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磨料水射流结构特性与破岩机理研究

王明波  
【摘要】: 磨料水射流切割破碎技术在国民经济建设的诸多领域中都获得了广泛应用,但由于磨料水射流切割破碎物料的影响因素众多,目前磨料水射流的结构特性和破岩机理的物理机制尚不清晰,这在相当程度上限制了磨料水射流切割破碎技术的发展。本文运用多相流体动力学和颗粒动理学等理论,推导得出了磨料水射流的双流体模型,形成了分析磨料水射流结构特性和两相作用机理的数值方法,采用数值模拟和实验研究相结合的技术路线,较系统地研究了磨料水射流中两相速度分布和湍流参量分布,并运用连续介质力学、损伤力学和非线性冲击动力学等理论,建立了磨料水射流冲击破碎岩石的有限元模型,采用数值模拟的方法结合前人研究成果,较为系统地研究了磨料水射流破岩过程中的细观机理和不同宏观参量对冲蚀体积的影响,进一步发展和完善了磨料水射流冲击破岩理论。 综合分析表明,磨料颗粒所受的惯性力、重力、压差力和Stokes阻力对其运动具有重要影响。喷嘴内液固两相间存在速度滑移,磨料颗粒在相间力的作用下速度趋向液相速度。 非旋转和弱旋转磨料水射流中,液相轴向速度分布类似于高斯型,液相轴向速度仍然满足一定的自相似性。液相径向速度分量很小,沿半径分布规律十分复杂。射流轴对称面上液相湍流强度分布表现出一定的对称性,靠近射流边界处湍流强度较高,射流断面上沿径向方向湍流强度呈“M”形分布。弱旋转磨料水射流中,液相切向速度沿半径方向表现为Rankine复合涡形式。本文条件下,液相切向速度在喷距大于2d后,具有自相似性。磨料颗粒速度沿半径的变化趋势与流体微团的基本一致,沿半径方向呈高斯分布。随着喷距的增加,磨料颗粒速度逐渐降低,速度剖面逐渐平缓。 磨料水射流破岩过程中,岩石在冲击波压力、环向拉应力以及应力波反射拉应力等作用下经历了产生破碎、产生初始裂隙、裂隙贯穿等几个过程并最终形成冲蚀漏斗。在其他条件相同时,冲蚀体积随磨料颗粒速度的增大而非线性增加,随冲击角度的增大呈现非线性增加的趋势,随磨料颗粒粒径的增大也呈非线性增加。 本文采用数值模拟的方法对磨料水射流结构特性和破岩机理进行了较为系统的研究,模拟分析得到了实验结果和前人研究结果的验证和支持,表明本文所建立的磨料水射流结构特性和冲击破岩的理论体系合理可行,从而为研究磨料水射流流场结构和破岩机理提供了一条新途径。


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