高压旋喷气液同轴喷嘴射流流场理论与试验研究

论文摘要

气体保护水射流在高压旋喷、石油钻井、清洁行业等越来越多的领域中得到了重视和应用。水气同轴喷嘴的结构选择、在不同淹没环境介质中喷射的流场规律、气体保护提高水射流射流能力的内在机理等对施工工程效益、施工结果具有重要意义。本文研究目的是以高压旋喷中的水气同轴喷嘴为模型,分别在水射流有气体保护和无气体保护的情况下分析了在水、沙质等环境中水射流的流场规律,通过利用CFD流体分析软件进行数值模拟、流动显示试验、施工现场试喷及后期开挖检测,研究水气同轴喷嘴射流对成桩的影响规律,从而为设计结构合理的水气同轴喷嘴及适宜的射流参数提供科学依据。本文所做的主要工作如下:一、分析高压旋喷施工中水气同轴喷嘴结构参数的设置及射流特点。使用欧拉法建立了水气同轴喷嘴内部流场的数学模型,并用标准的两相k ?ε湍流模型模拟两相流场,选取经典的水喷嘴内流道结构,使气环能较好保护水射流且水射流扰动紊乱较小,并对水喷嘴的壁厚以及气喷嘴的流道结构进行了分析。二、将适宜的水气同轴喷嘴组合结构作为数值模拟的分析对象,分别在有、无气体保护水射流,以及水、沙质地层等不同淹没介质环境中,分析了射流各相在流场的不同流向位置处径向剖面以及不同径向位置处流向剖面上的速度、动压等参数变化规律,从而揭示水射流衰减规律。三、根据现场施工的导流器、喷嘴等结构原理,设计出在透明水箱中的流动显示实验装置,分别演示在有、无气环保护下,水射流在空气中以及在水下的流动情况,对射流进行辅助研究。四、利用现场取芯、开挖桩主体及搭接位置段,进行检验、力学测试、压水试验等,证明成桩直径大小的变化规律同数值模拟分析的喷嘴水射流喷射距离远近或射流动压参数衰减快慢的规律总体一致。桩体横截面上颗粒分布状态同喷射淹没环境介质以及距离喷嘴出口的位置范围存在相应的规律。五、通过数值模拟、现场成桩效果的分析,在早期的成桩直径经验公式中考虑进水气同轴喷嘴结构参数、喷射参数等的影响规律,并利用现场结果进行验证。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 1 引言
• 1.1 选题背景及意义
• 1.1.1 高压旋喷研究概述
• 1.1.2 多相流研究综述
• 1.1.3 研究意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 主要研究内容及研究方法
• 1.3.1 喷嘴的数值模拟分析
• 1.3.2 流动显示
• 1.3.3 试验分析
• 1.3.4 建立主要数学模型
• 1.4 主要创新点
• 2 高压旋喷水射流喷嘴组合的选择
• 2.1 流体运动基本方程
• 2.1.1 连续方程
• 2.1.2 动量方程
• 2.1.3 能量方程
• 2.1.4 雷诺方程
• 2.2 高压旋喷水喷嘴的选择
• 2.2.1 水喷嘴的典型结构
• 2.2.2 单一水射流在空气中喷射的数值模拟分析
• 2.3 高压旋喷水喷嘴的壁厚选择
• 2.3.1 不同壁厚水喷嘴的数值模拟比较
• 2.3.2 现场喷射演示比较
• 2.4 高压旋喷气喷嘴的结构选择
• 2.4.1 第一种组合喷嘴的分析
• 2.4.2 第二种组合喷嘴的分析
• 2.4.3 第三种组合喷嘴的分析
• 2.4.4 较为理想的喷嘴组合结构
• 2.4.5 现场演示喷嘴组合的效果
• 2.5 小结
• 3 气环对水射流喷射能力影响的数值模拟分析
• 3.1 CFD 计算基础
• 3.1.1 SIMPLE 算法
• 3.1.2 结构化网格
• 3.1.3 控制方程的离散
• 3.2 淹没环境中的流场基础分析
• 3.2.1 喷嘴模型及计算模式基本设置
• 3.2.2 现场施工数据下的数值模拟及分析
• 3.3 小结
• 4 水气同轴喷嘴流动显示试验
• 4.1 流动显示技术概述
• 4.2 流动显示中的喷嘴组合
• 4.3 流动显示试验
• 4.3.1 模拟试验设计
• 4.3.2 流动显示试验过程及结论
• 4.3.3 数值模拟水下喷射
• 4.4 小结
• 5 水气同轴旋喷在工程中的应用研究
• 5.1 工程概况
• 5.1.1 工程简介
• 5.1.2 高喷条件及参数选择
• 5.1.3 静压灌浆
• 5.1.4 清洗管路
• 5.2 施工现场概述
• 5.2.1 三管法施工机具示意图
• 5.2.2 施工图片
• 5.2.3 现场施工基本计算
• 5.3 现场施工检测
• 5.3.1 桩体主体检测
• 5.3.2 桩体搭接位置检测
• 5.4 成桩直径公式的补充修正
• 5.4.1 早期高喷成桩直径估算公式
• 5.4.2 利用现场施工检验结果补充早期成桩直径公式
• 5.4.3 利用现场施工部分检验结果验证成桩直径公式
• 5.4.4 桩体数值模拟喷距与施工检验、成桩公式值对比曲线
• 5.5 小结
• 6 结论与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录