淹没磨料射流的岩石冲蚀实验研究

为了有效解决水下切割问题,并大大提高射流的切割能力,将淹没射流装置与磨料射流系统融合形成淹没磨料射流系统,采用高分辨率的数码摄像系统,研究了淹没磨料射流空泡云的形成;利用电子天平的精确测量系统,测试分析了淹没磨料射流对岩石的冲蚀性能.结果表明:淹没磨料射流在岩石冲蚀实验中,最优有效靶距直径比为4.28,最优冲蚀时间为1 min,较纯水空化射流工作效率提高3倍.随着泵压的增加,淹没磨料射流对花岗石的冲蚀质量、冲蚀深度增加;随着围压的增加,对花岗石的冲蚀质量、冲蚀深度减少.     

浆液磨料水射流切割能力试验及切割深度预测模型

为提高浆液磨料水射流切割能力,运用自研的浆液磨料和切割设备,进行混凝土和岩石切割试验,分析切割压力、喷嘴移动速度、材料单轴抗压强度对切割能力的影响。结果表明：相同工况下浆液磨料水射流切割能力远超纯水射流的,混凝土切割深度显著提高,并且材料强度越大,浆液磨料水射流切割能力优势越明显;浆液磨料水射流能够实现对中—硬砂岩的有效切割（0.5～1.0 h内能切割100 mm深,10 m长）,可以应用于煤矿切顶卸压、切顶留巷、工作面夹矸处理等现场工程;射流喷嘴在切割对象同一位置的冲击时间越长,“水垫”作用越明显,相同切割时间内,喷嘴多次快速移动的重复切割比单次慢速移动的切割效率高。通过分析切割实验结果,以切割压力、喷嘴移动速度、材料单轴抗压强度为变量构建切缝深度预测模型,并在此基础上得到重复切割时以切割次数为变量的切割深度预测模型。     

磨料射流辅助三翼钻头破岩实验研究

通过对磨料射流辅助三翼钻头破碎岩石的力学分析,理论上给出了提高钻进速度的依据,利用自行设计的磨料射流实验系统,采用收敛型喷嘴以不同泵压对预制水泥试件进行冲蚀实验,试验研究表明,在泵压及磨料浓度保持不变的情况下,随着冲蚀深度(靶距)的增加,磨料射流的破岩能力先增大后减小,呈抛物线型变化,存在破碎的最优靶距;随着试件硬度的增加,破岩速度减小,冲蚀深度减小,但破岩最优靶距没有变,同一靶距下,破岩速度变小;随着泵压的增大,磨料射流的最优靶距随之增大,最优靶距受喷嘴加速直线段长度的影响;通过致密砂岩的钻进对比实验得出,在同等扭矩及推力条件下,磨料射流辅助钻进的效率可以提高63.4%.     

淹没条件下自激振荡脉冲水射流冲蚀试验研究

为了提高射流的冲蚀能力,利用自制的自激振荡喷嘴,在淹没条件下进行水射流冲蚀自制砂浆试块的试验研究,得到不同工况下的水射流冲蚀效果.结果表明,靶距对冲蚀效果有明显的影响;脉冲射流的冲蚀体积与冲蚀深度随着腔长的增加,先降低再增加,到达峰值后逐渐递减,在腔长LC=4.5 mm时,冲蚀体积达到最大;在相同工况下,脉冲射流的冲蚀体积比连续射流提高约37.1％～52.3％.     

淹没状态下磨料射流破煤岩数值模拟仿真研究

基于ANSYSLS-DYNA软件,建立了淹没状态下磨料射流破煤岩靶体的仿真模型。并通过正交实验法得出了射流参数对破碎效率的影响程度,同时还利用单因素法分析了不同射流参数对破岩效率的影响。结果表明,随着射流直径的增大,冲蚀深度随之递减,冲蚀孔径随之增加;考虑破碎效率和经济效益,磨料射流破煤岩最佳射流速度在300 ms左右;磨料体积的最佳浓度在6%左右。     

磨料水射流切割可视化BP神经网络模型研究

针对磨料水射流切割性能与影响因素间存在复杂的非线性关系,无法用传统数学方法建模的问题,基于BP人工神经网络理论,结合典型材料的切割实验结果,在考虑射流压力、磨料流量、切割靶距、工件厚度、磨料喷嘴直径与切割速度6个因素情况下,建立了磨料水射流切割BP神经网络模型.同时,基于Delphi开发出了可移植的磨料水射流切割速度人工神经网络预测单元,实现了所建网络模型的可视化,为实现网络模型与数控系统的集成提供条件.研究结果表明,该网络模型能快速、准确、可靠地预测切割速度,与数控系统相集成可实现对磨料水射流切割质量的有效控制.     

基于ALE法的磨料水射流加工数值模拟

采用ALE(arbitrary lagrange-euler)算法建立了磨料水射流加工的仿真模型,模拟了从射流进入喷嘴到去除材料的加工全过程。工件采用Lagrange网格,磨料和水采用ALE网格,通过ALE和Lagrange网格的耦合算法实现射流对工件的侵蚀作用。通过给定ALE网格运动来定义射流的横移速度,从而减少了网格定义域。提出磨料的本构模型,通过定义初始ALE单元内两种材料的体积百分比实现磨料与水的均匀混合。仿真结果给出了一些加工参数对切割深度的影响规律,通过与实验数据的比较,验证了仿真模型和结果的正确性。     

自振脉冲气液射流振荡及其冲蚀煤岩效应

为提高射流利用率,提出一种基于自吸渗气方法的自振脉冲气液射流,基于水声学与流体动力学理论建立其频率模型,并通过考察射流冲击作用下等强度悬臂梁振动的加速度变化规律分析射流频率特性,继而以煤岩体为试件检验射流冲蚀效果.结果表明,自振脉冲气液射流的振荡频率随含气率α上升在初始段急剧衰减,在α=0.5达到极小值;射靶实验表明脉冲气液射流振荡频率随腔长L增加呈递减趋势,而加速度随无量纲腔长变化在L/d1(d1上喷嘴直径)≈2.2出现一极大值,且极值点位置较自振脉冲水射流(L/d1≈2.5)左移;煤岩冲蚀实验显示脉冲气液射流最大冲蚀体积较自振脉冲水射流提高约44%,且两者极值处对应的腔长与射靶实验结果极为接近.     

水力喷砂射孔喷嘴的数值模拟及试验研究

针对收缩型喷嘴内部结构长径比(直线段长度与直径的比值)严重影响出口射流的冲蚀性能这一关键问题,研究了喷嘴内部射流加速机理,得出长径比是影响喷嘴出口射流速度的最主要因素之一;针对工程中5吋套管常用喷嘴结构,选取不同喷嘴直径和直线段长度,利用FLUENT软件计算了35组模型(直线段长度为6~12 mm,直径为4~6 mm),结果表明:射流速度最大时喷嘴长径比存在一个最佳值,本次计算射流出口速度最大时长径比为1.8;实验室按照数值计算模型加工35个不同长径比喷嘴,利用粒子图像测速系统(PIV)进行非接触式试验,分析实验结果,揭示了长径比对喷嘴出口射流性能的影响规律,验证5吋套管常用喷嘴(总长度为17 mm、收缩角30°)出口射流最大时对应的长径比1.8,试验结果与数值模拟一致.     

基于等分法和迭代算法的磨料射流速度模型

针对前混合磨料射流磨料速度模型中存在的磨料受力考虑不全,无法体现磨料加速度、阻力系数以及雷诺数等关键参数的变化等问题,以固液两相流理论为基础,建立了磨料在高压管路、喷嘴内的速度模型,并基于等分法和迭代算法的数值求解方法,求解了磨料速度模型。计算结果与参考文献的平均百分比误差在5%之内,验证了该算法。同时利用该速度模型得到了磨料在高压管路和喷嘴内的速度、加速度、阻力系数以及雷诺数的变化规律：(1)高压管路内,磨料速度随磨料运动距离的增加逐渐增大,最后无限接近于水的速度;磨料加速度和雷诺数随磨料运动距离的增加逐渐减小,最后会趋于零;而阻力系数则随磨料运动距离的增加逐渐增大。(2)喷嘴收敛段内,磨料速度随磨料运动距离的增加逐渐增大;磨料加速度、阻力系数以及雷诺数随磨料运动距离的增加有一个先减小后增加的过程。(3)喷嘴直线段内,磨料速度随磨料运动距离的增加逐渐增大;磨料的加速度、雷诺数和阻力系数随着磨料运动距离的增加逐渐减小。