)施,同時(shí)確定合理的關(guān)閉時(shí)間。此外,提出國家標(biāo)準(zhǔn)《泵站設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)水泵出水流道斷流設(shè)施應(yīng)優(yōu)先選擇運(yùn)行可靠、調(diào)節(jié)靈活、結(jié)構(gòu)簡單的液控蝶閥的建議。

對(duì)py140型搖臂式噴頭在不同的彈尾形穩(wěn)流器與噴嘴直徑組合工況下進(jìn)行了噴頭內(nèi)流道水力性能試驗(yàn)。結(jié)果表明:噴頭內(nèi)流道阻力損失與噴嘴直徑、穩(wěn)流器長度及進(jìn)口工作壓力呈正比,并建立了回歸模型;噴管段產(chǎn)生的阻力損失與噴頭內(nèi)流道阻力損失之比的平均值為0.666;當(dāng)進(jìn)口工作壓力一定時(shí),噴嘴工作壓力與噴嘴直徑、穩(wěn)流器長度呈反比,噴頭流量的最大相對(duì)誤差為4.7%;錐角為40°的圓錐形噴嘴流量系數(shù)算術(shù)平均值是0.928。

對(duì)泵站箱涵式出水流道5種不同出水喇叭口懸空高度、4種不同后壁距及矩形、半圓形和對(duì)稱蝸殼形3種后壁型線以及導(dǎo)葉后無擴(kuò)散喇叭管方案進(jìn)行了試驗(yàn)研究。測得了喇叭口不同懸空高度時(shí)流道的水力損失,分析得出了不同佛汝德數(shù)下流道水力損失隨喇叭口懸空高度變化的規(guī)律。對(duì)4種不同后壁距及不同后壁型線時(shí)流道的水力損失進(jìn)行了測試和分析比較并觀測了流道內(nèi)流態(tài)。

對(duì)一經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的泵站簸箕型進(jìn)水流道制作了水力模型,測試其水力損失;采用雷諾平均納維斯托克斯方程(rans)和標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型,運(yùn)用simplec算法,對(duì)流道內(nèi)部流場進(jìn)行了三維湍流數(shù)值模擬,揭示了流道內(nèi)水流的流態(tài)和特征斷面的速度分布規(guī)律.試驗(yàn)和數(shù)值分析結(jié)果表明,所設(shè)計(jì)的簸箕型進(jìn)水流道內(nèi)無漩渦,流態(tài)良好,水力損失小,水泵進(jìn)口速度分布均勻,加權(quán)平均入流角接近90.°

介紹了在荷蘭有廣泛應(yīng)用、在我國剛開始得到應(yīng)用的泵站箕箕形進(jìn)水流道,采用紊流模型數(shù)值計(jì)算的方法,對(duì)這種形式的流道進(jìn)行了優(yōu)化水力計(jì)算,劉老漳泵站水泵裝置模型對(duì)比試驗(yàn)的結(jié)果表明,經(jīng)過優(yōu)化的簸箕形流道的水力性能,得到了顯著的改善。

水力除焦三通閥是某煉油廠延遲焦化裝置中的關(guān)鍵設(shè)備。依據(jù)合肥通用機(jī)械研究院設(shè)計(jì)的水力除焦三通閥結(jié)構(gòu),建立其在旁路循環(huán)工況和水力除焦工況下的流域模型,采用simple算法和standardk-ε湍流模型,進(jìn)行了三通閥內(nèi)部流場的cfd分析,并與原設(shè)計(jì)的簡化計(jì)算進(jìn)行了對(duì)比。模擬結(jié)果表明:旁路循環(huán)時(shí)該閥能有效地逐級(jí)消能,且滿足水泵的最低流量要求;除焦作業(yè)時(shí)三通閥上的壓降僅占系統(tǒng)壓降的0.6%,且閥芯密封面下部節(jié)流孔的設(shè)計(jì)有效地保護(hù)了主密封面不被破壞。閥門流場的數(shù)值模擬結(jié)果符合現(xiàn)場應(yīng)用情況。

利用cfd數(shù)值模擬方法代替?zhèn)鹘y(tǒng)水力性能試驗(yàn)對(duì)不同結(jié)構(gòu)參數(shù)尺寸的齒形迷宮滴頭流道內(nèi)流場進(jìn)行模擬計(jì)算,充分發(fā)揮其快速、低成本的優(yōu)勢,選取流量系數(shù)、流態(tài)指數(shù)和水頭損失系數(shù)3個(gè)指標(biāo)來分析齒形迷宮滴頭流道結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)滴頭工作性能影響的規(guī)律。結(jié)果表明,齒角度α對(duì)流量系數(shù)的影響最大,其次是偏差量j,齒高h(yuǎn)對(duì)其影響最小;齒角度α對(duì)流態(tài)指數(shù)的影響最大,其次是偏差量j,齒高h(yuǎn)對(duì)其影響最小。

討論了針閥式分噴嘴設(shè)計(jì),涉及錐銷頭閥針的錐角、軸向鎖緊、閥針直徑、澆口痕跡和分噴嘴結(jié)構(gòu)。提出了塑料熔體在針閥式噴嘴的環(huán)隙通道里,流率和壓力損失的計(jì)算方法。

滴灌雙向流流道是一種新型滴灌灌水器流道。為了研究流道結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)水力特性的影響,分別以流態(tài)指數(shù)和流量系數(shù)為評(píng)價(jià)指標(biāo),取流道的9個(gè)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)為因素,采用均勻試驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法,安排了12組試驗(yàn)方案。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,應(yīng)用多元回歸計(jì)算方法,分別建立了流態(tài)指數(shù)和流量系數(shù)與9個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的量化關(guān)系式,其相關(guān)系數(shù)分別為0.999和0.998,同時(shí)還用另外一組結(jié)構(gòu)參數(shù)的試驗(yàn)方案驗(yàn)證了建立的量化關(guān)系式。t檢驗(yàn)結(jié)果顯示,9個(gè)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)流態(tài)指數(shù)的影響均較顯著,而v字形擋水件的張角α對(duì)其影響最大;出口寬度a、八字形分水件張角β對(duì)流量系數(shù)的影響較顯著,而出口寬度a對(duì)其影響最大,為雙向流流道的設(shè)計(jì)提供了參考。初步研究表明雙向流流道的流態(tài)指數(shù)在0.40~0.47之間,其水力性能優(yōu)良,結(jié)構(gòu)簡單,有一定應(yīng)用前景。