水射流沖擊瞬態(tài)動力特性及破巖機理研究.pdf

1、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。

2、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(rèn)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(xué)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(xué)、平面幾何學(xué)、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

3、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

4、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：
　?、龠\用沖擊波動理論、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

5、，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(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)。
　?、鄄捎酶咚贁z像方法

6、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。
　?、懿捎媒y(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(xué)模型Pwh=A·v2+B·v與持續(xù)時間的修正數(shù)學(xué)模型η=M·exp（-v/s）+N，揭示了水錘壓力強度與