基于数值模拟的多孔水射流破岩效率影响研究

高压水射流破岩是油气资源领域一个重要的技术，由于其破岩效率影响因素众多，研究手段受限，导致很难揭示其破岩机理。本文从数值模拟出发，运用动态非线性有限元法，基于ＡＮＳＹＳ／ＬＳ-ＤＹＮＡ进行不同井深条件下不同射流束数对破岩效率的影响研究。结果发现:水射流冲击砂岩首先在接触部位附近形成应力集中，整个冲击过程中，应力变化区域形状基本保持不变，应力最大值区域对称分布；多孔射流之间的间距对破岩深度的影响较大，适宜的射流间距可以提高破岩效率。     

超高压水射流冲击岩石的流固耦合分析

根据流固耦合理论，建立了超高压水射流冲击破岩系统的数值分析理论模型。水射流采用标准k-ε双方程模型和控制体积法，岩石采用各向同性弹性介质和有限元法，给出了水射流与岩石耦合的数值算法。并按建立的理论模型计算了岩石在水射流速度为316.2m/s、447.2m/s、547.7m/s、632.5m/s冲击下流场规律和岩石内部的应力分布，为超高压水射流破岩机理的研究提供一种新的数值方法。     

环空流体吸入式自激振荡脉冲射流大涡模拟研究

发展新型破岩钻井技术对于促进油气田高效开发具有重要意义,高压水射流是提高破岩钻井效率的一个重要手段,脉冲射流是一种高效射流形式.为了充分利用井底水力能量,提出了一种环空流体吸入式脉冲射流的技术构想.基于自激振荡原理设计了相应射流调制工具,并对工具的流场和动力学特性进行了大涡模拟研究.研究结果分析揭示了环空流体吸入式自激振荡脉冲射流调制的机理,并发现合理的水力结构可以在振荡腔内实现局部负压,使得环空流体被吸入,参与调制生成高效脉冲射流.与非吸入式脉冲射流相比,吸入式脉冲射流振荡更加剧烈,破岩能力更强.研究结果得到了实验验证,为实际钻井工具的研制和相关工艺技术的开发提供了依据.     

不同岩性下TBM滚刀破岩过程离散元分析

为了研究全断面岩石掘进机(TBM)的滚刀在不同岩性下的破岩机理,将考虑胶结尺寸的微观接触模型植入离散元软件,模拟了4种岩性下不同滚刀刃数的破岩过程,探究岩性、滚刀刃数对破岩效率的影响。模拟结果表明:不同滚刀刃数下的破岩过程可以分为3个阶段,即加载阶段、卸载阶段及残余跃进阶段;胶结破坏类型主要呈拉剪破坏与压剪破坏两种;滚刀破岩过程中受到的阻力可以用峰值法向推力表示,阻力大小取决于岩性,破岩阻力随着岩石单轴抗压强度的增大而增大;通过胶结破岩比能耗来评价破岩效率,对于坚硬岩,三滚刀破岩效率最高,对于强度较低的岩石,采用单滚刀破岩效率更高。     

围压条件下射流流场的数值模拟研究

本文建立了围压条件下井底射流流场的物理模型，采用标准的k-ε双方程模型，用有限元方法对围压条件下的紊流淹没射流进行了数值计算，并对模型的系数进行了优选。研究发现，在c1=1.60时得到的流场参数和实验结果吻合良好。计算结果表明，在射流出口速度不变时，射流的轴心无因次动压衰减规律、断面内的轴向速度分布规律和径向速度分布规律不随围压的变化而变化，射流的速度分布同样具有自相似性。从而为深井钻井中水力参数优选及高压水射流破岩设计提供了依据。     

环空流体吸入式自激振荡脉冲射流调制元件结构优选研究

为充分利用井底水力能量提高破岩钻井效率,提出了环空流体吸入式自激振荡脉冲射流钻井技术。将数值模拟和试验研究相结合,分析了环空流体吸入式自激振荡脉冲射流调制元件结构参数的变化对射流破岩性能的影响。对比分析了调制元件的环空吸入量、出口流速、振荡腔负压值和进出口压差与射流破岩效果之间的关系,结果发现调制元件进出口的压差越大,射流破岩效果越好,二者呈显著线性相关。以调制元件进出口压差为优选依据,采用正交试验法,进行了数值模拟试验,优选了调制元件的结构参数,数值计算与试验结果吻合良好,表明分析环空流体吸入式自激振荡脉冲射流性能,优选调制元件结构的方法可行。所得结论可作为射流调制元件结构设计和优化的依据。     

淹没条件下超高压磨料水射流切割岩石的实验研究

超高压磨料水射流是一种可用于淹没状态的加工工艺.文中利用超高压射流数控切割平台,分别在射流压力80～240 MPa,靶距2～14 mm,切割横移速度200～1000 mm/min范围内平均选取5档工况,进行淹没条件下切割花岗岩实验,研究射流参数对切割深度的影响.实验表明,在完全淹没条件下,随着压力增加,切割深度加深;切割靶距增大,切割深度随之降低;横移速度越小,切割深度越大,随着横移速度增加,切割深度的减小幅度下降;在超高压条件下,横移速度的影响大于靶距的影响.在单个参数影响分析基础上,运用回归分析法得到淹没状态下磨料射流切割岩石的半经验参数模型,对模型进行分析,验证了模型的可信度,为实际应用和进一步研究提供了参考.     

高应力条件下TBM破岩岩渣块度分布规律研究

TBM掘进过程产生的岩石渣料包含丰富的地质信息,为研究地应力对TBM掘进过程产生的岩石渣料的影响,采用PFC2D建立了围压条件下的滚刀破岩模型,提取并分析破岩产生的岩石碎片。数值模拟结果表明：TBM滚刀掘进过程主要产生扁平形岩石碎片。在一定范围内,随着围压增加,岩石碎片的平均粒径呈“W”形变化,并且小粒径碎片的含量增加,但围压较高(>30 MPa)时,反而更容易形成较大粒径的岩石碎片。     

脉冲射流冲击混凝土的损伤演化与破碎特征研究

脉冲水射流作为一种高效、绿色的混凝土拆除方法 ,具有动载频率高、水垫效应弱等优点。为明晰脉冲射流冲击混凝土的损伤演化与破碎特征,本文基于SPH-FEM耦合算法,开展了脉冲射流冲击混凝土的数值模拟,分析了脉冲射流冲击下混凝土损伤场的演化特征,获得了破碎坑深度、宽度和面积的变化规律。研究结果表明：随着混凝土强度等级的增加,混凝土的整体损伤程度、破碎坑深度和面积呈逐渐减小的趋势,破碎坑深度和面积呈幂函数变化,破碎坑宽度呈线性正向相关变化;随着射流速度的增加,混凝土的整体损伤程度、破碎坑深度和面积呈逐渐增大的趋势,破碎坑深度和面积呈线性正向相关变化。破碎坑宽度随混凝土强等级的增大而增大,受射流速度影响较小。混凝土在脉冲射流冲击下,在液固接触区域均产生了“碗状”破碎坑。     

基于不同岩石破坏方式的滚刀效率评价模型研究

目前对TBM滚刀破岩效率评价大多采用量化计算破岩比能(ηse)的方法,其中岩石破碎体积为影响破岩比能的关键因素,岩石在滚刀作用下的破坏体积与其破坏方式关系密切。为此,结合岩石不同破坏方式,讨论了岩石破碎体积的一种简易实用的计算方法。基于岩石破坏过程中以剪切破坏和张拉破坏为主的特性,提出了以岩石破坏时裂纹长度与剪切面在岩石自由表面投影长度以及滚刀刀刃宽度之间的关系来识别岩石破坏方式,在此基础上计算岩石破碎体积,结合CSM预测模型,推导出一种破岩比能水平量化计算方法。通过实例对该方法进行计算验证,分析了破岩比能(ηse)与刀间距(S)、刀具磨损量(w)之间的关系,得出了ηse-S曲线与ηse-w曲线,表明存在最优刀间距,且随着磨损量增大,比能值也将增大。所述的预测模型能够对TBM破岩时刀间距的优化、刀具的更换提供理论依据。更多还原     

TBM双滚刀间距及入岩次序对破岩效果影响研究

TBM滚刀位置布置对于TBM掘进效率极为重要,为研究TBM双滚刀间距及入岩次序对破岩效果的影响,利用二维离散元颗粒流软件(PFC2D)建立TBM双滚刀破岩模型,对TBM破岩过程中裂纹的扩展、岩石破坏形式、岩片面积、破岩比能、滚刀推力等变化进行了模拟分析。结果表明:(1)滚刀间距对于破岩效果具有较为明显的影响。间距过小时,滚刀间形成的岩片过于粉碎,滚刀间距过大,相邻滚刀形成的裂纹无法贯通,滚刀之间形成岩脊。间距不同破岩比能不同,存在最优滚刀间距现象。(2)滚刀入岩次序影响破岩效果。前后滚刀对于岩石的损伤深度和范围不同,同时破岩时左右滚刀所需垂直力较为接近,顺次破岩时后滚刀所需垂直力平均值小于前滚刀。相同滚刀间距下顺次破岩比能高于同时破岩时的比能,破岩效果将低于同时破岩情况。研究成果可为TBM滚刀布置设计提供一定参考。     

直旋混合射流喷嘴结构参数对流场特性的影响

直旋混合射流兼具直射流和旋转射流的优点,为了进一步探究喷嘴结构参数对流场及破岩特性的影响,该文采用数值模拟方法,分析了叶轮中心孔直径、叶轮旋槽出口角度和面积、混合腔和收敛角等喷嘴结构参数对射流流动结构的影响规律。结果表明,射流轴心速度衰减主要受叶轮中心孔直径和旋槽出口角度的影响;截面切向速度分布规律主要受叶轮中心孔直径、叶轮旋槽出口角和截面积、混合腔收敛角及喷距的影响。对比不同结构参数下的破岩实验发现,轴心速度衰减梯度小,有利于提高喷嘴的有效作用距离,轴向速度大,有利于提高钻孔深度,切向速度峰值和作用面积大,有利于提高钻孔孔径。研究结果可为径向水平井射流钻头结构参数设计提供依据。     

TBM滚刀破岩机理与影响因素数值模拟研究

为研究全断面岩石掘进机(TBM)滚刀破岩机理与破岩效果影响因素,采用颗粒流程序(PFC)建立滚刀破岩模型,通过单轴压缩与巴西劈裂试验结果,标定PFC程序参数,模拟滚刀破岩过程并对岩石强度、围压等破岩效果影响进行研究分析。结果表明:滚刀破岩历经前期压密、中期挤压剪切、后期挤压张拉破坏的组合破岩模式,整个破岩过程中滚刀出现反复加-卸荷交替及跃进破岩现象。岩石强度过高难以产生径向裂纹、强度过低侧向裂纹扩展不明显,破岩效果均不佳,TBM滚刀只对于中等强度范围内岩石较为合适。围压影响裂纹生成与扩展,较高时将抑制径向裂纹发育,降低破岩整体效果。研究成果可为TBM选型及滚刀设计提供一定参考。     

刀具破岩机制研究现状及发展趋势

在分析大量文献的基础上,从理论模型、物理试验和数值模拟三个方面,对近些年国内外刀具破岩规律研究进展情况进行归纳和总结,并对各种研究方法的适用性、优缺点进行了评述,侧重论述了数值模拟研究进展,探讨了当前研究热点问题,包括节理岩体中的破岩规律、开裂准则、动力破岩和三维数值模拟研究等。总体来看,有关刀具破岩机理的研究取得了长足进展,尤其是数值计算从不同层次上揭示了刀具破岩机制,包括滚刀作用下岩石裂纹扩展规律、滚刀与岩石的相互作用力学模型、材料力学参数、滚刀作用方式、围岩地应力以及刀具几何参数等因素对破岩效率的影响,数值计算方法极大地促进了刀具破岩规律的深入研究;最后总结了当前刀具破岩受力模型、动态加载与三维模拟等面临的挑战问题。     

秦岭隧洞花岗岩段掘进机滚刀破岩规律及掘进特征

为更好掌握TBM掘进性能，以引汉济渭工程秦岭隧洞花岗岩段为研究对象，通过滚刀破岩试验与施工参数分析，获得了滚刀破岩机理，揭示了掘进速度、设备利用率等TBM掘进性能指标的变化规律。结果表明：在设定地应力条件下，随着贯入度增加，滚刀法向力增大，且其变化幅度增加、变化频率加快，增加了相邻滚刀间形成大岩片的数量；高地应力条件下，因多次发生岩爆，TBM平均掘进速度、设备利用率均较低；现场贯入指标、岩石掘进效率指标沿桩号的变化基本同步，但现场贯入指标能更好评价TBM破岩性能。通过调整支护、清渣和施工组织方式，提高辅助作业效率，并及时调整TBM掘进参数、改进滚刀刀刃材质，可保障TBM高效运行，为该隧洞TBM后续掘进提供相应对策。     

爆炸应力波作用下岩体破碎特性数值模拟分析

孔内爆破作为一种常用的破岩手段,广泛的用于岩体工程中。充分认识岩体的破碎特征是岩 体工程中高效破岩的基础。通过采用ＲＦＰＡ2Ｄ－Ｄｙｎａｍｉｃ数值分析软件,建立岩体孔内爆破数值模型,分析岩 体在爆炸应力波作用下的破碎特征。数值模拟结果表明,随着爆炸应力波峰值的增大,裂纹扩展距离随 之增加。细观非均匀程度越大的岩体,在爆炸应力波的作用下,离散的破坏越多,萌生裂纹的数量越少, 裂纹传播距离也越短。另外,岩石节理对爆炸应力波的削弱作用随着节理间距的增加呈现先增加后减 小的特征。同时,节理的存在极大程度上削弱了岩体的破坏程度。     

水下移动式双喷射流冲刷试验研究北大核心CSCD

通过实体模型试验研究双喷式射流结构对非黏性沙床上固定式管道移动射流开沟的变化规律。建立射流冲刷缩尺模型,设计模块化射流装置,揭示喷嘴射流速度和喷嘴平移速度对冲刷坑特征尺寸的影响规律。采用边界层剪应力分析冲刷坑的形态变化,引入冲刷参数进行无量纲化分析。研究结果表明:定点射流冲刷坑的断面轮廓具有中心对称性,移动射流冲刷坑的纵向剖面线具有几何相似性。冲刷坑的特征尺寸随射流速度呈线性变化,并随喷嘴平移速度的增加呈先增大后减小的变化趋势,同时移动射流在一定程度上可降低冲刷坑的回淤率。     

簧阀阻断式脉冲磨料射流破岩的试验研究

为了充分利用井底水力能量提高钻速,提出了井下调制簧阀阻断式脉冲磨料射流钻井技术。模拟分析了簧阀阻断式脉冲磨料射流钻井工具的内部流场,确认了采用簧阀阻断式机构调制脉冲射流的原理可行。研制了簧阀阻断式脉冲磨料射流的原理样机,纯水射流的试验测试结果表明,簧阀阻断式脉冲射流破岩性能明显优于连续射流;基于正交试验法,优选确定了原理样机的结构参数,进而引入磨料,调制形成脉冲磨料射流。脉冲磨料射流破岩试验结果表明,岩石破碎孔的深度随着泵压增大而增大,而随着磨料浓度和喷距的增大,则先增大后逐渐减小,存在最优值。研究结果证实了井下调制簧阀阻断式脉冲磨料射流钻井方法的原理可行,可为实际技术发展提供依据。     

破岩机械垂直破岩力的设定理论研究

通过盘形滚刀侵入岩石的压痕试验得出岩石的跃进破碎参数。基于这些破碎参数建立破岩机械器具的垂直推力的预测公式及破岩机械工作点的设定理论，提高了刀具垂直破岩力预测的精确性，同时为减轻破岩机械的振动、噪音、粉尘的产生及破岩刀具的磨损提供了理论基础。     

射流孔间距对横流中两孔射流稀释特性的影响

为了解射流孔间距对多孔扩散器污水稀释效率的影响,采用计算流体动力学Fluent软件中的realizable k-ε模型,模拟横流中不同射流孔间距条件下两孔射流横向有效流速、射流浓度轨迹线、速度场和浓度场的变化。结果表明,随着射流孔间距的增大,第1个射流对后面射流的遮挡作用减弱,第2个射流前的横向有效流速增大,射流浓度轨迹线的弯曲程度增大;在射流近区,浓度轨迹线与下游距离呈1/2的指数关系,与射流孔间距呈-0.27的指数关系,在射流远区,与下游距离呈1/3的指数关系,与射流孔间距呈-0.18的指数关系。射流孔间距对第1个射流浓度变化影响较小,对第2个射流,射流孔间距越小,污染物浓度沿水流方向衰减速率越快,当距该射流孔超过8倍孔径后,浓度变化趋于一致。