水射流冲击瞬态动力特性及破岩机理研究

【摘要】：水射流是一股高度聚能的动态高速流体,被广泛运用于物料清洗、切割与破碎等工程领域,具有高效、无尘、低热、低振动、低能耗等特性。其中,水射流冲击破岩技术是水射流技术应用的一个重要分支,在煤矿巷道掘进、煤层压裂孔钻进、煤层水力造缝与石油天然气钻井等工程领域发挥着至关重要的作用。水射流冲击岩石会产生“水锤压力效应”,导致出现巨大的短暂冲击压力。以往的研究聚焦于单颗球形液滴或者形状规则的理想水射流冲击压力,理论获得了水锤压力计算公式。在工程实践中,水射流的形状复杂多变、且较为发散,其冲击荷载与理论计算数值相差甚远。因此,为了工程实际的需要,同时深化对水射流冲击水锤压力的认识,研究高速连续水射流的冲击瞬态动力特性将具有重大的工程与科学意义。本文重点开展了以下五个方面的研究:(1)、运用冲击波理论、流体力学、平面几何学、三角函数变换等基础知识,理论推导了水射流冲击不同形状的靶体时,水锤压力产生区域的半径计算公式;(2)、根据射流的形状是否有利于流体的扩散这个原理,将喷嘴形状依次设计为中心对称的形状(圆形、正方形与十字形)与轴对称形状(椭圆形、三角形),研究从不同形状喷嘴喷出的水射流冲击靶体时的水锤压力变化规律,揭示水锤压力的产生机理;(3)、由于靶体表面的形状将影响射流冲击后流体的扩散情况,本文简化设计了四种靶体表面:凹面、凸面、平面与斜面,其中前三种靶体表面呈中心对称,而第四种靶体表面呈轴对称;(4)、射流速度将直接影响水射流的冲击压力,同时射流速度的改变将导致产生的冲击波波速不同,进一步影响射流受扰动的区域与持续时间,本文通过保持其他的工况不变,单一改变射流速度来研究其对水锤压力的影响;(5)、基于所建立的水锤压力修正计算模型,指导开展水射流冲击破碎岩石的实验,并反演验证所建立计算模型的正确性。取得的主要成果有:①运用冲击波动理论、流体力学、平面几何学等理论手段,推导出高压水射流冲击平面、凹面、凸面与斜面的水锤压力产生区域的计算公式Rwh=F1(v/c,R,θ)与持续时间的计算公式ηwh=F2(v,c,R,θ),理论揭示了射流速度v、冲击波速度c、射流半径R与倾斜角度θ对水锤压力的影响规律,并采用实验的方法验证了所建立计算模型的正确性。②采用高速摄像的方法,分析了圆形喷嘴、方形喷嘴、三角形喷嘴、十字形喷嘴与椭圆形喷嘴喷出的水射流冲击靶板的过程,获得了不同形状水射流前端的形状、射流中心的速度um、射流的当量直径De,建立了射流速度uy沿径向的分布函数uy/um=y0-a·exp((y/R)/t)。③采用高速摄像方法与图像处理技术,分析了不同形状的水射流冲击平面、凹面、凸面与斜面时,射流内部受到的冲击扰动规律,并采用数值仿真的方法跟踪了不同流体质点的运动轨迹,揭示出水锤压力产生的机理为:射流的冲击扰动导致流体无法自由扩散,从而在射流中心区域形成高度受压缩的区域。④采用统计平均与数据拟合的方法,建立了以射流速度为自变量的水锤压力修正数学模型Pwh=A·v2+B·v与持续时间的修正数学模型η=M·exp(-v/s)+N,揭示了水锤压力强度与射流速度呈二次函数关系、持续时间与射流速度呈指数函数关系的变化规律。⑤基于水射流冲击破碎岩石实验,,归纳出破碎岩石内部表现出的三类细观裂纹:径向裂纹、周向裂纹与锥形裂纹。揭示了水射流冲击应力波是导致岩石破碎的主导因素,并建立了应力波在岩石中传播的波动方程Φ(r,t),从理论上研究了应力波与岩石损伤的相互作用机制。本文的研究成果为水射流冲击理论的完善作出了一定贡献,有助于推动水射流技术向各行各业发展。