自激振荡脉冲射流谐振腔流场优化及冲蚀试验研究

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1、分类号：TE377，TD823单位代码：10110学号：S1502009中北大学硕士学位论文自激振荡脉冲射流谐振腔流场优化及冲蚀试验研究硕士研究生张洪指导教师祝锡晶教授学科专业机械工程2018年5月28日图书分类号TE377，TD823密级非密注1UDC62硕士学位论文自激振荡脉冲射流谐振腔流场优化及冲蚀试验研究张洪指导教师（姓名、职称）祝锡晶教授申请学位级别工学硕士专业名称机械工程论文提交日期____2018____年___4___月___16___日论文答辩日期2018年5月28日学位授予日期____

2、____年______月______日论文评阅人杨明亮刘峰答辩委员会主席熊晓燕2018年5月28日注1：注明《国际十进分类法UDC》的分类原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下，独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。论文作者签名：张洪日期：2018.5.31关于学位论文使用权的说明本人完全了解中北大学有关保管、使用学位

3、论文的规定，其中包括：①学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；②学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；③学校可允许学位论文被查阅或借阅；④学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；⑤学校可以公布学位论文的全部或部分内容（保密学位论文在解密后遵守此规定）。签名：张洪日期：2018.5.31导师签名：祝锡晶日期：2018.6.1中北大学学位论文自激振荡脉冲射流谐振腔流场优化及冲蚀试验研究摘要自激振荡脉冲射流是依靠流体在特殊设计的振荡腔中产生自激振荡，将连续射流束转变为脉

4、冲射流束，而不需要额外的激励元件和装置，是一种新型高效的脉冲射流。自激振荡脉冲射流因其具有结构简单、安装简便、密封性好、工业作业过程无明火产生等优点而被广泛应用于开采煤层气。本文以增加深部煤层透性为目标，采用理论分析、数值模拟和试验研究相结合的手段对自激振荡脉冲射流的性质进行研究。首先，采用理论研究方法，分析自激振荡脉冲射流的发生机理，由发生原理得知压力扰动波的有效匹配和剪切层对涡环的放大作用是产生有效脉冲射流的关键。应用相似网络理论推导出自激振荡脉冲射流的幅频特性公式，结果表明自激振荡脉冲射流腔体结构参

5、数和扰动波波速是影响脉冲射流频率的主要因素。然后，在理论分析的基础上，对自激振荡脉冲射流进行数值模拟研究。采用大涡模型（LES）进行计算，通过数值模拟发现，自激振荡脉冲射流速度云图随时间的变化情况符合自激振荡脉冲射流的发生原理。在特定的参数（上喷嘴直径d1=1.2mm，下喷嘴直径dΟ2=1.3mm，腔长L=3.0mm，腔径D=10.5mm，碰撞壁收敛角α=120，下喷嘴管路长度L2=4mm）下，自激振荡腔下喷嘴出口一点速度增量最大，脉冲射流效果最好。对比自激振荡脉冲射流峰值速度和连续射流峰值速度大小，结果

6、表明自激振荡脉冲射流峰值速度为连续射流的1.53倍。对自激振荡脉冲射流出口速度随时间变化的值进行快速傅里叶变换（FFT），得到了自激振荡脉冲射流的频率特性曲线，结果表明脉冲射流的激振频率约为27.1kHz，与理论推导得到的固有频率的值为整数倍关系，说明形成的脉冲射流激振效果较好。最后，在理论研究和数值模拟的基础上，进行自激振荡脉冲射流冲蚀试验。通过试验发现，冲蚀试验得到的最优振荡腔腔长与数值模拟得到的最优振荡腔腔长一致，均为L=3.0mm，这说明了数值模拟的正确性。通过试验研究得到了泵压、靶距和冲蚀时间等

7、中北大学学位论文参数对靶物冲蚀效果的影响规律，当腔长L=3.0mm，冲蚀时间t=60s，靶距s=30mm时，自激振荡脉冲射流冲蚀效果最佳。通过对比发现，自激振荡脉冲射流冲蚀靶物造成的冲蚀坑的体积和直径均大于连续射流冲蚀靶物造成的冲蚀坑的直径和体积，说明自激振荡脉冲射流的冲蚀效果强于连续射流。关键词：自激振荡，脉冲射流，大涡模拟，开采煤层气，冲蚀试验中北大学学位论文StudyonFlowFieldOptimizationandErosionTestofaSelfExcitedOscillatingPulse

8、dJetAbstractSelfexcitedoscillationpulsedjetreliesonfluidtogenerateself-excitedoscillationinaspeciallydesignedoscillatingchamber,convertingcontinuousjetintopulsedjet,withoutadditionalexcitationelementsanddevices,whic