煤炭学报

作者：魏建平, 井岗霞, 刘勇, 张慧栋, 高梦雅, 李翔, 李诗彦, 陈长江,

关键词：强化煤层气开采, 自激振荡脉冲SC-CO₂射流, 涡结构, 涡动能, 能量转换效率,

利用高速射流破裂煤体，在煤层中构造煤层气流动通道，是提高煤层气采收率的重要手段。超临界二氧化碳(SC-CO2)射流自身的溶解、萃取特性可以提高煤层渗透性，并且，自振脉冲SC-CO2射流具有低破煤临界压力和高破煤效率的显著优势，在强化煤层气开采领域潜力巨大。然而，目前自激振荡射流喷嘴性能评价方法缺乏直接定量指标，导致确定最优喷嘴结构参数难度大，严重限制了其进一步推广。为此，基于喷嘴内部涡结构演化过程，提出自激振荡喷嘴能量转化效率计算方法，采用粒子图像测速技术(PIV)试验系统和大涡模拟(LES)相结合的方法捕捉喷嘴内部涡结构演化过程，分析喷嘴内部流体能量转化与分布特征。结果表明：通过分析射流开始喷射后1.75～1.79 s的射流流场拍摄图像，发现喷嘴中的涡结构主要出现在振荡腔内。振荡腔内沿剪切层运动的自激振荡脉冲SC-CO2射流与碰撞壁接触后先向上游运动，随着时间的推移，向上游运动的过程中逐渐与轴线上的射流汇合，下游喷嘴入口、上游喷嘴出口处壁面均出现强涡结构。SC-CO2射流在喷嘴入口输入的总能量转化为振荡腔内涡动能以及喷嘴出口形成的自激振荡脉冲SC-CO2射流总能量。腔径比为3.5时，射流能量转化效率高达80.80%，振荡腔内涡动能会诱导自振脉冲SC-CO2射流产生，但涡动能占比较大时会导致能量耗散，进一步，喷嘴出口处涡动能是用来调节射流集中性，喷嘴出口涡动能占比越小，喷射越集中。自振脉冲SC-CO2射流在不同喷嘴出口产生最大峰值应力排序为L3.5 > L1.5 > L2.5 > L2.0 > L3.0。

来源：2025年第11期

《煤炭学报》期刊编辑部

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