前混合磨料水射流磨料颗粒加速机理分析

为了提高前混合磨料水射流的切割效果,以固液两相流理论为基础,建立了磨料颗粒在前混合磨料水射流中不同阶段的运动受力模型,分析和研究了磨料颗粒的加速机理和运动规律.理论研究表明,磨料颗粒在高压管路中加速不明显,主要加速过程是喷嘴收敛段、圆柱段和射流在大气中的核心段.数值计算结果证实了前混合磨料水射流切割同样的材料所需压力仅为后混合磨料水射流的1/10左右.     

固体颗粒对射流偏转板伺服阀前置级冲蚀磨损的影响

针对射流偏转板伺服阀油液中的颗粒在高速射流时对其前置级产生冲蚀磨损的问题,将计算流体动力学和冲蚀磨损理论相结合,对射流偏转板伺服阀前置级进行了数值计算.模拟前置级油液的流动及固体颗粒的运动轨迹,计算了不同直径颗粒的最大运动速度及对前置级冲蚀磨损率的影响,分析了不同偏转板位移、V形导流窗口夹角以及不同偏转板厚度与前置级冲蚀磨损率的关系.结果表明:固体颗粒主要对劈尖冲击发生冲蚀磨损,油液中固体颗粒的直径越大其运动速度越小,但较大直径颗粒对前置级的冲蚀磨损较大;偏转板位移、V形导流窗口夹角以及偏转板厚度增大时前置级冲蚀磨损率减小.     

喷嘴内液固两相射流流场的数值模拟

基于连续介质理论，考虑了液固两相间的相互作用，给出了喷嘴流道内液固两相射流的控制方程，利用标准的k-ε两方程模型对磨料射流喷嘴内流场进行了数值模拟研究，并对模型中的主要参数进行了优选。研究结果表明，水与磨料颗粒之间存在速度滑移，在相间力的作用下磨料颗粒一直作加速运动，颗粒速度逐渐趋向水的速度；进入喷嘴收缩段后，水与磨料颗粒同时得到加速，但由于惯性力的作用，达到相同速度磨料颗粒的加速过程要长；进入直柱段后，液相速度继续增加至最大速度，此后缓慢降低，而磨料颗粒在整个直柱段内一直加速，液固两相的速度差逐渐减小，直至从喷嘴喷出；喷嘴出口处液固两相的速度剖面近似为抛物线形，在喷嘴截面中心处速度最大，沿径向逐渐减小，离壁面越近，速度降低的幅度越明显。与前人的研究结果对比发现，模拟所得的结果是正确的。     

喷嘴内液固两相射流流场的数值模拟

基于连续介质理论,考虑了液固两相间的相互作用,给出了喷嘴流道内液固两相射流的控制方程,利用标准的k-ε两方程模型对磨料射流喷嘴内流场进行了数值模拟研究,并对模型中的主要参数进行了优选。研究结果表明,水与磨料颗粒之间存在速度滑移,在相间力的作用下磨料颗粒一直作加速运动,颗粒速度逐渐趋向水的速度;进入喷嘴收缩段后,水与磨料颗粒同时得到加速,但由于惯性力的作用,达到相同速度磨料颗粒的加速过程要长;进入直柱段后,液相速度继续增加至最大速度,此后缓慢降低,而磨料颗粒在整个直柱段内一直加速,液固两相的速度差逐渐减小,直至从喷嘴喷出;喷嘴出口处液固两相的速度剖面近似为抛物线形,在喷嘴截面中心处速度最大,沿径向逐渐减小,离壁面越近,速度降低的幅度越明显。与前人的研究结果对比发现,模拟所得的结果是正确的。     

淹没磨料射流场模拟计算分析

通过对高压磨料射流的多相流模型的研究,数值模拟了淹没磨料射流流场与压力场.指出颗粒相速度分布始终小于水相速度的分布,颗粒相最大滞止压力普遍较水相增加100%以上.分析了淹没磨料射流流场与压力场随泵压、围压的变化规律.指出随着泵压增加,水相速度与颗粒相速度增加幅度相同;随围压的增加,水相速度与颗粒相速度减少幅度一致.     

磨料水射流旋转切割岩石深度计算模型

针对地下洞库结构防护设计,需对洞库围岩实施人工致裂,从而在围岩中构建人工裂隙群以达到抗爆消波的目的,提出利用环形磨料水射流切割围岩施工方法。根据磨料颗粒去除非岩石材料体积模型,推导了磨料粒子对岩石的体积去除量与磨料速度关系模型;基于磨料射流切口形状假设了环形磨料射流切割深度估算模型,并与已有数据进行对比验证了模型的有效性;定义磨料射流在外流场的流量衰减系数,提出了磨料射流岩石极限切割深度计算方法,通过算例分析了特定工况下磨料水射流切割砂岩及花岗岩的理想极限深度,得到磨料水射流对岩石的切割半径满足围岩人工割缝半径目标。研究表明:磨料水射流对花岗岩的制缝深度约为切割砂岩的55.7%;使用磨料水射流进行围岩割缝在工程应用中具备施工可行性。     

磨料射流切割物料的机理及实验研究

阐述了磨料射流的构成，磨料射流的混合机理，以及切割动能理论公式的推导，最后通过试验分析了切割参数的变化和磨料参数变化对切割深度的影响。     

脉冲磨料射流主要参数对切割性能的影响

通过实验，研究了淹没和非淹没状态下磨料浓度、振荡腔腔长、靶距等参数与脉冲磨料射流的切割和冲蚀性能的关系，对比分析了脉冲磨料射流与前混合磨料射流在相同实验条件下对花岗石、石灰岩等的切割、冲蚀性能。实验结果表明，脉冲磨料射流的最大切割深度和体积冲蚀速度在淹没状态下分别是前混合磨料射流的1.67倍和１.72倍,而在非淹没状态下为１.39倍和１.47倍。这对提高磨料水射流的切割效率、降低比能耗，扩大磨料水射流的应用范围奠定了基础。     

液氮磨料射流流场特性及颗粒加速效果研究

采用计算流体力学方法,在考虑液氮物性变化以及液氮与磨料颗粒相互作用的基础上,模拟液氮磨料射流流场,并分析液氮射流对磨料颗粒的加速效果。结果表明:在相同喷嘴压降下,液氮磨料射流不仅具有比磨料水射流更高的射流速度和颗粒速度,而且能够在壁面上产生与水射流相当的射流冲击效果;液氮射流能够对颗粒产生较好的加速效果,最大颗粒速度随着喷嘴压降和喷嘴直径的增加而增大,随着颗粒直径的增加而降低;围压和颗粒初始速度对最大颗粒速度影响极小,在工程应用中可以忽略不计。     

两相流管道中颗粒悬浮速度理论公式及其实验验证

本文根据流体力学与两相流的有关理论与实验观察,提出了两相流管道中固体颗粒悬浮理论。认为两相流管道中固体颗粒除受通常所谓浮重及流体平均速度作用的轴向动力外,还受流体的脉速径向、轴向作用力及涡旋径向升力。在此基础上根据颗粒受力平衡条件,导出了流体三个阻力区的任意倾角管道颗粒悬浮速度理论计算公式。尔后在气固两相流悬浮速度实验台上,对理论公式进行了初步实验验证。验证的几种物科颗粒的悬浮速度实验数据比较接近理论公式计算结果。本文最后并提出了对理论公式的分析意见。     

磨料射流割缝技术防突机理及应用

为改善李子垭南二井3102北机巷掘进碛头瓦斯预抽时间长、掘进速度慢的现状,通过对磨料射流使煤(岩)体损伤模型及防突机理的分析,研究了磨料射流切割破碎煤(岩)体的过程;利用磨料水射流切割煤矸石的实验研究,确定了磨料射流切割煤矸石的各种参数,并研制了一套新型的适合于现场应用的磨料水射流割缝装置。现场试验表明:磨料射流能够切穿单轴抗压强度为62MPa、60～80mm厚度的煤层夹矸,在煤层中形成缝槽,增大了瓦斯涌出自由面,促使煤体大范围快速卸压,增强煤层透气性,首月内瓦斯单孔平均抽采量提高了2.83倍。     

磨料射流固液两相流场的数值模拟

为了解决磨料射流固、液两相流场运动对割缝效果的影响问题,采用数值模拟的方法,通过建立磨料射流固、液两相流场的数学模型,研究了磨料两相射流割缝的速度场和流动场规律。结果表明:磨料射流中割缝速度可达100 m/s左右,有利于有效割缝;有效割缝需要入射压力至少达到25 Mpa;磨料射流割缝过程中会形成了一道"水墙"阻止磨料射流全部高速射出。产生二次回流。虽然二次加速的效果有限,但二次循环的水和颗粒经过二次加速能够再一次对壁面形成高速打击,提高割缝效率。研究成果对磨料两相射流割缝提高油井采收率具有指导意义。     

煤层水力割缝自吸磨料喷嘴特性与参数

针对煤矿纯水射流割缝遇硬煤失效,而磨料射流割缝技术难以实现磨料连续添加等问题,基于引射原理,采用前后双喷嘴结构,设计出一种自吸式磨料射流割缝喷嘴,可以连续吸入割缝产生的煤粒形成磨料射流,提高割缝能力.通过液固两相数值模拟,发现煤粒在喷嘴内经历了3个加速阶段:吸入口加速段、混合腔加速段和后喷嘴加速段.以提高吸入量和最终煤粒的速度为指标,得到喷嘴的最优结构:前喷嘴直径为3 mm,后喷嘴直径为5 mm,后喷嘴长度15 mm.对比割缝实验结果表明,自吸式磨料射流割缝喷嘴的割缝效率较传统割缝喷嘴明显提高.     

前混合磨料射流磨料速度测试的新方法

前混合磨料射流超强的打击力主要是由高速磨料群提供的,因此,磨料速度测试是磨料打击力分布规律等研究的基础。针对传统研究方法的不足之处,笔者提出采用PIV技术结合自主编程设计的磨料中心识别程序,实现非接触式测试手段下磨料速度测试实验研究,并利用该方法简要分析了喷嘴结构对磨料速度的影响。结果表明,在一定范围内增加直线段长度有利于提高喷嘴出口处磨料的速度,表明在喷嘴直线段末端磨料依然处于明显的加速状态;增加收敛段长度对提高喷嘴出口处磨料速度有一定的作用,但磨料速度增幅不大;收敛角较大时,液相在收敛段前半段加速缓慢而在后半段过于剧烈,因磨料颗粒加速滞后于液相的原因导致喷嘴出口处磨料速度降低。     

前混式磨料水射流切割套管的深度计算模型

基于能量原理 ,建立了前混式磨料水射流切割套管的物理模型和数学模型。理论分析和实验结果表明 ,前混式磨料水射流切割套管的深度与磨料的种类有密切的关系。采用石榴石作磨料 ,其切割深度明显大于采用石英砂时的切割深度。该研究结果为将前混式磨料水射流技术应用于井下套管切割提供了理论根据。     

电磁磨料射流增压特性参数优化研究

针对前混合磨料射流设备存在连续性差和后混合磨料射流系统磨料混合不均匀等问题,论文基于电磁磨料浆体射流技术,采用数值模拟分析和实验研究相结合的方法对影响电磁磨料浆体射流增压特性因素进行深入研究。依据前人研究结果,采用数值模拟预测磁通密度和电压两参数对导电介质出口速度及其动能影响情况,搭建了试验平台,结合正交试验特点,并进行试验。试验表明：磁通密度对射流增压特性影响最大,电压次之,验证了数值模拟分析结果,且在磁通密度为0.7 T,电压值为72 V,导电介质浓度选为18 %,极板间距为0.025 m情况下,射流增压特性效果最好。     

关于磨料磁流体射流可行性的分析

通过对前混合磨料射流和后混合磨料射流进行对比分析,发现了两种磨料射流技术均存在一些技术缺陷。为了解决这些问题,对磁流体推进技术展开研究。通过Fluent软件对磁流体中磨料运动进行分析;并且通过试验装置验证了直流式磁流体推进装置能够对磁流体产生增压效应,形成了直流式磨料磁流体射流。在直流式的基础上,分析了交流式磨料磁流体射流的优点,展望了交流式磁流体推进技术在磨料磁流体射流上的应用前景。通过电磁场方程以及流场方程建立数学模型,分析了其在磨料射流上应用的可能性。     

基于BP人工神经网络的磨料水射流切割深度模型

在已知的磨料水射流切割混凝土实验数据的基础上,应用BP人工神经网络理论,并且借助MATLAB神经网络工具箱,建立磨料水射流切割深度模型.模型中包括的射流参数有射流压力、靶距、磨料粒径、磨料流量、磨料喷嘴直径、磨料喷嘴长度及横移速度.通过模型预测结果与实验结果的比较,表明模型具有一定的精度.     

近距离煤层群水射流割缝卸压石门快速揭煤技术分析

针对西南地区高瓦斯近距离突出煤层群层间距小于7 m时,石门揭煤工作面前方多层煤层需统一消突管理,常规超前钻孔工程量大,严重制约了煤矿安全生产和采掘工作面接替等问题,提出采用穿层钻孔水射流割缝防突技术,一次性对石门工作面前方煤层群统一卸压增透,快速安全揭煤的思路。以贵州雷公山煤矿为例,采用FLAC3D模拟了不同缝槽布置方式以及缝槽间距对煤层群卸压效果的影响。研究表明：多煤层煤孔中部均布置一个缝槽,同一煤层内缝槽间距为4 m,可使石门揭煤工作面前方控制范围内煤体整体卸压。现场应用证明：采用水射流割缝技术,预抽达标时间缩短约39 d,钻孔工程量减少610 m,钻孔数量减少30个,可实现快速安全揭煤。