喷嘴结构对射流特性的影响

文章编号：1671—8909(2013)1—0015—04

清洗世界

Cleaning

World

第29卷第1期

2013年1月

喷嘴结构对射流特性的影响

付必伟，赵

江，王斌，艾志久，贾

(西南石油大学，四川成都610500)

摘要：基于计算流体力学，以射流清洗喷嘴的结构为研究对象，分析喷嘴结构对喷嘴射流特性的影响。本次研究基于Fluent软件平台，对不同喷嘴结构进行数字模拟仿真分析，再利用正交试验设计方法分析计算结果得出最佳结构的喷嘴结构。研究结果表明，喷嘴出口切面形状对射流速度影响最大，收缩角其次，喷嘴出口段长度影响最小。关键词：射流清洗；喷嘴结构；射流速度；数值模拟

中图分类号：TE248

林，蹇清平

文献标识码：A

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目前克拉玛依油田有油水井将近4000多口，在用油管约100万根，每年需要清洗的油管在(23—30)万m长；如果能提高常规喷嘴的清洗效率及效果则可以减少能源消耗，减少成本效益相当可观。高压水射流喷嘴是高压水射流清洗的核心元件，喷嘴结构的好坏决定了清洗效果。试验证实，现在使用的喷嘴射流质量差而且耐磨性不够，导致射流质

量恶化，也使射流设备大部分功率被浪费掉。因此，研究和优化喷嘴的几何参数，建立喷嘴结构参数和动力性能之间的关系，对于研究射流性能具有重要意义。

1

喷嘴结构及其参数

喷嘴结构如图1所示，其主要参数包括喷嘴喷

收稿日期：2012—08—10

作者简介：付必伟(1988一)，男，湖北潜江人，硕士研究生，主要负责高压水射流清洗研究工作。

清洗世界第1期

孔直径、喷孔长径比、喷嘴收缩角等。通常喷嘴的直径d取决于射流流量与压力，是设计的原始数据。对于射流清洗喷嘴，其喷孔形状不一定为圆形，因此本设计选用喷孔面积代替直径作为喷嘴设计的主要参数之一。在这些几何参数中，需要优选的有喷嘴

收缩角a和喷孔的长径比L／d…。

=6mm；出口段直径d=2mm；喷嘴的螺纹直径d’=

13

mm；出I：I是由两个圆球面相交形成。建立喷嘴

的三维模型如图2所示，喷嘴由喷嘴壳和喷嘴芯两部分组成。

(1)喷孑L直径：喷孔的直径是喷嘴设计时首要选定的重要参数，也是确定其他参数的依据。一般情况下，喷孑L直径的大小主要是考虑水耗的大小和喷孔是否有堵塞的危险。孔径大，水耗就增加，堵塞的危险也就减少；孔径小，水耗小，堵塞的危险增大。综合上述两个方面，在设计时，孔径的选择通常以降低水耗为主，取较小值。

(2)喷孔长径比：喷孔长径比是影响喷射状态的另一个重要参数。它直接影响到喷嘴的流动阻力、流量系数等。它的大小决定了喷孔属薄壁孔还是厚壁孔，从而使经过喷孔的水流具有不同的流动状态。根据流体力学原理，原壁孑L具有较高的流量系数，因此具有较高的压力能转化为喷射能的效率。通常长

径比L／d=2—4。

2．2网格划分

如图3所示，为喷嘴内部流场网格划分。本次

图2喷嘴物理模型

采用结构化网格划分，并且喷嘴出口处网格进行加密处理。结构化网格具有网格生成速度快，网格生成质量好的优点，所以采用结构化网格计算量小，计算精度高。

(3)喷嘴收缩角：喷嘴收缩角a是决定喷嘴流动阻力的主要因素。收缩角较大的喷嘴其人口流动

阻力较小。

．／／／／／／／／／／／／／／／／／／／／／／／／／／／／／／／／／／,

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图3

2．3边界条件设置

喷嘴内部流场网格

￡

根据现场的工作情况，边界条件将采用以下设置：入口边界：40MPa；出口边界：大气压。

!

图1喷嘴结构

3正交试验设计

2

喷嘴模型

3．1正交试验设计原理

正交试验设计原理图如图4所示(考虑进行一个三因素、每个因素有三个水平的试验。如果作全面试验，需作3×3×3=27次试验)。

2．1物理模型

喷嘴总长A=22mm；人口直径D=9mm；由以上几何尺寸经转化可知收缩角a=740；出LI段长￡

第29卷付必伟等．喷嘴结构对射流特性的影响

袁1试验因素与水平

3．3正交试验结果及结果分析

图4正交试验设计原理

1)本次正交试验采用有限元仿真对喷嘴内部流场进行分析计算阻5^8I，所得结果如表2所示。

表2试验方案与结果

若从27次试验中选取一部分试验，常将A和B分别固定在A，和B。水平上，与c的三个水平进行搭配，A，B。C，，A，B。c：，A。B。c，。作完这3次试验后，若A。B。C，最优，则取定c，这个水平，让A。和C，固定，再分别与B因素的三个水平搭配，A。B。c，，A。B：C3，A。B3C3。这3次试验作完以后，若A。B：c，最优，取定B：，c，这两个水平，再作两次试验A282C3，A382C3，然后与一起比较，若A，B：C3最优，则可断言A，B：c，是我们欲选取的最佳水平组合。这样仅作了8次试验就选出了最佳水平组合。

这些试验结果都分布在立方体的一角代表性较差，所以按上述方法选出的试验水平组合并不是真正的最佳组合。

如果进行正交试验设计，利用正交表安排试验，对于三因素三水平的试验来说，需要作9次试验，用“△”表示，标在图中。如果每个平面都表示一个水平，共有九个平面，可以看到每个平面上都有三个“△”点，立方体的每条直线上都有一个“△”点，并且这些“△”点是均衡地分布着，因此这9次试验的代表性很强，能较全面地反映出全面试验的结果，这就是正交实验设计所特有的均衡分散性。我们正是利用这一特性来合理的设计和安排试试验，以便通过尽可能少的试验次数，找出最佳水平组

厶[6]

口0

2)确定试验因素的主次顺序和最优的水平组合如表3所示，r值代表因素试验结果之和，t值代表各因素之和的平均值，极差尺为t值的最大值与最小值之差。

表3试验结果分析

3．2正交试验表头设计

(1)试验影响因素有以下三项：长径比￡、收缩角a、出口切面形状C。

(2)喷嘴正交试验表头设计如表1所示。

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清洗世界

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3)试验分析

(1)影响喷嘴出口速度的主次因素为：C：如a。以各因素水平为横坐标，试验指标的平均值t为纵坐标，绘制因素与指标趋势图。由因素与指标趋势图可以更直观地看出试验指标随着因素水平的变化而变化的趋势。

(2)考虑到喷嘴清洗实际情况，则选取的较优水平为：￡20LlCl、L2alC2、L2alC3由于正交实验中未出现过L：Ol。ChL：a。C2故需对此再做单因素三水平试验。通过计算结果如表4所示。

表4单因素三水平实验

试验方案厶aICl如aIc2如a1C3

出口速度／(ms。1)

270276278

出口长度最小。通过正交试验分析得到当出口长度为5lnln、收缩角为600、出口截面采用“V”切口时，喷嘴的出口射流速度最大，即该结构喷嘴的射流打击性能最好。

参考文献

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北京：化学工业出版社，2008．

综上所述：L2a。C，结构喷嘴其射流效果较好。

4结论

通过正交试验设计可以对喷嘴结构进行优化，提高喷嘴的射流打击性能。由分析结构可以看出喷嘴的出口形状对射流速度的影响最大，收缩角其次，

[7]熊继有，廖荣庆．射流辅助钻井破岩理论与技术[M]．

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[8]姚朝晖，周强编译．计算流体力学入门[M]．北京：清华

大学出版社。2010．

专利摘要

一种能在线清洗换热器的冷却系统

及其清洗方法

公开(公告)号：CNl02798317A公开(公告)日：2012．11．28

发明(设计)人：刘海云；潘彪；陈建宇；许明

摘要：本发明公开了一种能在线清洗换热器的冷却系统，包含至少两个支路，所述支路包含换热器和进水排污阀，所述换热器的两端通过支管分别与主干进水管路、主干回水管路连接，所述主干回水管路设

有主干回水阀门，同时所述换热器的两侧支管上分别安装有进水阀门和回水阀门，所述进水排污阀安装在所述换热器和其进水阀门间的支管上，所述进水排污阀连接有排污管。

本发明提供的能在线清洗换热器的冷却系统，通过在支管路上安装排污管和排污阀门，利用冷却系统原有的管路和阀门，实现换热器的在线清洗，避免费工费时的离线清洗，也无需现有技术中复杂的进回水管道切换设备或者另外加清洗管道泵的清洗方式。