非淹没脉冲射流装置性能与应用研究

1. 课题来源与背景 《非淹没脉冲射流装置性能与应用研究》是在水利部公益性行业科研专项经费项目《脉冲射流水下高效清淤冲沙关键技术研究》（项目号：200801011）背景下进行的部分研究。基于大量国内外相关文献的阅读，本研究对非淹没自激脉冲射流装置的性能进行了理论、试验和应用研究。

2. 应用领域与技术原理 成果主要应用于水利水电工程、煤炭与石油开采、航空航天工程、核动力工程等工程领域。研究采用理论研究和试验相结合为主，数值模拟手段为辅的方法。首先，通过理论方法分析结构和运行参数对脉冲频率特性的影响；其次，通过系统试验确定非淹没自激脉冲射流装置最佳脉冲效果的结构参数和运行参数配比范围；接着，通过数值模拟分析脉冲射流发生机理；最后，研制出用于淹没条件下的高效自激吸气式脉冲射流装置。

3. 性能指标

   • 高效脉冲射流装置理论研究成果
   • 高效脉冲射流装置性能试验研究成果
   • 高效脉冲射流装置流动特性数值模拟
   • 研制了高效淹没脉冲射流装置—自激吸气式脉冲射流装置

4. 与国内外同类技术比较 国内已有学者对非淹没自激脉冲射流进行研究，但主要集中在对高压小流量自激式脉冲射流的研究。针对非淹没自激脉冲射流自流量大、脉冲强度高、外部设备易于选型、喷嘴材料工艺性要求低等特点，本研究利用新型脉冲射流理论及技术，提出了产生最佳脉冲频率特性和脉冲射流效果的结构参数和运行参数配比范围，为工程实际应用提供技术参数。同时，对自激非淹没射流的内部流场进行了数值模拟，初步揭示了脉冲射流发生机理，并研制了高效淹没条件下脉冲射流装置—自激吸气式脉冲射流装置，为淹没脉冲射流装置的进一步研究打下基础。

5. 成果的创造性、先进性

   • 推导出了非淹没自激脉冲射流装置的频率特性理论分析式和扰动波波速表达式，分析了结构和运行参数对脉冲频率特性的影响。
   • 确定了非淹没自激脉冲射流装置产生最佳脉冲性能的结构参数和运行参数配比范围。
   • 通过数值模拟揭示了非淹没自激脉冲装置的非定常流动特性。
   • 研制了淹没条件下的自激吸气式脉冲射流装置。

6. 作用意义 《非淹没脉冲射流装置性能与应用研究》的研究成果，可以应用于煤层气的开采过程中，显著减少风排瓦斯的数量，降低煤矿对通风的要求，改善矿工的安全生产条件。应用现场测算显示，每年至少可多采出几百万立方米煤层气，节省开支达数百万元，取得了良好的社会效益和生态环境效益。

7. 应用情况及存在的问题 本项目的研究成果为煤层气开采和水下泥沙处理提供了技术支持，并已应用于煤层气开采，取得了较好的经济效益。研究成果可推广应用于环境与化工工程、石油与煤矿开采工程、交通运输工程、航空航天工程和核动力工程等实际工程。尤其适用于环境恶劣的条件，如高温、高压、有毒和放射性等环境，具有广阔的应用前景。为扩展和完善本系统，今后应在以下方面展开进一步研究：

   • 在理论分析中，扰动波速的确定是借助于阻尼比得出的，在实际应用中具有局限性，还需进一步探讨和分析以便得到较为准确的波速公式。
   • 由于渐缩式下喷嘴具有聚能作用，但结构较为复杂，参数不好确定，因此需进一步试验研究，研制出高效能脉冲射流装置。
   • 对于淹没条件下自激吸气式脉冲射流装置取得最佳效果的结构参数和运行参数配比范围需要进一步研究。
   • 由于计算条件所限，对于自激脉冲射流装置内部非定常数值模拟需要进一步的精细化。

1.课题来源与背景　《非淹没脉冲射流装置性能与应用研究》是在水利部公益性行业科研专项经费项目《脉冲射流水下高效清淤冲沙关键技术研究》（项目号：200801011）为背景进行的部分研究。非淹没自激脉冲射流装置性能的研究，在大量阅读国内外相关文献的基础上，对非淹没自激脉冲射流装置性能进行了理论、试验和应用研究。2.应用领域和技术原理成果主要应用于水利水电工程、煤炭与石油开采、航空航天工程、核动力工程等工程领域。采用理论研究和试验相结合为主、数值模拟手段为辅相方法进行研究。首先通过理论方法分析出结构和运行参数对脉冲频率特性的影响，然后通过系统的试验确定出非淹没自激脉冲射流装置最佳脉冲效果的结构参数和运行参数的配比范围，再通过数值模拟手段分析脉冲射流发生机理，最后研制出用于淹没条件下的高效自激吸气式脉冲射流装置。3.性能指标⑴高效脉冲射流装置理论研究成果⑵高效脉冲射流装置性能试验研究成果　⑶高效脉冲射流装置流动特性数值模拟⑷研制了高效淹没脉冲射流装置—自激吸气式脉冲射流装置。4.与国内外同类技术比较国内已有很多学者对非淹没自激脉冲射流有一定的研究，但主要是进行高压小流量自激式脉冲射流研究。针对非淹没自激脉冲射流自流量大、脉冲强度高、外部设备易于选型、喷嘴材料工艺性要求低等特点，作者利用新型脉冲射流理论及技术，提出了产生最佳脉冲频率特性和脉冲射流效果的结构参数和运行参数配比范围，为工程实际应用提供技术参数，对自激非淹没射流的内部流场进行了数值模拟，初步揭示了脉冲射流发生机理，并研制了高效淹没条件下脉冲射流装置—自激吸气式脉冲射流装置，为淹没脉冲射流装置的进一步研究打下基础。5.成果的创造性、先进性⑴推导出了非淹没自激脉冲射流装置的频率特性理论分析式和扰动波波速表达式，分析了结构和运行参数对脉冲频率特性的影响。⑵确定了非淹没自激脉冲射流装置产生最佳脉冲性能的结构参数和运行参的配比范围。⑶通过数值模拟揭示了非淹没自激脉冲装置的非定常流动特性。⑷研制了淹没条件下的自激吸气式脉冲射流装置。6.作用意义《非淹没脉冲射流装置性能与应用研究》研究成果，可以应用于煤层气的开采过程中，可以大大减少风排瓦斯的数量，降低了煤矿对通风的要求，改善了矿工的安全生产条件。经应用现场测算，每年至少可多采出几百万立方米煤层气，节省开支达数百万元，取得了良好的社会效益和生态环境效益。7.应用情况及存在的问题本项目的研究成果，为煤层气开采和水下泥沙处理提供了技术支持，并已应用于煤层气开采，取得了较好的经济效益。研究成果可推广应用于环境与化工工程、石油与煤矿开采工程、交通运输工程、航空航天工程和核动力工程等实际工程。尤其适用于环境比较恶劣的条件，如高温、高压、有毒和放射性等环境。因此有着广阔的应用前景。根据煤气层应用特点，为扩展和完善本系统，今后应在以下方面展开进一步研究。⑴在理论分析中，扰动波速的确定是借助于阻尼比来得出的，在实际应用中具有局限性，还需进一步探讨和分析以便得到较为准确的波速公式。⑵由于渐缩式下喷嘴具有聚能作用，但结构较为复杂，参数不好确定，因此需进一步试验研究，研制出高效能脉冲射流装置。⑶对于淹没条件下自激吸气式脉冲射流装置取得最佳效果的结构参数和运行参数配比范围需要进一步研究。⑷由于计算条件所限，对于自激脉冲射流装置内部非定常数值模拟需要进一步的精细化。