本文關(guān)鍵詞：水射流沖擊瞬態(tài)動(dòng)力特性及破巖機(jī)理研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

《重慶大學(xué)》 2015年

水射流沖擊瞬態(tài)動(dòng)力特性及破巖機(jī)理研究

黃飛  

【摘要】：水射流是一股高度聚能的動(dòng)態(tài)高速流體,被廣泛運(yùn)用于物料清洗、切割與破碎等工程領(lǐng)域,具有高效、無(wú)塵、低熱、低振動(dòng)、低能耗等特性。其中,水射流沖擊破巖技術(shù)是水射流技術(shù)應(yīng)用的一個(gè)重要分支,在煤礦巷道掘進(jìn)、煤層壓裂孔鉆進(jìn)、煤層水力造縫與石油天然氣鉆井等工程領(lǐng)域發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。水射流沖擊巖石會(huì)產(chǎn)生“水錘壓力效應(yīng)”,導(dǎo)致出現(xiàn)巨大的短暫沖擊壓力。以往的研究聚焦于單顆球形液滴或者形狀規(guī)則的理想水射流沖擊壓力,理論獲得了水錘壓力計(jì)算公式。在工程實(shí)踐中,水射流的形狀復(fù)雜多變、且較為發(fā)散,其沖擊荷載與理論計(jì)算數(shù)值相差甚遠(yuǎn)。因此,為了工程實(shí)際的需要,同時(shí)深化對(duì)水射流沖擊水錘壓力的認(rèn)識(shí),研究高速連續(xù)水射流的沖擊瞬態(tài)動(dòng)力特性將具有重大的工程與科學(xué)意義。本文重點(diǎn)開(kāi)展了以下五個(gè)方面的研究:(1)、運(yùn)用沖擊波理論、流體力學(xué)、平面幾何學(xué)、三角函數(shù)變換等基礎(chǔ)知識(shí),理論推導(dǎo)了水射流沖擊不同形狀的靶體時(shí),水錘壓力產(chǎn)生區(qū)域的半徑計(jì)算公式;(2)、根據(jù)射流的形狀是否有利于流體的擴(kuò)散這個(gè)原理,將噴嘴形狀依次設(shè)計(jì)為中心對(duì)稱(chēng)的形狀(圓形、正方形與十字形)與軸對(duì)稱(chēng)形狀(橢圓形、三角形),研究從不同形狀噴嘴噴出的水射流沖擊靶體時(shí)的水錘壓力變化規(guī)律,揭示水錘壓力的產(chǎn)生機(jī)理;(3)、由于靶體表面的形狀將影響射流沖擊后流體的擴(kuò)散情況,本文簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)了四種靶體表面:凹面、凸面、平面與斜面,其中前三種靶體表面呈中心對(duì)稱(chēng),而第四種靶體表面呈軸對(duì)稱(chēng);(4)、射流速度將直接影響水射流的沖擊壓力,同時(shí)射流速度的改變將導(dǎo)致產(chǎn)生的沖擊波波速不同,進(jìn)一步影響射流受擾動(dòng)的區(qū)域與持續(xù)時(shí)間,本文通過(guò)保持其他的工況不變,單一改變射流速度來(lái)研究其對(duì)水錘壓力的影響;(5)、基于所建立的水錘壓力修正計(jì)算模型,指導(dǎo)開(kāi)展水射流沖擊破碎巖石的實(shí)驗(yàn),并反演驗(yàn)證所建立計(jì)算模型的正確性。取得的主要成果有:①運(yùn)用沖擊波動(dòng)理論、流體力學(xué)、平面幾何學(xué)等理論手段,推導(dǎo)出高壓水射流沖擊平面、凹面、凸面與斜面的水錘壓力產(chǎn)生區(qū)域的計(jì)算公式Rwh=F1(v/c,R,θ)與持續(xù)時(shí)間的計(jì)算公式ηwh=F2(v,c,R,θ),理論揭示了射流速度v、沖擊波速度c、射流半徑R與傾斜角度θ對(duì)水錘壓力的影響規(guī)律,并采用實(shí)驗(yàn)的方法驗(yàn)證了所建立計(jì)算模型的正確性。②采用高速攝像的方法,分析了圓形噴嘴、方形噴嘴、三角形噴嘴、十字形噴嘴與橢圓形噴嘴噴出的水射流沖擊靶板的過(guò)程,獲得了不同形狀水射流前端的形狀、射流中心的速度um、射流的當(dāng)量直徑De,建立了射流速度uy沿徑向的分布函數(shù)uy/um=y0-a·exp((y/R)/t)。③采用高速攝像方法與圖像處理技術(shù),分析了不同形狀的水射流沖擊平面、凹面、凸面與斜面時(shí),射流內(nèi)部受到的沖擊擾動(dòng)規(guī)律,并采用數(shù)值仿真的方法跟蹤了不同流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡,揭示出水錘壓力產(chǎn)生的機(jī)理為:射流的沖擊擾動(dòng)導(dǎo)致流體無(wú)法自由擴(kuò)散,從而在射流中心區(qū)域形成高度受壓縮的區(qū)域。④采用統(tǒng)計(jì)平均與數(shù)據(jù)擬合的方法,建立了以射流速度為自變量的水錘壓力修正數(shù)學(xué)模型Pwh=A·v2+B·v與持續(xù)時(shí)間的修正數(shù)學(xué)模型η=M·exp(-v/s)+N,揭示了水錘壓力強(qiáng)度與射流速度呈二次函數(shù)關(guān)系、持續(xù)時(shí)間與射流速度呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系的變化規(guī)律。⑤基于水射流沖擊破碎巖石實(shí)驗(yàn),,歸納出破碎巖石內(nèi)部表現(xiàn)出的三類(lèi)細(xì)觀(guān)裂紋:徑向裂紋、周向裂紋與錐形裂紋。揭示了水射流沖擊應(yīng)力波是導(dǎo)致巖石破碎的主導(dǎo)因素,并建立了應(yīng)力波在巖石中傳播的波動(dòng)方程Φ(r,t),從理論上研究了應(yīng)力波與巖石損傷的相互作用機(jī)制。本文的研究成果為水射流沖擊理論的完善作出了一定貢獻(xiàn),有助于推動(dòng)水射流技術(shù)向各行各業(yè)發(fā)展。

【關(guān)鍵詞】：
【學(xué)位授予單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類(lèi)號(hào)】：TD313
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6 李德玉;基于低溫氣體環(huán)境冰粒即時(shí)制備及冰射流表面脫漆研究[D];中國(guó)礦業(yè)大學(xué);2012年

7 周笑飛;井下發(fā)射過(guò)程燃?xì)馍淞髁鲌?chǎng)研究[D];北京理工大學(xué);2015年

8 黃超;柱形裝藥氣泡動(dòng)態(tài)特性及射流沖擊毀傷研究[D];哈爾濱工程大學(xué);2011年

9 張學(xué)成;磁射流拋光技術(shù)研究[D];國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué);2007年

10 陳祎;井底直接調(diào)制式脈沖粒子射流工具研制[D];中國(guó)石油大學(xué)（華東）;2012年

中國(guó)碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前10條

1 徐浩;橫向射流影響管內(nèi)水流壓力的實(shí)驗(yàn)研究[D];重慶大學(xué);2011年

2 劉華寧;戰(zhàn)斗部射流沖擊起爆與減敏規(guī)律研究[D];南京理工大學(xué);2015年

3 李文珂;噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)自激脈沖空化射流的影響研究[D];山東大學(xué);2015年

4 劉玉龍;自激吸氣脈沖液氣射流噴嘴的數(shù)值模擬與試驗(yàn)研究[D];華北水利水電大學(xué);2015年

5 王磊;旋轉(zhuǎn)錐形射流的計(jì)算機(jī)模擬和實(shí)驗(yàn)分析[D];安徽理工大學(xué);2007年

6 許國(guó)華;微小通道內(nèi)液氮射流沖擊傳熱和流動(dòng)的實(shí)驗(yàn)研究[D];上海交通大學(xué);2009年

7 聶世謙;兩相流射流過(guò)程的數(shù)值模擬研究[D];太原科技大學(xué);2011年

8 張丹;清洗壓力下高效射流粉碎技術(shù)研究[D];西安石油大學(xué);2012年

9 李艷霞;粗糙表面射流沖擊復(fù)合強(qiáng)化傳熱實(shí)驗(yàn)研究[D];北京工業(yè)大學(xué);2003年

10 安中國(guó);低溫噴霧射流冷卻技術(shù)及其在鈦合金車(chē)削加工中的應(yīng)用[D];南京航空航天大學(xué);2007年

  本文關(guān)鍵詞：水射流沖擊瞬態(tài)動(dòng)力特性及破巖機(jī)理研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號(hào)：203066