高压水射流煤层割缝深度数值模拟与实验研究

高压水射流割缝技术是提高低透气性煤层瓦斯抽采效率的有效措施之一,确定割缝深度是优化钻孔布置和射流参数的基础。基于Fluent软件数值模拟分析了入口压力、靶距、旋转速度对水射流流场特征的影响规律;基于高压水射流破煤实验系统,开展了淹没和非淹没条件下冲击破煤实验,并进行了现场实验。研究表明,喷嘴结构一定时,水射流速度随着入口压力的增大而增加,冲击压力随冲击距离增大而发生衰减;水射流发展过程中截面积逐渐增大,导致冲击压力集中区域的范围随靶距的增大而逐渐扩展;射流旋转会导致旋转方向一侧的应力大于另一侧,靶体表面最大切应力随旋转速度增加而增大;随着入口压力和冲蚀时间的增加,水射流对试样的冲蚀深度增大,但冲蚀深度随冲蚀时间的增加存在阈值。根据高压水射流破煤深度实验结果可知,喷嘴直径为1 mm、压力为30 MPa时,水射流割缝直径可以达到1.2 m。工程应用表明,割缝钻孔平均瓦斯抽采流量为普通钻孔的1.56～2.52倍;抽采16 d后,瓦斯抽采浓度维持在30%以上。     

管道射流清洗喷嘴流场的数值模拟与分析

以用于矿井主排水管道射流清洗的圆柱形喷嘴为研究对象,利用FLUENT软件对喷嘴内外部流场进行数值模拟,通过改变不同射流压力、不同冲击角、不同环境介质和靶距来分析喷嘴射流的流场特性,得到了流场的射流速度、动压力、靶面所受的打击压力、剪应力等仿真结果。结果表明:靶面所受最大打击压力和剪应力与射流压力呈线性关系变化;冲击角为60°时,射流清洗效果较好;在空气和水两种环境介质下,当靶距增加时射流打击力先增大后减小,不同的射流参数值对应着一个最佳靶距;当射流压力相同时,环境介质为空气的射流清洗能力显著优于环境介质为水的射流。     

高压水射流冲孔基本规律的实验研究

采用高压水射流实验系统分别进行水压力、射流靶距、时间等单因素影响实验,分析这些因素对水射流冲孔效果的影响规律。实验结果表明:随着水压力的增加,射孔深度呈线性增加;当喷嘴直径为1.02mm时,水射流的最佳靶距为2mm;高压水射流存在极限射流深度,在此之后,时间增加,其射流孔孔深基本不变;改变时间、靶距以及水压力,试块水射流孔径基本无变化。     

淹没水射流关键参数对天然气水合物沉积物冲蚀体积的影响规律研究

高压水射流技术具有工作介质来源广泛与环保等优点,能够用于海底天然气水合物储层破碎。本文运用LS-DYNA有限元程序对淹没状态下高压水射流对海洋天然气水合物沉积物破碎过程进行数值模拟,研究了射流速度、喷嘴直径、靶距、入射角度4项关键参数对含水合物沉积物冲蚀体积的影响,得出以下主要结论:含水合物沉积物破碎需要满足射流速度大于临界流速;随着射流速度的增加冲蚀体积逐渐增大;喷嘴直径的增加会导致沉积物径向冲蚀体积的增大,从而使总体冲蚀体积增大;靶距的增加会使水射流在水域运动过程中能量损失增大,导致冲蚀体积的减小;在喷嘴入射角度增大过程中冲蚀体积先增大后减小最后趋于稳定,当入射角度为10°时冲蚀体积能够达到最大值。     

高压水射流冲击压力分布规律的研究

为实现对喷嘴结构和参数的优化,设计更适用于煤层钻孔的高压水射流喷嘴,利用射流冲击压力分布测试装置,对高压水射流冲击压力在射流纵横断面的分布及变化规律进行了实验研究,并对射流冲击压力的分布进行了数值模拟。研究表明:在淹没条件下,随着径向距离的增加,射流冲击压力不断降低,射流颗粒具有的能量越来越小;随着轴向距离的增加,存在等速核区,超过等速核区,射流冲击压力明显降低。     

高压水射流清洗参数的选择

根据我国工业清洗业普遍存在的清洗参数不合理的现象 ,对水射流清洗时的压力和流量、高压胶管的管径与长度、喷嘴的形状与尺寸、横移速度、靶距和射流冲击角等清洗参数的合理选择及匹配进行了分析与研究。     

后混式高压磨料水射流磨料分布规律分析

为了提高带钢后混式高压磨料水射流除鳞清理效率, 设计了磨料分布测试装置, 以试件表面磨料冲击坑数量来表征磨料在射流横截面上的分布, 研究了靶距和工作压力对磨料在射流横截面上分布的影响。结果表明, 磨料在射流横截面径向的分布服从正态分布规律, 靶距增大会导致磨料分布范围增大, 分布分散化、均匀化, 且磨料的分布范围与靶距成一阶线性关系; 工作压力与磨料的分布范围成正比关系, 且提高工作压力会增大喷嘴混合腔中有效混合的磨料总数。     

超高压磨料水射流工艺参数优化实验研究

为了提升磨料射流的切割效率,通过研制的超高压磨料水射流切割系统开展了不同工艺参数对石灰岩的切割效果研究。结果表明：随着水射流压力的增加,切割深度首先表现为线性增大,然后增速逐渐放缓;最佳磨料流量参数为0.6 kg/min;最佳初始射流靶距为5 mm;磨料射流的切割深度随喷嘴横移速度呈下降趋势;随着射流切割角度的增加,切割深度呈现出“M”型变化趋势,在80°时切割深度达到最大值;基于正交试验进行极差分析,明确工艺参数对切割深度的影响权重由大到小依次为水射流压力、喷嘴横移速度、磨料流量、喷嘴切割角度和射流靶距,得出最佳的切割参数组合为水射流压力400 MPa,磨料流量0.8 kg/min,喷嘴横移速度1 mm/s,射流靶距6 mm,射流切割角度80°。     

基于响应面分析的淹没水射流破土施工参数优化设计

针对水射流破土过程中射流孔深度及径宽难以确定的问题，以圆柱形喷嘴为研究对象，基于拉格朗日-欧拉流固耦合算法建立了淹没水射流破土的有限元模型，并通过室内实验验证了该有限元模型计算结果的准确性。基于响应面法建立了射流孔深度与径宽的预测模型，分析了喷嘴直径、射流靶距和射流压力3个因素及其交互作用对射流孔深度及径宽的影响规律，结合满意度函数对破土施工参数进行优化。结果表明：当选取特定破土深度(10 cm、15 cm和20 cm)时，较大的射流压力(7.2 MPa)、较小的射流靶距(1 cm)及合适的喷嘴直径(0.928 mm、1.164 mm和1.345 mm)可最大程度地保证射流孔的稳定性。针对特定目标破土深度，优化后的射流孔深度及径宽的预测值与实验值的误差均小于15%,表明预测结果合理可靠。     

煤体相似材料高压气射流参数优化及冲蚀特性分析北大核心

为了有效避免水力化射流技术可能存在的水封抑制瓦斯解吸和降低煤层渗透率的缺陷,基于已有的气射流研究基础,采用理论分析和实验室实验等研究手段,对高压气射流的冲孔特性及射流参数组合下冲孔破煤规律进行了分析研究。结果表明:影响实验结果指标的3个因素中,射流压力的影响最大,冲击靶距次之,喷嘴规格对实验结果影响最小;实验范围内最优射流参数组合为射流压力12 MPa,冲击靶距30 mm,喷嘴规格3.5马赫数;射流冲蚀效果随着射流压力的增加不断增加,当射流压力达到10 MPa时,试件发生贯穿,进一步提升至12 MPa时,试件发生破碎;射流冲蚀存在最优冲击靶距,该靶距条件下,射流冲蚀效果最佳,一般为6~7倍喷嘴直径;喷嘴规格对冲蚀实验效果影响不大,随着喷嘴规格的增加,冲蚀效果趋于恒定。     

高压水射流冲击刚壁压力分布规律研究

为了探讨高压纯水射流和高压磨料射流冲击刚壁时射流冲击压力的分布规律, 利用建立的专用测力工作台, 研究了射流方向与刚壁成90°角时冲击压力的分布规律及靶距、系统工作压力对冲击压力的影响, 并对磨料射流的强化效果进行了分析。结果表明: 射流冲击力随径向距离的增加急速降低, 是一非单调递减阶梯函数, 连接各阶中心冲击力值, 可视其为具非单调负指数下降规律。在靶距不变的情况下, 纯水射流和磨料射流, 其中心(最高压力)位置的冲击压力和系统压力呈正相关。     

我院高压水射流研究的巨大成就

高压水射流是一项用途很广的高新技术，它可以用于建材、机械、采矿、冶金、航空、轻工等行业需要切割材料、清洗管道、去垢除锈、钻孔破碎等场所。本文着重介绍了我院从事高压水射流研究的技术优势和所取得的多项重大成果。这些成果在推广应用中的经济效益和社会效益卓著，受到了用户及领导部门的好评和新闻界的高度重视。     

磨料水射流切割深度的神经网络模型

在磨料水射流切割混凝土实验基础上,应用BP人工神经网络理论,建立了基于射流压力、靶距、磨料粒径、磨料流量、磨料喷嘴直径、磨料喷嘴长度及横移速度等射流参数的磨料水射流切割深度模型,通过模型预测结果与实验结果的比较,验证模型具有一定的精度,为实际的运用和进一步研究提供了参考。     

钻孔水力开采用气力提升系统性能研究

采用与实际作业相近的槽内供砂方式并引入水射流喷嘴研究了钻孔水力开采用气力提升系统的性能变化规律。结果表明: 水射流喷嘴达到一定数量(N)即可消除槽底压持效应, 起到提高颗粒质量流量与提升效率的目的; 水射流喷嘴分布的非均匀性过高与过低均不利于增强气力提升性能; 水射流喷嘴在气举头埋入砂层后(即气举头底部至砂床表层距离H<0)可显著增加颗粒质量流量与提升效率。     

水射流割缝喷嘴几何参数优化数值模拟研究

应用SolidWorks软件建立水射流割缝喷嘴内部流场的三维模型,采用标准κ-ε湍流模型模拟喷嘴内部流场,并分析了喷嘴出口速度和动压,将模拟结果用于割缝喷嘴参数的优化。研究表明,对喷嘴性能影响最大的是收缩角和长径比,喷嘴出口处的水平流道对喷嘴性能也有重要影响。     

水力冲孔喷头结构参数设计及试验研究

 水力冲孔喷头结构和参数的设计直接影响到试验的效果。本文通过水射流理论、喷嘴出口水射流压力的计算、扰动理论以及喷嘴出水孔角度的优化计算对喷头进行初选、再选及终选,使得喷头满足最小破煤压力、最大冲出煤量及顺利排渣的要求,研究出一套水力冲孔喷头结构及参数设计的理论体系。结合北辰煤矿81煤大量水力冲孔对比试验,得出适合本煤层的喷头型号为3?2mm+1?1.5mm,合理布置了喷头各喷嘴位置,最终总结出北辰煤矿81煤水力冲孔喷头选型表,指导水力冲孔过程中喷头的选择,达到最佳冲孔效果,煤层得到卸压、增透并消除了突出危险性,保障煤矿的安全生产。     

基于Fluent的高压水射流喷嘴优化模拟研究

为了提高高压水射流技术的破煤效率,采用Fluent软件对高压水射流的喷嘴结构和几何参数进行了优化模拟。通过分析水射流的轴向速度和壁面静压分布,选择了最佳的喷嘴结构和几何参数。结果表明:圆柱形喷嘴的最大射流速度发生在喷嘴内部,而锥形和锥直形喷嘴的最大射流速度发生在喷嘴外部,且锥形和锥直形喷嘴的最大射流速度和最大压力均明显大于圆柱形喷嘴,考虑到水射流的附壁效应,锥形喷嘴为最佳选择。锥形喷嘴的最优几何参数为:喷嘴出口直径3 mm,喷嘴锥角7°,喷嘴长度9 mm。高压水射流喷嘴的优化对提高煤层瓦斯抽采效率具有重要意义。     

基于有限元仿真分析的高压雾化喷嘴设计及参数优化

为解决高压喷雾用喷嘴的耗水量大、堵塞和使用寿命短的问题,设计了一种利用导流孔实现水流螺旋混流的新型喷嘴,提出了影响喷嘴雾化效果的关键参数：水流入射角度、喷嘴腔体长径比和喷嘴出流直径,运用有限元仿真分析的方法对以上参数的影响效果进行了仿真研究。仿真结果表明:出流直径对雾化效果影响最大,减小出流直径可显著提高雾化效果;水流入射角度和腔体长径比两者合理配合可有效提高喷嘴的雾化能力,同时也影响了雾化的角度。以优化后的参数加工喷嘴进行试验,结果表明最低雾化压力为2 MPa,雾化角度和喷射距离等达到了设计要求,降低了对水质的要求,达到了节水耐用的目的。