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淹没磨料射流涡旋特性大涡模拟及研究张欣玮;卢义玉;周哲;汤积仁【摘要】基于涡运动理论，采用固－液两相大涡模拟方法模拟了淹没磨料射流的涡量场，分析了涡旋扩散机理与卷吸特性以及磨料随涡运动在射流中的混合分布规律。
流场剪切层中涡旋呈对称分布，沿轴线方向涡量呈指数衰减，衰减到最小值两侧涡旋混合成紊流混合区，而等速核内涡量几乎为零。
相比于纯水射流，磨料的存在使得射流涡运动减弱，涡旋扩散角减小约50％，等速核增长约30％，减少了能量耗散。
磨料在射流束内部时，受涡旋影响，趋向分布于高应变率、低涡量区，在涡旋下游侧磨料浓度最高。
同时模拟研究了磨料参数对涡量场的影响规律，结果表明：磨料参数基本不影响扩散角（14．1°～15．1°）、等速核长度，卷吸能力随磨料浓度、粒径、密度的升高均呈现小幅度地降低，磨料密度对其影响程度最大，磨料粒径的影响最不明显。
%Based on the theory of vortex motion,the vorticity field of submerged abrasive jet were simulated using the two-phase large eddy simulation method.The mechanism of eddy diffusion and entrainment were analyzed,the abrasive distribution law with vortex movement in the jet was acquired.It was shown that the vortex distribution of the shear layer in the flow field is symmetrical;vorticity at both sides of the vortex mixing presents an exponential attenuation to the minimum value,the vortex mixing forms a turbulent mixing zone;the potential core is irrotational everywhere;compared with pure water jet,the existence of abrasive makes vortex motion abate,the eddy diffusion angle decreases by about 50% and potential core grows by about 30%;the abrasive affected by vortex tends to be distributed in the area of high strain rate and lowvorticity;abrasive concentrates in the downstream side of vortex.The influence law of abrasive parameters on the vorticity field was also studied with simulation. The results showed that the diffusion angle(14.1°~15.1°)and the potential core length basically remain unchanged with variation of abrasive parameters;the entrainment ability decreases slightly with increase in abrasive concentration,particle size and density.【期刊名称】《振动与冲击》【年(卷),期】2016(035)019【总页数】6页(P1-6)【关键词】淹没射流;磨料;涡旋;大涡模拟【作者】张欣玮;卢义玉;周哲;汤积仁【作者单位】重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室，重庆 400030; 重庆大学复杂煤气层瓦斯抽采国家地方联合工程实验室，重庆 400030;重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室，重庆 400030; 重庆大学复杂煤气层瓦斯抽采国家地方联合工程实验室，重庆 400030;重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室，重庆 400030; 重庆大学复杂煤气层瓦斯抽采国家地方联合工程实验室，重庆 400030;重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室，重庆400030; 重庆大学复杂煤气层瓦斯抽采国家地方联合工程实验室，重庆 400030【正文语种】中文【中图分类】TE319磨料射流在石油、采矿等领域得到了广泛地应用与推广[1-3]。
石油机械CHINA PETROLELM MACHINERY2021 年 第 49 卷 第 3 期— 15 —V 钻井技术与装备A脉冲射流动力机构的结构设计和数值模拟**基金项目：中石化集团公司项目“页岩气井高效破岩工具关键技术研究与应用”（JP19010）。
严忠1陈小元1王委1纪照生2史杏杏2(1.中石化华东石油工程公司江苏钻井公司2.中国石油大学(北京))严忠，陈小元，王委，等.脉冲射流动力机构的结构设计和数值模拟.石油机械，2021, 49 (3) : 15-24.摘要：现有文献针对脉冲射流动力机构脉冲特性控制的研究尚存不足，为此，以典型的叶片 驱动盘阀式脉冲射流发生机构为研究对象，采用数值计算方法，从排量、叶轮内径、叶片个数、叶片型线安放角和阻力扭矩5个方面对动力机构的速度场、压力场、转速及压耗进行分析，揭示 动力机构结构参数对最终脉冲特性的影响规律。
模拟结果显示：内径与安放角对转速影响较为明显，转速随内径的增大先减小后增大，内径为56 mm 、排量为15 L/s 时转速最低达到546 r/min ；在分析范围内，叶轮转速随叶片个数的增加而增大，叶片个数由3增加至6时，转速在600-1 200 r/min 间变化，不同排量下平均增幅仅为59 r/min ；叶轮转速随安放角的增大而减小，不同排量下平均减幅为673 r/min 。
研究结果可为同类工具的脉冲压力和频率等特性控制提供理论指导。
关键词：脉冲射流；动力机构；结构参数；特性控制中图分类号：TE248文献标识码：A DOI ： 10. 16082/j. cnki. issn. 1001-4578. 2021. 03. 003Structural Design and Numerical Simulation of Pulse Jet Power MechanismYan Zhong 1 Chen Xiaoyuan 1 Wang Wei 1 Ji Zhaosheng 2 Shi Xingxing 2(1. Jtangsu Dr,〃加g Company ，STA^OPEC Eas£ CA/na OH Eng/^eer/ng Company； 2. CA/na 弘,©ersdy of Pe^ro/eurn (Beijing ) )Abstract : The existing paper has insufficient research on the pulse characteristic control of the pulse jet powermechanism. For this reason , taking the typical blade-driven disc valve pulse jet generator as the research object , the numerical calculation method is adopted to study the effects of displacement , the impeller inner diameter , blade number , blade profile installation angle and resistance torque on the velocity field , pressure field , rotation speedand pressure loss of the power mechanism ， and reveal the influence of power mechanism structure parameters on the final pulse characteristics. The simulation results show that the inner diameter and the installation angle have great effects on the rotation speed. The rotation speed first decreases and then increases with the inner diameter. Theminimum speed reaches 546 r/min under the inner diameter of 56 mm and the displacement of 15 L/s. Within the analysis range , the rotation speed of the impeller increases with the number of blades. When the number of bladesincreases from 3 to 6, the rotation speed varies from 600 to 1, 200 r/min , while the average increase is only 59 r/min under different displacements. The impeller rotation speed decreases with the installation angle , and the aver age decrease is 673 r/min under different displacements. The study can provide theoretical guidance for the charac teristic control of similar tools such as pulse pressure and frequency.Keywords : pulse jet; power mechanism ； structure parameter ； characteristic control余资源量多、发展潜力大等特点［|-2］，但是也存在0 引 言地层环境复杂和岩石硬度大等问题，亟需高效破岩方法以提高钻井效率，缩短建井周期，进而提高深 我国深层油气资源较为丰富，深部地层具有剩层油气开采效益［3-4］ o 脉冲射流钻井技术能够有效—16—石油机械2021年第49卷第3期利用并优化分布井底水力能量，在井底形成交变流场，提高射流的清岩效率，并通过降低井底瞬时压力改变井底岩石的应力状态实现辅助破岩［5-7］。
第４１卷 第８期兵器装备工程学报２０２０年８ 月 收稿日期：２０１９－０９－２９；修回日期：２０１９－１０－１５基金项目：武警部队装备研发项目（ＷＫ２０１７－０９）；武警工程大学创新团队科学基金项目（ＫＹＴＤ２０１９０５）作者简介：赵法栋（１９８６—），男，硕士，讲师，主要从事装备理论与技术研究，Ｅ ｍａｉｌ：ｚｈａｏｆｄ００＠１６３．ｃｏｍ；张燕丽（１９８６—），女，硕士，讲师，主要从事分析化学研究，Ｅ ｍａｉｌ：ｓｄｙａｎｌｉ＠１２６．ｃｏｍ。
通讯作者：庄弘炜（１９６９—），女，博士，教授，主要从事装备理论与技术研究，Ｅ ｍａｉｌ：ｚｈｕａｎｇｈｗ０１＠１６３．ｃｏｍ。
【装备理论与装备技术】ｄｏｉ：１０．１１８０９／ｂｑｚｂｇｃｘｂ２０２０．０８．０１２基于多物理场耦合的某型防暴喷射管喷射过程数值模拟赵法栋ａ，张燕丽ｂ，庄弘炜ａ（武警工程大学 ａ．装备管理与保障学院；ｂ．基础部，西安 ７１００８６）摘要：采用多物理场耦合的方法，对某型防暴喷射管射流高压气体膨胀、活塞推动以及射流喷射３个物理过程分别建立数值模型，基于ＣｏｍｓｏｌＭｕｌｔｉｐｈｙｓｉｃｓ平台进行耦合计算。
结果表明：在初始压力为１０ＭＰａ的条件下，活塞在０ ３１ｍｓ内速度达到最大值８．８１ｍ／ｓ，在１８．４７ｍ／ｓ运动到喷嘴处，速度约为２．０２ｍ／ｓ；在活塞推动下管内战剂压力以弹性波的形式向喷嘴传播，其最大值约９．１２ＭＰａ；战剂在喷嘴处加速，经过长圆柱段的整形加速从喷口喷出，最大出口速度为７０ｍ／ｓ；管外射流可分为伞状结构阶段、水团形成并破碎阶段和射流继续发展阶段，空气摩擦阻力是射流破碎的主要因素。
所建立的数值模型能为下一步火药选型、喷射管和喷嘴结构优化等提供借鉴。
关键词：防暴喷射管；喷射过程；数值模拟；脉冲射流；多物理场耦合本文引用格式：赵法栋，张燕丽，庄弘炜．基于多物理场耦合的某型防暴喷射管喷射过程数值模拟［Ｊ］．兵器装备工程学报，２０２０，４１（０８）：５８－６２，１１１．Ｃｉｔａｔｉｏｎｆｏｒｍａｔ：ＺＨＡＯＦａｄｏｎｇ，ＺＨＡＮＧＹａｎｌｉ，ＺＨＵＡＮＧＨｏｎｇｗｅｉ．ＮｕｍｅｒｉｃａｌＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆＪｅｔｔｉｎｇＰｒｏｃｅｓｓｏｆａＮｅｗＴｙｐｅＡｎｔｉ ＲｉｏｔＥｊｅｃｔｏｒＢａｓｅｄｏｎＭｕｌｔｉｐｈｙｓｉｃｓＣｏｕｐｌｉｎｇＭｅｔｈｏｄ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＯｒｄｎａｎｃｅＥｑｕｉｐｍｅｎｔＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０２０，４１（０８）：５８－６２，１１１．中图分类号：ＴＪ９９文献标识码：Ａ文章编号：２０９６－２３０４（２０２０）０８－００５８－０５ＮｕｍｅｒｉｃａｌＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆＪｅｔｔｉｎｇＰｒｏｃｅｓｓｏｆａＮｅｗＴｙｐｅＡｎｔｉ ＲｉｏｔＥｊｅｃｔｏｒＢａｓｅｄｏｎＭｕｌｔｉｐｈｙｓｉｃｓＣｏｕｐｌｉｎｇＭｅｔｈｏｄＺＨＡＯＦａｄｏｎｇａ，ＺＨＡＮＧＹａｎｌｉｂ，ＺＨＵＡＮＧＨｏｎｇｗｅｉａ（ａ．ＥｑｕｉｐｍｅｎｔＭａｎａｇｅｍｅｎｔａｎｄＳｕｐｐｏｒｔＣｏｌｌｅｇｅ；ｂ．ＢａｓｅＤｅｐａｒｔｍｅｎｔ，ＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＰＡＰ，Ｘｉ’ａｎ７１００８６，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏａｎａｌｙｚｅｔｈｅｆｏｒｍａｔｉｏｎａｎｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆａｎｅｗｔｙｐｅａｎｔｉ ｒｉｏｔｅｊｅｃｔｏｒ，ｎｕｍｅｒｉｃａｌｍｏｄｅｌｓｗｅｒｅｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｓｅｐａｒａｔｅｌｙｔｏｓｉｍｕｌａｔｅｔｈｅｈｉｇｈ ｐｒｅｓｓｕｒｅｇａｓｅｘｐａｎｓｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓ，ｔｈｅｐｉｓｔｏｎｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓａｎｄｔｈｅｊｅｔｉｎｊｅｃｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓ，ｔｈｅｍｕｌｔｉｐｈｙｓｉｃｓｃｏｕｐｌｉｎｇｍｅｔｈｏｄａｎｄｔｈｅｃｏｕｐｌｉｎｇｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｗｅｒｅｃａｒｒｉｅｄｏｕｔｂａｓｅｄｏｎＣｏｍｓｏｌＭｕｌｔｉｐｈｙｓｉｃｓｐｌａｔｆｏｒｍ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｗｈｅｎｔｈｅｉｎｉｔｉａｌｐｒｅｓｓｕｒｅｉｓ１０ＭＰａ，ｔｈｅｍａｘｉｍｕｍｖｅｌｏｃｉｔｙｏｆｐｉｓｔｏｎｉｓ８．８１ｍ／ｓｉｎ０．３１ｍｓａｎｄ２．０２ｍ／ｓｉｎ１８．４７ｍｓｗｈｉｌｅｔｈｅｐｉｓｔｏｎａｒｒｉｖｅｓａｔｔｈｅｎｏｚｚｌｅ．Ｔｈｅｐｒｅｓｓｕｒｅｏｆｉｎｔｅｒｎａｌｗａｒｆａｒｅａｇｅｎｔｐｒｏｐａｇａｔｅｓｔｏｔｈｅｎｏｚｚｌｅｉｎｔｈｅｆｏｒｍｏｆｅｌａｓｔｉｃｗａｖｅｕｎｄｅｒｔｈｅｐｉｓｔｏｎｄｒｉｖｉｎｇ，ｗｈｉｃｈｔｈｅｍａｘｉｍｕｍｉｓａｂｏｕｔ９．１２ＭＰａ．Ｔｈｅｗａｒｆａｒｅａｇｅｎｔａｃｃｅｌｅｒａｔｅｓａｔｔｈｅｎｏｚｚｌｅａｎｄｅｊｅｃｔｓｆｒｏｍｔｈｅｎｏｚｚｌｅａｆｔｅｒｓｈａｐｉｎｇａｎｄａｃｃｅｌｅｒａｔｉｎｇｂｙｔｈｅｌｏｎｇｃｙｌｉｎｄｅｒｓｅｃｔｉｏｎ，ａｎｄｔｈｅｍａｘｉｍｕｍｅｘｉｔｖｅｌｏｃｉｔｙｉｓａｂｏｕｔ７０ｍ／ｓ．Ｔｈｅｊｅｔｃａｎｂｅｄｉｖｉｄｅｄｉｎｔｏｔｈｒｅｅｓｔａｇｅｓ：ｕｍｂｒｅｌｌａｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｔａｇｅ，ｗａｔｅｒｍａｓｓｆｏｒｍａｔｉｏｎａｎｄｂｒｅａｋｕｐｓｔａｇｅａｎｄｊｅｔｃｏｎｔｉｎｕｉｎｇｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｓｔａｇｅ．Ａｉｒｆｒｉｃｔｉｏｎｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｉｓｔｈｅｍａｉｎｆａｃｔｏｒｏｆｊｅｔｂｒｅａｋｕｐ．Ｔｈｅｎｕｍｅｒｉｃａｌｍｏｄｅｌｃａｎｐｒｏｖｉｄｅａｂａｓｉｓａｎｄｒｅｆｅｒｅｎｃｅｆｏｒｔｈｅｓｅｌｅｃｔｉｏｎｏｆｐｒｏｐｅｌｌａｎｔ，ｔｈｅｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｐｉｐｅａｎｄｔｈｅｎｏｚｚｌｅ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ａｎｔｉ ｒｉｏｔｅｊｅｃｔｏｒ；ｊｅｔｔｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ；ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｐｕｌｓｅｊｅｔ；ｍｕｌｔｉｐｈｙｓｉｃｓｃｏｕｐｌｉｎｇ 单兵防暴喷射器是一类将刺激剂喷射到有生目标，使其暂时失去抵抗能力的单兵自卫非致命武器，与动能打击类非致命武器相比，不存在致命、致伤风险，实战应用更加灵活，在警卫、守卫、巡逻等勤务中能有效增强执法人员的个体防护和现场处置能力，具有广阔的应用前景。
xx工业大学科技学院论文（论文）摘要喷嘴作为水射流切割系统的关键设备之一，对水射流的动力学性能和射流内部流场的分布有着重要的影响。
好的喷嘴结构可以提高水切割的加工效率和加工精度。
因此寻求更好的喷嘴结构和优化喷嘴的重要参数已经成为国内外学者研究的热点和难点。
本论文首先从喷嘴的各主要参数着手，设计出五种不同流线的喷嘴流道，通过以上方法进行模拟分析后得出：喷嘴的过渡段长度对喷嘴的动力性能和喷嘴的内部流场影响比较大，对射流具有稳定作用，使得各喷嘴内部的动压力值是呈尖帽状分布。
喷嘴的发散角对射流出口处的流场分布比较大，有发散角的喷嘴射流在出口处的分布相对无发散角的喷嘴要细致。
过渡圆角对喷嘴的影响也较为明显，有过渡圆角的喷嘴的射流的核心段长度较无过渡圆角的射流的核心段长度要长。
所以具有过渡段、发散角和过渡圆角的喷嘴结构的内部的流场特性最佳。
这种喷嘴在出口处的径向速度较大，有利于射流和磨料的充分混合，所以很适合作为后混合式水射流切割机喷嘴。
最后本论文通过对喷嘴的主要参数之一的长径比做了详细的模拟分析，在喷嘴的过渡段直径不变的前提下，分别分析不同长径比下的喷嘴的各流场的分布情况。
对比后得出在相同的情况下，喷嘴的长径比越大，喷嘴出口射流的集束性越好，动压力值和轴向速度越大，有利于切割加工。
通过对喷嘴的其他主要影响因素喷嘴直径、过渡段直径、收缩角和发散角通过正交实验的方法，对其进行参数优化，从而得到相对最优化的喷嘴参数组合。
关键字：喷嘴，水射流切割，I脉冲水射流喷嘴设计ABSTRACTAs one of the key equipment of the water jet cutting system, the dynamic performance of the water jet and the internal flow of the jet The distribution of the field has important influence on. Good nozzle structure can improve the processing efficiency and accuracy of water cut. Because It has become a hot and difficult research topic in the domestic and foreign scholars to seek better nozzle structure and optimize the parameters of the nozzle.Point.This paper begins with the main parameters of the nozzle, the design of five different flow lines of the nozzle flow,By above methods to carry on the simulation analysis, we conclude that: nozzle of transition section length of nozzle of the dynamic performance and the nozzle internal flow field affected relatively large and the jet has a stabilizing effect, making the nozzle internal dynamic pressure value is a hat tip shaped distribution. The divergence angle of the nozzle is quite large to the flow field at the outlet of the jet, and the nozzle jet with divergence angle at the outlet of the nozzle has no divergence angle. The impact of the transition fillet on the nozzle is also more obvious, there is a transition fillet nozzle of the jet core segment length is longer than the length of the core segment of the jet. So the internal flow field characteristics of the nozzle structure with transition section, divergence angle and transition fillet angle are the best. The radial velocity of the nozzle at the exit is larger, which is beneficial to the mixing of the jet and the abrasive, so it is suitable as a post mixing type water jet cutting machine nozzle.In the end of this paper, a detailed simulation analysis is made on the long diameter of one of the main parameters of the nozzle.The distribution of the flow field of the nozzle under different length diameter ratio is analyzed under the condition of constant diameter of the transition section. Contrast In the same situation, the larger the ratio of the nozzle length, the better the convergence property of the nozzle outlet jet, and the dynamic pressure value And axial velocity is greater, it is conducive to the cutting process. The nozzle diameter and the transition of the other main influence factors of the nozzle The section diameter, the contraction angle and the divergence angle are optimized by the orthogonal test method, and the corresponding parameters are optimized.Optimized combination of nozzle parameters.Keywords:nozzle, water jet cutting,IIxx工业大学科技学院毕业设计（论文）目录第1章绪论 (7)1.1 课题的目的和意义 (7)1.2国内外研究现状 (7)1.3本文的研究内容 (8)第2章对主要设备的选型与计算 (9)2.1泵的选型 (9)2.2电机的选型 (11)2.3 储能器的选型 (13)第3章对主要零件的工艺分析与计算 (18)3.1 齿轮的工艺分析 (19)3.2 水管夹具的设计与材料选择 (23)3.3 水管薄壁的材料的选择与计算 (25)3.4接头的材料选择 (26)3.5 喷嘴的计算 (29)结论 (38)参考文献 (39)致谢 (40)III脉冲水射流喷嘴设计第1章绪论1.1 课题的目的和意义脉冲射流技术从世纪年代逐步发展起来，并在多个领域已经被广泛的应用，如钻井采矿、除锈和切割等方面。
超声速横侧射流混合特性的大涡模拟曹长敏;赵马杰;周涛涛;叶桃红【期刊名称】《中国科学技术大学学报》【年(卷),期】2015(000)008【摘要】采用大涡模拟方法研究了 Gamba 超声速燃烧室内的横侧射流流场中大尺度涡旋结构以及当地混合特性．超声速来流受到音速射流流体的阻碍，形成了复杂的激波和涡旋结构．由计算结果中的平均马赫数分布图可以清楚地看到激波结构，包括弧形激波、λ激波、桶状激波以及马赫盘；采用Q 准则表征三维涡旋结构，可以看到稳态的反向旋转涡对（CVP）、尾迹反向旋转涡对（TCVP）、马蹄涡以及非稳态的射流剪切层涡等结构；此外，由平均流线图可以看到，TCVP 结构与CVP 结构的旋转方向相反，不对称的 CVP 结构导致燃料质量分数展向分布不均匀．引入概率密度函数方法分析当地混合特性，结果表明射流近场混合主要发生在射流出口上游回流区以及桶状激波下侧和射流剪切层下侧的射流尾迹区内；射流远场混合分数的概率密度分布从β分布逐渐过渡为高斯分布．研究射流浓度衰减特征，结果表明氢气质量分数沿射流浓度最大迹线呈指数－0.7衰减．%Large eddy simulation was performed to study the large scale vertical structures and the mixing characteristic of supersonic transverse injection flow in the Gamba combustor . The supersonic flow is obstructed by the sonicjet ,resulting in very complex three dimensional shock waves and vertical structures .All of the shock waves ,including bow shock ,λ shock ,expansion shock ,barrel shock and Mach disk ,can be seen in the mean Mach number contour .The three‐dimensional vertical structures ,such as steady counter‐rotating vortex pairs (CVP) ,trailing counter‐rotating vortex pairs (TCVP) ,horseshoe vortices and unsteady jet shear layer vortices ,can be visualized by the iso‐surface of Q‐criterion . The TCVP structure rotates in the opposite direction of the CVP ,which can be characterized by the average streamline .Moreover , the asymmetric CVP structure leads to non‐uniform distribution of fuel mass fraction in span‐wise direction . The probability density functions (PDFs) were introduced to study the mixing characteristic in the near field ,far field and the recirculation regions in the upstream of the jet .The results show that significant mixing occurs in the recirculation regions ,the bottom of the barrel shock and the wake below the jet shear lay er .The PDFs of mixture fraction obey βdistribution in the near jet flow‐field and develop into Gauss distribution in the downstream .The study of the concentration decay shows that the H2 mass fraction obeys exponential decay along the maximum centerline with the index being about - 0.7 .【总页数】9页(P665-673)【作者】曹长敏;赵马杰;周涛涛;叶桃红【作者单位】中国科学技术大学热科学和能源工程系，安徽合肥 230027;中国科学技术大学热科学和能源工程系，安徽合肥 230027;中国科学技术大学热科学和能源工程系，安徽合肥 230027;中国科学技术大学热科学和能源工程系，安徽合肥 230027【正文语种】中文【中图分类】TK472+.6【相关文献】1.超声速高度欠膨胀冲击射流的大涡模拟 [J], 刘海;姚朝晖2.RBCC燃烧室超声速反应混合层特性的大涡模拟 [J], 魏祥庚;曹东刚;秦飞;吴继平3.超声速气流中液体横向脉冲射流一次破碎的大涡模拟 [J], 林森; 沈赤兵; 肖锋; 朱元昊4.激励射流在超声速流场中的混合特性研究 [J], 顾声龙;陈立红;顾洪斌;李飞;卫喆;张新宇5.三维超声速混合层内标量混合的大涡模拟 [J], 孙明波;范晓樯;梁剑寒;王振国因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
第30卷第2期江苏理工学院学报JOURNAL OF JIANGSU UNIVERSITY OF TECHNOLOGY Vo l.30，No.2 Apr.，20242024年4月气力输送是输送散装物料的重要工业运输方式，其根据运输物料的标准，可使用不同的运输形式，如稀相输送和密相输送。
在这种充满粒子的湍流流动中，存在着许多影响粒子运动的复杂微物理现象，如粒子之间的碰撞、粒子与壁面的碰撞、湍流流动等。
因此，密相输送有可能会使颗粒在管道中堆积，从而导致管道堵塞和振动。
为了避免这些不利影响，气力输送可以采用稀相输送，但稀相输送需要具有较高的空气速度，这就会导致额外的电力消耗。
因此，在管道气力输送系统的设计中，最好能保持尽可能低的空气速度，以实现固体颗粒的连续稳定输送[1]。
为了实现这一目标，研究气力输送系统的颗粒动力学尤为重要。
在过去的几十年里，人们通过实验测量和数值模拟对气固两相流的粒子动力学进行了大量研究。
Yan等人[2]将高速PIV实验法作为气固两相流实验方法，实验数据十分可靠，但成本较高。
因此，近些年来，数值计算被广泛运用于多相流研究[3]。
Almohammed等人[4]研究对比了Eluer-Eluer和Eluer-Lagrange这两种计算方法，发现使用Eluer-Lagrange计算方法可以得出更详细的运动信息。
Ebrahimi等人[5]使用计算流体动力学和离散单元（CFD-DEM）耦合法，将数值计算的数据与LDV实验数据进行对比，发现两种方法得出的结果基本一致。
因此，CFD-DEM耦合计算法可以较好地模拟颗粒在管道内的流动情况，也更易提取颗粒的运动信息[6-8]，这对优化管道气力运输系统有很大帮助。
为了降低管道气力输送系统的能耗，减小管道磨损，提高物料运输的稳定性，学者们做了很多研究工作。
Zhou等人[9]将旋风机应用于气力输送中，发现其具有较好的节能特性，且使中等旋风强度下的低平均速度和较弱旋风强度下的高平均速度的输送稳定性得到了提升。
第１ｌ卷第３期 ２０１０年６月 空军工程大学学报（自然科学版）
ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＡＩＲ ＦＯＲＣＥ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ（ＮＡＴＵＲＡＬ ＳＣＩＥＮＣＥ ＥＤＩＴＩＯＮ） Ｖｏ１．１１ Ｎｏ．３
Ｊｕｎ．２０１０
脉冲防暴水炮出口段射流的大涡模拟 汪 送 ， 战仁军 （１．空军工程大学工程学院，陕西西安７１００３８；２。武警工程学院，陕西西安７１００８６）
摘要：为优化装备设计，减少实验投入，采用大涡模拟方法耦合二维非稳态ＶＯＦ模型对脉冲 防暴水炮发射管内及出口段的气液两相射流进行了数值模拟研究。通过搭建实验台对脉冲防 暴水炮出口段射流进行了高速摄影实验，并利用高速图像记录系统自带的判读软件对射流出口 段的速度值进行了判读，实验所得的射流形状及速度与仿真结果吻合较好。利用仿真方案进行 变运动参数的数值模拟，结果表明：初始压力对出口速度影响较大，而初始射角对出口速度大小 没有影响，因改变了初始射流方向，导致最大射程有所变化。研究表明较大的初始压力和较小 的水量能获得更大的射流出口速度和更少的水炮发射时间。 关键词：脉冲防暴水炮；出口段射流；大涡模拟；实验研究 ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００９—３５１６．２０１０．０３．０１６ 中图分类号：ＴＶ １３１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００９—３５１６（２０１０）０３—００７２—０４
提高警用脉冲防暴水炮持续作战能力必须改善其作用效能¨－２ 。通过对脉冲防暴水炮发射管内及出Ｅｌ 段气液两相射流进行研究，可以找到影响性能因素的敏感参数，为装备改进设计提供科学可靠的参考依据。 早在２０世纪７０年代，Ｇ Ａ Ａｔａｎｏｖ等国内外学者对水炮进行了最优化研究，同时提出了一种数值计算方 法 Ｉ４］，另外，其对喷嘴的尺寸也进行过研究 Ｊ。Ｅ．Ｓ．Ｇｅｓｋｉｎ等 使用Ｇｏｄｕｎｏｖ方法从力学的角度对水炮 进行了研究，利用火药气体燃烧所产生的高压气体来推动活塞完成发射过程。Ｆｅｄｅｆｉｅｏ Ｍｏｎｔａｎａｒｉｅｔ 等利用 Ｆｌｕｅｎｔ软件，数值研究了活塞推动式脉冲防暴水炮发射管内及出口段的射流运动过程，与实验结果吻合较 好。战仁军ｌ８ 等利用ＣＦＤ软件，数值研究了脉冲防暴水炮不同结构喷嘴对水柱的加速作用，得到了较为合 理的优化设计方案。文献［８—９］对脉冲防暴水炮发射管内的气液运动进行了理论建模和数值计算，分析了 两者的吻合情况。同时搭建了模型试验台，为实验的展开奠定了基础。本文拟在此基础上进行进一步的研 究。
１实验台的搭建 本实验搭建的试验台构造如下：２个高压气瓶通过一个三通阀将高压气体输入到双极减压阀内，双极减 压阀分别输出２．５ ＭＰａ和０．６ ＭＰａ的双向定额压力，前者输入高压气室，后者为水室注水提供压力。由于高 压气室的最大承压能力有限，同时为考虑不同初始气压的影响，在双极减压阀和高压气室间设置了一个调压 阀，这样就可以根据需要调低初始压力，以观察其对出口性能的影响。调压阀将定额压力输入高压气室，待 水室注满水后，扣动脉冲防暴水炮的扳机，就可以完成一次发射动作。然后，再次充气、注水，完成第二次发 射，如此循环。为保证初始条件的统一，特设计了一个炮架，使初始射角能根据需要调整，可缓解一部分的后 坐力。采用高速相机对出口段射流进行拍摄，同时利用系统自带的判读软件对射流出口速度进行判读。
收稿日期：２００９—１２—２５ 基金项目：国家自然科学基金资助项目（５０８７６１１３） 作者简介：汪送（１９８４一），男，湖南衡阳人，博士生，主要从事军事装备学研究； 战仁军（１９６３一），男，山东烟台人，教授，博士生导师，主要从事军事装备学和非致命武器研究 Ｅ—ｍａｉｌ：ｚｈａｎｒｅｎｊｕｎ＠ｙａｈｏｏ．ｃｏｎ．ｃｎ 第３期 汪送等：脉冲防暴水炮出口段射流的大涡模拟 ７３ ２数值模拟模型及参数设定 湍流的数值模拟方法有直接数值模拟（Ｄｉｒｅｃｔｅｄ Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，ＤＮＳ）、雷诺平均模拟（Ｒｅｙｎｏｌｄｓ— ａｖｅｒａｇｅ Ｎａｖｉｅｒ—Ｓｔｏｋｅｓ，ＲＡＮＳ）和大涡模拟（Ｌａｒｇｅ Ｅｄｄｙ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，ＬＥＳ） 。直接数值模拟对计算机资源要 求较高，雷诺平均模拟将变量做均化处理，难以获得流动细节，而大涡模拟则介于两者之间，对计算资源要求 不高，同时能较好描述湍流的瞬时运动，因此本文运动大涡模拟方法对脉冲防暴水炮气液射流进行数值模 拟，用二维ＶＯＦ模型对气液界面进行追踪¨ 。 ２．１ ＬＥＳ模型 通过在傅立叶空间或构形空间过滤随时间变化的Ｎ—Ｓ方程得到ＬＥＳ的控制方程。过滤处理有效地将 比计算中使用的过滤宽度或网格间距小的漩涡过滤掉，最终得到的ＬＥＳ控制方程能够有效地控制大漩涡的 动态变化¨ 。过滤变量定义为：
咖（ ）：Ｉ咖（ ）Ｇ（ ， ）ｄ （１） 式中：Ｄ为流体计算控制域；Ｇ为决定求解漩涡大小的过滤函数。不可压缩流动过滤后的Ｎ—Ｓ方程为： ＋ （ｐ Ｕｉ）＝０ （２） ａ￡ ａ 厂 、
去 Ｐ—ｕｉ）＋毒ｃＰ—ｔｉＵｊ）＝毒 ）一簧一鲁 ｃ３ 式中： 是由于分子粘度作用的应力张量； ，是亚网格尺度应力。 ２．２亚网格尺度模型 过滤后无法获得Ｎ—ｓ方程中亚网格尺度应力，因此需要建模，ＦＬＵＥＮＴ中亚网格尺度湍流模型应用与 ＲＡＮＳ模型相同的Ｂｏｕｓｓｉｎｅｓｑ假设¨ ，计算模型为：
丁 ｆ一｛一 ｋ ６ｉｆ＝一２ Ｓ ｆ （４） 式中 是亚网格尺度湍流粘度，ｓ 是对于求解尺度的应力张量比率，定义为： ： １ ｆ ＋ １ （５） ＼ｄ ＯＮ，ｉ， ２．３ 网格划分 由于本文计算区域比较规则，可将计算网格简单划分为２部分：一部分是靠近管壁的流动区域，考虑到 管壁区域速度梯度变化剧烈，采用加密网格技术，使得网格按照幂函数规律变化，结合计算机的实际计算能 力对该区域适当加密；另一部分则采用均匀直线网格划分技术。网格数约为２１万，由Ｇａｍｂｉｔ软件生成。 ２．４参数设定 由于气液冲击过程是一个非稳态的过程，因此选用非稳态的求解计算器进行求解，可以得出在不同时刻 的流型图。采用二维非稳态、隐式分离算法进行数值计算。采用大涡模拟的一阶时间离散格式耦合二维非 稳态隐式ＶＯＦ模型对控制方程进行数值求解。模拟时高压气体自动膨胀，推动水从喷口高速喷出，因此没 有人口边界条件，采用压力出口边界条件，出口压力值设为０ ＭＰａ。采用ＶＯＦ模型时，给高压气室和水室分 别定义次要相的体积分数。
３模拟结果及分析 ３．１射流形状的对比 为比较实验数据和模拟数据的异同，根据初始压力为１．０ ＭＰａ、水量为１ Ｌ的工况进行模拟，得到不同时 刻的射流两相分布，见图１，左边为实验图片，右边为模拟图像。从图可知，两者能较好地吻合。实验时发现 水炮出现二次喷射现象（即二次高速射流），从模拟结果可以看出，管内气液出现参混，由于管内气液混合物 的速度远大于水射流的速度，因此在气体贯穿喷口时，出现了后面射流追赶前面射流的情况，此即射流的二 次喷射现象。图２比较了射流出口速度的实验值和模拟值，两者的基本趋势完全相同，说明所选用的仿真方 案能较好预测射流出口段的速度。 ７４ 空军工程大学学报（自然科学版） ２０１０年 ■＿—●—一一ｍｓ ■■皇１－－－－－ ｍｓ ■一—ＩＩ一 ｍｓ ■＿—●—一ｒ＝１３ ｍｓ ■墨■●＿一 １５ ｍｓ ●曩■Ｉ｝ｌ—Ｈ，ｍｓ
图１ １．０ ＭＰａ初始压力下不同时刻的出口段射流 Ｆｉｇ．１ Ｎｏｚ￣ｅ ｊｅｔ ａｔ ｄｉｆｅｒｅｎｔ ｔｉｍｅ ｕｎｄｅｒ ｉｎｉｔｉａｌ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｏｆ １．０ ＭＰａ 图２射流出口速度值比较曲线
Ｆｉｇ．２ Ｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅ ｅｕｒｖｅ ｏｆ ｊｅｔ ｅｘｉｔ ｖｅｌｏｃｉｔｙ
３．２变运动参数的数值模拟 采用４．１节的模型进行变运动参数（初始压力和初始射角）的数值模拟。图３是不同初始压力下出口 面平均速度时间曲线，可知：在水柱没有完全被推出喷口时，出口的速度即是水柱的速度；随着初始压力的升 高，水柱所获得加速度逐渐增大，完成加速过程的时间逐渐缩短，即初始压力越大，完成发射过程所需的时间 越短。随着发射管中水量的减少，气体开始贯穿喷口，出口面平均速度瞬间升高，可见管内气体的速度远大 于水，因此气体射流段（管内高压气嘴出口至气液界面处）是充分发展的湍流。在水被完全推出后，高压气 室内的压力仍大于０ ＭＰａ，因此仍有气流流出，但速度波动不大，当初始压力大于１．０时，出口最大速度值均 在２８０ ｍ／ｓ左右波动，随后又经历了波浪式的降低，直到降为０。初始压力为０．５ ＭＰａ时，出口最大速度值为 ２２０ ｍ／ｓ，完成发射过程约需２０ Ｉｌｌｓ，因此如需加速脉冲防暴水炮的发射频率，必须适当加大初始压力。 图４给出了不同的初始射角时出口面的速度曲线，其基本重合，这说明，初始射角对出口速度的大小影 响较小，因其影响了速度的方向，必然会导致各种射角下最大射程的不同。
Ｏ ０ Ｏ．Ｏ１ ０．０２ ０．０３ ０．０４
ｆ，ｓ
图３不同初始压力时的平均速度时间曲线
Ｆｉｇ．３ Ｎｏｚｚｌｅ ａｖｅｒａｇｅ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｃｕｒｖｅ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ Ｉｎｉｔｉａｌ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ４结论 Ｏ０ ５０ ００ ５Ｏ ＯＯ ５Ｏ Ｏ ０ ０．０１ ０．０２ ０．０３ ｆ／ｓ 图４不同初始射角时的平均速度时间曲线 Ｆｉｇ．４ Ｎｏｚｚｌｅ ａｖｅｒａｇｅ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｃｕｒｖｅ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｅｒｅｎｔ ｉｎｉｔｉａｌ ｌａｕｎｃｈ ａｎｓｌｅ
本文对脉冲防暴水炮出口段的射流进行了实验和数值模拟以及变参数的数值计算，可得如下结论： １）大涡模拟方法耦合二维非稳态的ＶＯＦ模型能较好预测脉冲防暴水炮出口段射流的形状及速度分布， 本文成功解释了射流二次喷射的成因； ２）初始压力是影响射流出口速度的较敏感的因素，压力越大速度值越高，完成发射过程所需时间越短； ３）初始水量对出口速度大小没有影响，因改变了射流初始方向，必然导致最大射程的异同，实验发现当 初始射角为２５。时，脉冲防暴水炮有最大射程。
参考文献： ［１］汪送，战仁军，张威．各式防暴水炮警用领域应用及研究现状［Ｊ］．国防科技，２００９，２：１４—１６． ＷＡＮＧ Ｓｏｎｇ，ＺＨＡＮ Ｒｅｎｊｕｎ，ＺＨＡＮＧ Ｗｅｉ．Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｓｔｕｄｙ Ａｃｔｕａｌｉｔｙ ｏｆ Ａｌｌ Ｋｉｎｄｓ ｏｆ Ａｎｔｉ—ｒｉｏｔｓ Ｗａｔｅｒ Ｃａｎｎｏｎ ｉｎ Ｐｏ— ｌｉｃｅ Ａｒｅａ［Ｊ］．Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｄｅｆｅｎｃｅ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００９，２：１４—１６．（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ）
