空化射流空化云形态变化规律和流场稳定性研究

高压水射流具有强力的冲蚀能力,在钻井工程中取得了良好的应用效果,而射流过程中会发生空化现象,该现象伴随着高温高压,是影响射流冲蚀能力的关键因素之一.喷嘴的结构对射流的空化发生能力有很大影响,分析空化射流流场特性和喷嘴结构之间的关系,是高压水射流射流研究的一个重要内容.本文采取可视化实验方案,用3D打印的风琴管式自振空化射流喷嘴,通过高速摄影技术,捕获喷嘴出口处空化射流流场特征,尤其是流场中空泡云的形态变化.并采取图像处理,分析了喷嘴结构改变对空化发生能力的影响.我们利用本征正交分解方法(POD)求取了流场结构的时均特征.通过对比不同喷嘴结构和射流水力参数下时均特征变化,分析了自振空化射流流场结构的稳定性差异.研究结果发现,喷嘴结构中谐振腔是影响空化发生能力的主要结构.在一定范围内增大谐振腔长度和直径有利于增强喷嘴的空化发生能力,并提高喷嘴出口流场结构稳定性.但谐振腔长度和直径过大会影响喷嘴自振效应,使流体经过喷嘴时难以形成共振,而使喷嘴空化发生能力骤降.喷嘴出口长度和扩展角在本文研究中最佳值分别为两倍出口直径和40°.研究结果表明,可视化角度直观明显,可以为其他优化方案提供验证和有力补充,对自振空化喷嘴优化及空化射流流场特性研究具有重要意义.