高压水射流煤层割缝器双梯度喷嘴设计与优化研究

"煤层割缝器用双梯度喷嘴结构设计与优化 (2014年) - 重庆大学学报" 这篇论文探讨了如何提高高压水射流煤层割缝器的切割效率，主要关注的是喷嘴的结构设计与优化。作者提出采用双梯度结构的喷嘴，以此改善喷嘴的喷射性能。煤层割缝器是一种用于在煤层中切割裂缝的设备，而喷嘴是其中的关键部件，它的性能直接影响到切割效果。 在研究中，作者设计了一种直径为63mm、总长度为17mm的双梯度喷嘴，并利用正交实验方法指导结构参数的选择。通过使用Realizable k-ε湍流模型，他们对不同参数组合下的喷嘴出口流场进行了数值模拟。结果显示，当喷嘴的结构参数设定为：第一段宽度（狋1）为6mm，第一段倾斜角度（θ1）为18°，第二段倾斜角度（θ2）为35°，总宽度（犔）为6mm，喉部宽度（犱）为2.5mm时，喷嘴的轴向速度在150mm靶距处达到最大，且衰减较慢，这意味着其切割能力较强。 为了验证数值模拟的准确性，作者试制了优化后的喷嘴并在室内使用三维粒子图像 velocimetry (3D PIV) 技术对其性能进行了实验测试。实验结果与数值模拟相吻合，表明在特定条件下，上述喷嘴结构参数下的射流出口流场平均速度最大，速度场分布均匀，且在150mm靶距处的平均速度是普通喷嘴的1.4倍，进一步证明了双梯度结构设计的有效性。 关键词包括水射流技术、喷嘴设计、双梯度结构、仿真优化以及3D PIV测试，表明该研究结合了流体力学、机械设计和实验方法，旨在提升高压水射流在煤炭开采中的应用效果，特别是提高煤层割缝器的工作效率和安全性。 论文发表于《重庆大学学报》2014年第1期，受到了国家科技重大专项资助项目和长江学者和创新团队发展计划的支持。作者团队来自重庆大学的煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室和复杂煤气层瓦斯抽采国家地方联合工程实验室，他们在高压水射流和煤矿安全领域有着深入的研究。