水力喷射压裂新型喷嘴设计优化及性能评价

针对常用的锥型喷嘴在入口处能量损失大、寿命短问题,对传统喷嘴入口处的能量损失进行分析,建立喷嘴入口局部能量损失方程,提出一种入口带过渡段的新型喷嘴结构,利用数值模拟实验方法,结合3D-PIV测试技术对新型喷嘴流量系数及出口射流速度场进行测量。结果表明:新型喷嘴能有效降低入口能量损失;对于12.7 cm套管用喷嘴,过渡段倒角为45°、长度为2 mm的新型喷嘴性能最优;与传统喷嘴相比,新型喷嘴入口能量损失降低34%,剖面上下两端压差减少25%,流量系数提高8%,形成的射流轴线速度提高16%。     

逐级递进射流冲击破碎废弃混凝土分离骨料可行性试验

基于砂浆与骨料不同抗冲击特性,提出逐级递进射流冲击破碎废弃混凝土分离骨料方法,通过开展废弃混凝土分离骨料实验及再生骨料性能测试试验,对该方法的可行性和可靠性进行验证.结果表明:逐级递进射流冲击破碎废弃混凝土分离骨料方法能高效分离骨料与砂浆;与机械破碎法相比该方法制备的再生骨料残余砂浆含量显著下降(降低约80％),表观密...     

非均匀孔隙压力场导向水压裂纹扩展机制

为揭示非均匀孔隙压力场对水压裂纹扩展的影响,采用多孔弹性力学、断裂力学、渗流力学和热弹性力学理论,建立了考虑孔隙压力的水压裂纹尖端应力强度因子计算模型,并采用室内实验和RFPA2DFlow数值模拟软件进一步分析了非均匀孔隙压力场对水压裂缝扩展的导向机制.研究结果表明:孔隙压力场的存在可以增大水压裂纹尖端的应力强度因子,从而诱导水压裂缝沿高孔隙压力方向扩展;同时,水压裂纹尖端的应力强度因子会随着孔隙压力增大而增大,孔隙压力越大,裂纹的偏转幅度也会越大.     

淹没条件下水射流涡旋特性大涡模拟及实验研究

采用大涡模拟方法对淹没条件下水射流的涡量场进行数值模拟,分析流场中涡旋的产生与扩散机制,并通过相同条件下粒子图像测速仪测量射流的涡量场,对模拟结果和方法进行验证。模拟研究泵压和围压对淹没射流涡旋特性的影响。结果表明:在射流流场中,由喷嘴出口产生一系列涡量集中的点涡旋,随着射流的前进涡旋逐渐扩散,卷吸周围介质并传递能量,卷吸范围逐渐扩大,而卷吸能力沿射流轴向呈指数衰减;随着泵压升高,整个流场中涡旋的涡量值明显增大,涡旋扩散长度直线上升;围压对涡量基本没有影响,围压的增加会使涡旋扩散区长度直线下降,减小卷吸作用范围。     

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.     

水力喷射径向钻井极限深度预测及分析

以旋转射流钻头为研究对象,通过分析径向钻井系统的受力和压力损失,建立了钻井极限深度预测模型;计算了某一工程实例的钻井极限深度,并得到了系统压力损失和受力情况;利用建立的极限深度预测模型研究了钻头主要结构参数对极限深度的影响规律.结果表明,钻进过程中,软管压力损失是系统主要损失,后喷嘴反冲力为系统前进的唯一动力,前喷嘴反冲力、软管与孔壁摩擦力为主要阻力;极限深度随后喷嘴直径的增大呈近似线性增大,随前喷嘴直径的增大呈近似线性减小,随旋转射流扩散角的增大呈二次函数关系增大,随后喷嘴安装角度的增大呈二次函数关系减小.本文工程实例的钻井极限深度预测值可达72.1m.     

高速公路拓宽工程中填筑材料对新老路堤变形特性的影响

为解决填挖交界路基非均匀沉降,在填土中分层铺设土工格网等土工加筋材料.基于非线性弹塑性Drucker-Prager模型,采用有限元参数分析方法,结合现场沉降观测资料,探讨路堤填筑材料物理参数对新老路堤附加变形、差异沉降、路堤横坡变化影响规律及土工格栅处治交界处路基非均匀沉降机理.研究结果表明:填筑体压缩模量高且密度低,有利于改善新老路堤不均匀变形和差异沉降的状况;黏聚力c对拓宽路堤竖向附加变形影响较比摩擦角φ大;土工格栅对减小路堤表面的竖向变形效果并不明显,但能有效提高新路堤安全系数及新老路堤的整体稳定性.     

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。     

前混合磨料水射流连续加料系统设计与实验研究

针对现有前混合磨料射流系统不能实现磨料连续供给的问题,提出利用射流泵原理抽吸和混合磨料实现连续加料的新思路,即利用有压水从射流泵喷嘴以一定速度喷出而引起的负压场卷吸磨料进入射流泵内的混合腔,并与水混合后经喉管和扩散管进入高压胶管,最后经切割喷嘴加速后喷出,形成连续磨料水射流。为使系统性能最优,分析了连续加料系统的结构组成及工作原理,并设计了系统的结构与尺寸;运用数值模拟方法对影响连续加料与射流性能的主要因素——切割喷嘴与射流泵喷嘴面积比进行优化设计,分析了其对系统性能的影响规律,确定了其最优取值范围;通过室内压力测试、连续加砂及切割试验对系统性能进行了验证,结果表明,在合适的面积比结构下,该连续加砂系统在磨料入口能形成负压及足够的压力梯度,将磨料吸入并加速,且在切割喷嘴端仍然保留足够的静压转化为动能,实现前混合磨料水射流的连续高效作业。     

基于计算流体动力学CFD技术的局部反循环打捞工具数值模拟及结构优化

针对现有局部反循环打捞工具存在打捞对象单一、反循环能量不足、碎屑采集率低等问题,提出了一种集收集和打捞于一体的新型局部反循环打捞工具,采用计算流体动力学(CFD)对该型工具作业时的流场进行模拟,揭示该型工具形成反循环的机理。在此基础上,开展该型工具结构优化数值模拟研究。结果表明:该型局部反循环打捞工具利用喷嘴形成的高压水射流的卷吸作用形成反循环系统,适当增加喷嘴数量能够提升该型工具的性能;局部反循环打捞工具性能随着喷嘴直径增加呈现先增大后减小的趋势,继续增大喷嘴直径将导致无法形成有效反循环系统;改变喷嘴的几何形状会影响局部反循环打捞工具性能,采用圆锥形喷嘴的局部反循环打捞工具性能最强,但是所需排量较大。研究结果可为局部反循环打捞工具的优化设计提供参考,为局部反循环打捞工具现场作业提供理论指导。