锥直型喷嘴内近壁处流动特性的大涡模拟

来源：石油科学通报杂志2022年第3期北京时间：

作者：姜天文；黄中伟；李敬彬

单位：中国石油大学(北京)油气资源与探测国家重点实验室,北京 102249

摘要：射流喷嘴被广泛应用于管道清洗、辅助破岩、射流成孔等石油工业中领域.锥直型喷嘴作为应用最为广范的喷嘴类型而被研究.其整体流动状态与阻力对近壁处流动状态敏感.喷嘴近壁处流动状态对喷嘴整体流动状态和流动阻力影响较大.本文采用大涡模拟模型对喷嘴内流场进行数值模拟.对喷嘴内速度场分布、速度梯度、壁面压力、壁面剪切力、壁面摩擦阻力系数进行分析,得出了以下结论:收缩段处速度分布由抛物线型转变为"M"型,并在近壁处出现峰值;在收缩段入口处附近发生边界层转捩,出现漩涡;在收缩段出口、直管段入口处附近出现边界层转捩与分离,在该处速度梯度、壁面剪切力、壁面摩擦阻力系数均出现峰值;直管段近壁处周期性出现有序涡结构,并在壁面处表现为剪切力、速度梯度、摩擦阻力系数的周期性波动,与近壁处流动状态涡结构的周期性出现相互佐证;整个喷嘴流动阻力大部分产生在喷嘴直管段内,涡流的出现降低壁面摩擦阻力系数,在喷嘴减阻时可考虑优化喷嘴收缩段到直管段过渡的轮廓,亦可考虑在直管段内进行被动减阻设计.通过对喷嘴内近壁处流动特性阐述,分析了喷嘴内流动摩擦阻力的产生位置及原因,能够为进一步为优化喷嘴结构、降低喷嘴流动阻力提供理论支撑.

关键词：锥直型喷嘴,边界层,摩擦阻力,大涡模拟,壁面剪切力