基于光滑粒子流体动力学耦合有限元方法的水射流破煤参数数值模拟分析

发布时间：2020-02-02 00:23

【摘要】：利用非线性冲击动力学软件LS-DYNA,采用光滑粒子流体动力学(SPH)耦合有限元单元(FEM)方法,模拟了高压水射流微观破煤过程。根据模拟结果,红岭煤矿二1煤层水力扩孔最佳喷嘴直径为2.0~2.5 mm,临界破煤压力为10 MPa,最佳破煤压力为20~22 MPa。
【图文】：

界面模型,有限元,单元,水射流

限单元的面M(如粒子i和j)，由于这种侵入时非物理侵入，需要做必要的处理。有限元单元与光滑粒子界面模型如图1，图1中每个圆代表1个光滑粒子，根据动量守恒和能量守恒对位于滑移面上的相关节点进行速度调整。图1有限元单元与光滑粒子界面模型m1v1+m2v2+mivi=m1v'1+m2v'1+miv'im1v1r1+m2v2r2+mivir3=m1v'ir1+m2v'2r2+miv'ir3v'i－v'1=(v'2－v'1)(ri－r1)/(r2－r1{)(1)式中:mi为光滑粒子i的质量;m1和m2为与光滑粒子相接触的有限元的2个节点M2和M3的质量;v1、v2、vi分别为节点M2、M3及粒子i调整前沿线段M2、M3法线方向的速度分量;v＇1、v＇2、v＇i为调整后的法向速度分量;r1、r2、ri为矢径。根据式(1)可知M2、M3和i速度分量呈线性分布，通过插值方法对单元节点和光滑粒子位置进行调整，使粒子沿滑移面法向方向回到刚好和滑移面相切位置。1．2计算模型建立水射流采用SPH粒子建模，煤体采用FEM建模。选取1/4的水射流和煤体进行模拟(图2)。水射流长度为50mm，半径分别设定1．0～2．5mm，对称面采用SPH_SYMMETＲY_PLANE对称约束。煤体模型的长宽高均为20mm，底面和外围侧面采用BOUNDAＲY_NONＲEFLECTING透射界面，对称面采用CONSTＲAINED_GLOBAL对称约束。采用BOUNDAＲY_SPC_SET约束底面所有方向平动和转动。水射流由11000个SPH粒子组成，煤体结构由8000个正六面体组成，采用CONTACT_EＲODING_NOTES_TO_SUＲFACE耦合接触。1．3水的状态方程和参数水射流选用Null材料，采用Gruneisen状?

模型图,水射流,模型

1和m2为与光滑粒子相接触的有限元的2个节点M2和M3的质量;v1、v2、vi分别为节点M2、M3及粒子i调整前沿线段M2、M3法线方向的速度分量;v＇1、v＇2、v＇i为调整后的法向速度分量;r1、r2、ri为矢径。根据式(1)可知M2、M3和i速度分量呈线性分布，通过插值方法对单元节点和光滑粒子位置进行调整，使粒子沿滑移面法向方向回到刚好和滑移面相切位置。1．2计算模型建立水射流采用SPH粒子建模，煤体采用FEM建模。选取1/4的水射流和煤体进行模拟(图2)。水射流长度为50mm，半径分别设定1．0～2．5mm，对称面采用SPH_SYMMETＲY_PLANE对称约束。煤体模型的长宽高均为20mm，底面和外围侧面采用BOUNDAＲY_NONＲEFLECTING透射界面，对称面采用CONSTＲAINED_GLOBAL对称约束。采用BOUNDAＲY_SPC_SET约束底面所有方向平动和转动。水射流由11000个SPH粒子组成，，煤体结构由8000个正六面体组成，采用CONTACT_EＲODING_NOTES_TO_SUＲFACE耦合接触。1．3水的状态方程和参数水射流选用Null材料，采用Gruneisen状态方程，水高速冲击状态下的压力p的表达式为:图2水射流破煤模型p=ρoC2μ［1+(1－γ02)μ－a2μ2］［1－(S1－1)μ－S2μ2μ+1－S3μ3(μ+1)2］2+(γ0+aμ)E(2)式中:ρ0为水的初始密度;C为声速;μ为体应变，μ=(ρ/ρ0)－1;γ0为Gruneisen系数;a为对γ0的一阶体积校正量;S1、S2、S3为vs－vp曲线的斜率系数;E为初始内能。水的材料状态参数见表1。表1水的状态参数密度ρ0/(g·cm－3)声速/(m·s－1)GruneisenC/系数体积校正

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