空化水射流破岩实验研究及机理分析

发布时间：2017-06-06 07:58

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【摘要】： 空化水射流破岩技术已成功应用于煤矿开采、石油钻井、岩石切割等工程领域,但目前对空化水射流作用下岩石破碎机理尚未形成统一认识和一般性理论。 本论文依托国家自然科学基金创新群体基金项目“高压水射流破岩理论及其在地下工程中的应用基础研究(50621403)”,通过空化水射流破岩的大量实验,分析了空化水射流参数对冲蚀破岩效果的影响;并将实验结果与数值计算结果进行对比分析,寻求到最佳的数值计算模型;运用CT扫描测试技术、AE声发射测试技术对岩石进行了损伤破坏测试,揭示了空化水射流破岩机理,为空化水射流破岩理论的进一步完善提供依据。 本文的主要研究内容和结论如下: ①空化水射流冲蚀破岩实验结果显示,破岩效果(冲蚀质量、冲蚀深度)随泵压呈二次曲线关系增加,随围压呈二次曲线关系减少;空泡云与破岩效果的关系则表明空化作用是空化水射流破岩的主要影响因素。 ②比较分析Standard k -ε模型、RNG k -ε模型、Realisable k -ε模型、Standard k -ω模型及SST k -ω模型模拟缩放型喷嘴产生空化水射流流场,结果表明RNG k -ε模型更适合数值模拟缩放型喷嘴内的射流压力速度等分布状态。且RNG k -ε模型数值计算结果显示,泵压达到6.5MPa时出现空化现象,湍动能最大值出现在喷嘴出口7mm处,与空化水射流冲蚀实验结果完全一致。 ③借助CT机、PCI-2 System AE声发射系统测试岩石的裂隙变化,结合数值计算结果,揭示了空化水射流破碎岩石机理。空化水射流作用下岩石的破碎是裂纹扩展的结果,空泡溃灭时产生微射流和冲击波加速了裂纹的扩展,使空化水射流具有更强的破岩能力,砂岩冲蚀破碎区周围还存在较大范围的损伤破坏,根据破坏情况将岩石在空间区域上可划分:冲蚀空腔、裂隙区(损伤区)、非影响区域。 ④空化水射流在本实验设备能达到的最高泵压条件下无法冲蚀破碎石灰岩,而对砂岩却表现出巨大的冲蚀能力。现有的空化冲蚀理论中,化学腐蚀理论、电化学理论、热作用理论均不能解释该实验现象,论文引入岩石裂隙的研究结合机械作用理论进行了分析。本论文的创新之处在于找到了空化水射流模拟的最佳模型RNG k -ε模型,并且利用CT机、PCI-2 System AE声发射系统测试岩石的裂隙变化,揭示了空化水射流破碎岩石机理,对空化水射流破岩理论的完善具有重要意义。
【关键词】：空化水射流 岩石破碎 数值模拟 CT扫描 AE
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2007
【分类号】：TD315
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-9
• 1 绪论9-19
• 1.1 高压水射流的研究现状9-10
• 1.2 空化水射流研究进展10-17
• 1.2.1 空化水射流形成方法12-13
• 1.2.2 空化水射流应用13-15
• 1.2.3 空化水射流冲蚀破岩机理研究现状15-17
• 1.3 问题的提出及意义17
• 1.4 本文研究的主要内容及技术路线17-19
• 1.4.1 研究内容17
• 1.4.2 技术路线17-19
• 2 空化水射流冲蚀岩石实验19-36
• 2.1 实验装置及实验方法19-21
• 2.1.1 实验装置19-20
• 2.1.2 实验方法20-21
• 2.2 空化水射流各参数对岩石冲蚀效果的影响实验结果及分析21-30
• 2.2.1 泵压对冲蚀破岩效果的影响21-25
• 2.2.2 围压对冲蚀破岩效果的影响25-28
• 2.2.3 靶距对冲蚀破岩效果的影响28-29
• 2.2.4 冲蚀时间对冲蚀破岩效果的影响29-30
• 2.3 岩石特性对空化水射流冲蚀破碎效果的影响实验结果及分析30-35
• 2.3.1 各类岩石冲蚀破碎实验结果30-32
• 2.3.2 岩石在水作用下的特性32-34
• 2.3.3 岩石在空化水射流作用下的破坏特性分析34-35
• 2.4 本章小结35-36
• 3 空化水射流流场数值计算分析36-51
• 3.1 FLUENT 软件介绍36-38
• 3.2 空化水射流流场数值计算38-49
• 3.2.1 控制方程38-39
• 3.2.2 选择合适的FLUNENT 湍流模型39-49
• 3.3 模拟计算结果与冲蚀破岩实验结果对比分析49-50
• 3.4 本章小结50-51
• 4 空化作用下岩石损伤破坏测试分析51-60
• 4.1 空化水射流作用下岩石的声发射实验测试51-55
• 4.1.1 岩石的损伤51-52
• 4.1.2 空化水射流作用下岩石损伤测试实验方法及步骤52-53
• 4.1.3 实验结果分析53-55
• 4.2 空化水射流作用下岩石的CT 实验及分析55-58
• 4.2.1 CT 技术原理55-57
• 4.2.2 实验装置及结果分析57-58
• 4.3 本章小结58-60
• 5 结论与建议60-62
• 5.1 结论60-61
• 5.2 后续工作展望61-62
• 致谢62-63
• 参考文献63-68
• 附录68-69

【引证文献】

中国期刊全文数据库 前2条

1 卢义玉;沈晓莹;汤积仁;夏彬伟;王景环;;磨料水射流钻头破岩过程的力学分析[J];中国矿业大学学报;2012年04期

2 刘佳亮;司鹄;张宏;;淹没状态下高压水射流破岩效率分析[J];中国安全科学学报;2012年11期

中国硕士学位论文全文数据库 前4条

1 张玲花;胶体液流动压空化射流抛光流场数值模拟及实验研究[D];哈尔滨工业大学;2010年

2 沈晓莹;新型硬质合金钻头及钻进硬岩实验研究[D];重庆大学;2011年

3 周玉军;水射流对钴结壳的破碎研究[D];中南大学;2010年

4 张峰;中心体喷嘴射流特性的实验研究与数值计算[D];江苏大学;2010年

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本文编号：425719