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

《重慶大學》 2015年

水射流沖擊瞬態(tài)動力特性及破巖機理研究

黃飛  

【摘要】：水射流是一股高度聚能的動態(tài)高速流體,被廣泛運用于物料清洗、切割與破碎等工程領(lǐng)域,具有高效、無塵、低熱、低振動、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)用的一個重要分支,在煤礦巷道掘進、煤層壓裂孔鉆進、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算公式。在工程實踐中,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算數(shù)值相差甚遠。因此,為了工程實際的需要,同時深化對水射流沖擊水錘壓力的認識,研究高速連續(xù)水射流的沖擊瞬態(tài)動力特性將具有重大的工程與科學意義。本文重點開展了以下五個方面的研究:(1)、運用沖擊波理論、流體力學、平面幾何學、三角函數(shù)變換等基礎(chǔ)知識,理論推導(dǎo)了水射流沖擊不同形狀的靶體時,水錘壓力產(chǎn)生區(qū)域的半徑計算公式;(2)、根據(jù)射流的形狀是否有利于流體的擴散這個原理,將噴嘴形狀依次設(shè)計為中心對稱的形狀(圓形、正方形與十字形)與軸對稱形狀(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的水錘壓力變化規(guī)律,揭示水錘壓力的產(chǎn)生機理;(3)、由于靶體表面的形狀將影響射流沖擊后流體的擴散情況,本文簡化設(shè)計了四種靶體表面:凹面、凸面、平面與斜面,其中前三種靶體表面呈中心對稱,而第四種靶體表面呈軸對稱;(4)、射流速度將直接影響水射流的沖擊壓力,同時射流速度的改變將導(dǎo)致產(chǎn)生的沖擊波波速不同,進一步影響射流受擾動的區(qū)域與持續(xù)時間,本文通過保持其他的工況不變,單一改變射流速度來研究其對水錘壓力的影響;(5)、基于所建立的水錘壓力修正計算模型,指導(dǎo)開展水射流沖擊破碎巖石的實驗,并反演驗證所建立計算模型的正確性。取得的主要成果有:①運用沖擊波動理論、流體力學、平面幾何學等理論手段,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)域的計算公式Rwh=F1(v/c,R,θ)與持續(xù)時間的計算公式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對水錘壓力的影響規(guī)律,并采用實驗的方法驗證了所建立計算模型的正確性。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,射流內(nèi)部受到的沖擊擾動規(guī)律,并采用數(shù)值仿真的方法跟蹤了不同流體質(zhì)點的運動軌跡,揭示出水錘壓力產(chǎn)生的機理為:射流的沖擊擾動導(dǎo)致流體無法自由擴散,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)學模型Pwh=A·v2+B·v與持續(xù)時間的修正數(shù)學模型η=M·exp(-v/s)+N,揭示了水錘壓力強度與射流速度呈二次函數(shù)關(guān)系、持續(xù)時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驗,,歸納出破碎巖石內(nèi)部表現(xiàn)出的三類細觀裂紋: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,有助于推動水射流技術(shù)向各行各業(yè)發(fā)展。

【關(guān)鍵詞】：
【學位授予單位】：重慶大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TD313
【目錄】：

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本文編號：203066