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水力挤注式磨料水射流形成机理及装备的研究

赵健新  
【摘要】: 传统磨料水射流技术的泵压高、成本高、能耗大、体积大且系统精密,不适合灾后救援现场的应用。本论文以国家自然科学基金委创新研究群体基金“高压水射流破岩理论及其在地下工程中的应用基础研究”(No:50621403)以及国家建设高水平大学公派研究生项目(学号:2008605038)为依托,以传统前混合磨料水射流技术为基础,提出了新型水力挤注式磨料水射流形成机理及装备的研究;建立了水力挤注式磨料水射流的系统模型;开展了该系统的磨料射流形成机理研究和磨料对喷嘴磨损机理的可视化实验研究;设计制造并测试了水力挤注式磨料水射流装备样机。得出一种可以用于灾难事故救援现场的,穿透、破碎多种材料(如钢筋、钢板、混凝土、岩石等)的水力挤注式磨料水射流方式和装备。 本文全面讨论了磨料水射流理论和技术的研究现状,提出了水力挤注式磨料水射流系统模型,并利用瞬变流理论对系统进行了分析。水力挤注式磨料水射流系统采用水平放置的小型水力挤注式磨料腔室,本文利用紊流动力学和湍流微涡旋理论对其磨料混合机理进行了分析,并开展了高分子聚合物磨料浆液的系列实验研究。对磨料水射流喷嘴的磨损机理进行了大量的可视化实验研究,测试了不同特性磨料(石榴石磨料与铁渣磨料)对喷嘴的磨损情况,研究使用了新型内镀金刚石拆分喷嘴,可以在不损伤喷嘴本身的情况下将其沿轴线拆分为两半,通过测试过程中对喷嘴内表面的拍照纪录,完成对喷嘴磨损过程的可视化研究。设计出了水力挤注式磨料水射流装备的机械结构并加工制造了样机,设计中充分考虑了灾难救援工作环境特点。开展了对该装备样机的系列实验研究,优化了系统结构和参数并证实了该技术的可行性。 本文的主要结论如下: ①根据对水力挤注式磨料水射流系统的瞬变流理论分析,得出该系统中各点压力和流量的分配只与流体的密度、弹性模量系数以及各管道的截面积有关。对水力挤注式磨料水射流装备样机的实验研究发现系统主管道与水力挤注式磨料腔室管道横截面积的最优关系为1:1的比例关系。 ②为实现前混合磨料射流的轻便化,水力挤注式磨料水射流系统摒弃了传统直立的磨料罐而改用水平放置的小型水力挤注式磨料腔室系统。该系统中,流动水体的水力作用对磨料颗粒的运动和加速起主导作用。影响磨料混合效率的主要因素是流体中涡旋运动导致的磨料颗粒间的相互碰撞。 ③水力挤注式磨料水射流系统中,磨料中添加长链高分子聚合物所形成的磨料浆液可以在微观结构上生成长链结构,提高磨料的流动性,并大幅度地降低磨料颗粒相互碰撞的几率,提高磨料混合效率。经实验研究发现黄原胶适用于该系统磨料浆液的制备。 ④根据对喷嘴磨损的可视化实验研究,发现磨料水射流喷嘴在刚开始使用后存在一个“磨合期”,该过程会在一定程度上提高喷嘴的切割能力。用于制作磨料水射流喷嘴的多层复合材料中不同的材料之间须有塑性过渡,使底层的材料产生足够的应变来支撑上层材料。坚硬铁渣颗粒不仅可以有效切割岩石,还具有高效切割钢铁等塑性材料的潜力,是一种有发展潜力的磨料材料。 ⑤根据对水力挤注式磨料水射流装备的实验研究,发现该装备对混凝土和空心砖的切割效果理想并证实了高分子聚合物在磨料混合阶段起到的积极作用。水力挤注式磨料水射流装备可以达到穿透、破碎多种材料的目的。 本论文工作主要创新点如下: ①建立了水力挤注式磨料水射流系统瞬变流模型。该系统摒弃了传统前混合磨料水射流系统直立的磨料罐而改用水平放置的小型水力挤注式磨料腔室系统;该系统中各点压力和流量的分配只与流体的密度、弹性模量系数以及各管道的截面积有关。 ②揭示了水力挤注式磨料水射流的形成机理。提出影响磨料混合效率的主要因素是流体中涡旋运动导致的磨料颗粒间的相互碰撞。在磨料与水混合之前,将长链高分子聚合物添加在磨料中,形成了微观结构上的磨料颗粒链,以磨料浆液的形式与高压水在流动水体的水力作用下完成高效混合。 ③设计了水力挤注式磨料水射流装备的机械结构,并实现了磨料水射流装备的轻便化样机制造,该装备体积轻便、操作简单、防尘效果好、磨料添加快捷且切割效果理想。 最后,对本文的研究工作进行了总结,对未来的发展进行了展望。本论文的研究工作一方面实现了磨料水射流系统的轻便化,进一步推广了水射流技术在安全领域的应用;另一方面旨在提高我国灾难救援技术的现代化建设水平,开发符合我国国情和灾难救援现场需求的新型救援设备。


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