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%.     

喷嘴形状对对置式撞击流反应器流场影响的数值模拟

为了研究锥直型和矩形喷嘴对流场的影响,用Fluent软件对四口对置式撞击流反应器内部流场进行了三维数值模拟,得到入口截面上速度等值线图和等压图及Y方向上X-Y和Y-Z 截面的速度分布云图,然后使用 tecplot后处理软件提取数据,最后利用 Origin 软件作出曲线图并进行比较分析。结果表明：在入口截面上,锥直型喷嘴反应器速度大于矩形喷嘴反应器速度,流动更加稳定;Y 轴纵向上,锥直型喷嘴反应器内部流体、动能转化压能更加完全;锥直型喷嘴反应器压力脉动小,流束更加集中,保障了流体拥有足够能量撞击。为对置式撞击流的工业化设计提供了理论依据。     

SPH和FEM耦合法模拟磨料水射流中单磨粒加速过程

针对Eulerian和ALE(arbitrary lagriange eulerian)方法仿真研究磨料水射流喷嘴中磨料粒子加速过程的局限性,提出采用SPH(smoothed particle hydrodynamics)耦合FEM(finite element method)的方法研究后混式磨料水射流喷嘴中低速磨料粒子在高速水射流作用下的流体动力学特性和磨粒加速后撞击靶材的全过程。水用SPH建模,磨料粒子、喷嘴和工件用FEM建模,通过接触算法实现SPH和FEM的耦合以模拟后混式磨料水射流加工的全过程。仿真研究了磨粒和水在喷嘴中各自的速度变化过程;单磨粒在喷嘴中的运动轨迹;不同直径的磨料粒子在不同水压作用下的速度变化过程;不同直径的磨粒在不同直径的混合管中出口速度的变化规律;磨料粒子在工件上的撞击深度。通过与相关实验及理论数据的比较,验证了仿真模型和结果的正确性。     

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。     

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。     

淹没条件下星形喷嘴射流流动特点的模拟研究

为了优化钻头水功率配置,提高井眼净化效果,对新近引入石油工程中的星形喷嘴射流进行了模拟研究,建立了喷嘴射流流场的流动控制方程,采用有限体积法对其进行离散,结合Realizable k-ε模型对方程组进行求解,并将计算结果与圆形喷嘴射流的结果进行了对比.对比结果发现,淹没条件下喷嘴出口截面形状对射流的影响主要体现在射流的起始段,起始段内星形喷嘴射流流场较圆形喷嘴射流的要复杂.当喷距大于4倍喷嘴当量直径时,星形喷嘴最大、最小截面上轴向速度和湍动能的衰减趋势同圆形喷嘴的衰减趋势一致,两个截面上射流速度剖面满足自相似性.     

高压气蚀水射流切割装置的试验研究

提出了一种能较好地诱发气蚀的高压水射流切割装置———射流泵式切割装置．在非淹没条件下对该装置与普通单喷嘴装置进行了对比试验．试验结果表明,在相同的工作条件下,射流泵式切割装置比普通单喷嘴切割装置能耗低、切割深度大．根据试验结果,提出了射流泵式切割装置的最佳工作参数     

高压气蚀水射流切割装置的试验研究

提出了一种能较好地诱发气蚀的高压水射流切割装置－射流砂式切割装置,在非淹没条件下对该装置与普通单喷嘴装置进行了对比试验。试验结果表明,在相同的工作条件下,射流泵式切割装置比普通单喷嘴切割装置能耗低,切割深度大,根据试验结果,提出了射流泵式切割装置的最佳工作参数。     

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.     

收缩段截面形状对喷嘴性能影响的模拟分析

预混合磨料水射流喷嘴作为射流切割系统的执行端，细微的截面形状改变都会对喷嘴性能产生较大的影响。为提高喷嘴的综合性能(切割能力和使用寿命),本文运用计算流体力学软件对流体动力学方程和磨粒受力方程等进行耦合求解，研究在以峰值流速(切割能力)和单位流量冲蚀率对数(使用寿命)为指标的前提下，各类喷嘴性能的综合表现。以单锥、衔接型、凹型和凸型4类喷嘴为模型，分析不同收缩段截面形状对喷嘴综合性能的影响；结果表明：凹型和衔接型喷嘴综合性能接近，优于单锥喷嘴，凸型喷嘴综合性能最差；较大的收缩段夹角不利于喷嘴综合性能的提升；在以上分析结果的基础上，设计了圆弧过渡的平直型喷嘴，仿真结果显示：具有圆弧过渡的平直型喷嘴在综合性能上有了较大的提升。本文工作为后续的喷嘴截面形状优化提供了参考。