基于SPH-FEM耦合算法的后混合磨料水射流冲击破岩数值模拟研究

采用SPH-FEM(smoothed particle hydrodynamics with finite element method)模拟了后混合磨料水射流在喷嘴中的混合过程,并研究了射流速度、磨料浓度以及岩石围压等因素对后混合磨料水射流破岩效果的影响规律。研究结果表明:在柱塞推动下,水与磨料在喷嘴的混合段、收敛段与直线段分别获得加速,最终磨料的速度可增加至纯水速度的80%;岩石破碎深度随射流速度呈近似线性增加,而破碎宽度随射流速度变化不大;磨料射流较纯水射流的破岩损伤更加明显,岩石的损伤随磨料浓度呈先增大后减小的趋势;岩石的破碎深度随着围压的增加呈近似线性减小的趋势。数值模拟结果与破岩实验现象基本吻合,该研究结果可为磨料水射流破岩的应用提供一定的理论支撑。     

高压水射流作用下岩石的损伤模型

基于高压水射流破岩过程的分析,运用连续损伤力学和细观损伤力学理论,建立了适用于水射流破岩两个阶段的岩石损伤模型以及两个阶段岩石损伤的耦合模式。依据所建立的损伤模型,利用非线性动力有限元方法,对高压水射流破岩的全过程进行了模拟,计算结果与试验规律基本一致。     

磨料水射流对脆性材料的冲蚀研究

磨料水射流技术作为一种特种加工技术，具有无刀具接触、无热影响区和加工范围广等优势，在众多领域得到应用。为了探究磨料水射流对脆性材料的冲蚀效果，构建和设计了磨料水射流外流场冲蚀仿真模型与磨料水射流冲蚀实验。以30 mm×50 mm的喷嘴外流场域为计算域，建立磨料水射流冲蚀仿真模型，并分析射流冲蚀过程中压力分布、水与磨料的速度分布及它们在射流中心线上的衰减规律。通过对氧化铝陶瓷材料的冲蚀实验，分析工艺参数对冲蚀孔径的影响，并结合仿真结果对比分析了射流束宽度与冲蚀孔径的关系。结果表明：水的速度随着喷嘴距离的增大而减小且分布范围变宽，射流宽度呈线性增大，磨料速度随喷嘴距离的增大而减小且分布范围基本不变；射流中心线上水的速度与磨料速度呈三段式衰减，水的第1段速度衰减段长度比磨料的长，但水的第2段速度衰减段长度比磨料的短；射流束能量的有效利用部分逐渐减小，但在15~25 mm的靶距范围内其有效利用部分较稳定，为40%；冲蚀孔径随喷嘴距离增大呈线性增大。研究结果为磨料水射流切割、铣削及抛光加工的参数选择提供实验依据，同时为磨料水射流加工过程仿真提供参考。     

自激振荡脉冲射流破岩效率数值模拟

基于任意拉格朗日-欧拉流固耦合罚函数算法,建立自激振荡脉冲射流破碎岩石的数值计算模型。对比相同工况下的数值模拟结果与实验结果进行模型验证。根据自激振荡脉冲射流的自身运动规律对其破岩过程进行数值模拟,结合岩石岩性分析脉冲振幅和脉冲频率对破岩效率的影响。结果表明:随着脉冲振幅的增大,冲蚀深度先后经历线性快速增长和平缓增长阶段,破岩效率显著提高;岩石的岩性会影响冲蚀深度的增长速率;随着脉冲频率的增大,冲蚀深度表现出先增大后减小最后趋于稳定的变化趋势;自激振荡脉冲射流破岩存在一个最优脉冲频率,该频率下破岩效率显著提高,且不同岩石具备不同的最优脉冲频率。数值模拟方法较好地还原了自激振荡脉冲射流破岩的物理过程,为自激振荡脉冲射流在地下工程领域的应用有一定指导意义。     

高压水射流冲击作用下煤-砂岩-页岩损伤破裂特征

高压水射流技术作为一种高效开采油气资源的方法已广泛应用于资源开采领域,考虑到高压水射流冲击下非常规油气储层岩破坏特征的不同,以具有代表性的煤、砂岩、页岩为研究对象,开展水射流破岩试验,采用扫描电子显微镜、CT和核磁共振技术分析煤岩破坏形式、微观破坏形貌和孔隙结构变化。结果表明,在相同试验参数条件下,高压水射流冲击下三种岩体破坏特征具有明显差别,在破坏模式上冲蚀后煤体以水楔作用主导的纵向劈裂为主,砂岩以射流的剥蚀破坏主导的“纺锤形”破碎坑为主,而页岩以应力波和水楔作用造成的浅部横向环状裂纹及底部的纵向劈裂破坏为主。损伤程度上,煤体不同深度截面损伤度在10%以内波动,砂岩仅破碎坑处具有微弱损伤,页岩浅部损伤严重,最大可达70%。冲蚀前后的孔隙检测表明,冲蚀后煤体内大孔是冲蚀前的8倍,冲蚀后砂岩内部微孔大量转化为中孔,页岩内部大孔显著增加约为冲蚀前的300倍。冲蚀后的微观断裂机制表现出,煤体表面留有晶体断裂痕迹;砂岩冲蚀面岩石碎屑大量减少,留有大量孔隙;页岩冲蚀面上可见整齐晶体拉伸断裂痕迹。研究结果可为水射流提高非常规天然气储层岩破碎效率提供理论指导。     

基于SPH算法的脉冲射流破岩应力波效应数值分析

采用光滑粒子流体动力学(SPH)方法分析脉冲射流破岩的动力学过程,可以很好地避免传统有限元方法(FEM)在处理大变形问题时的网格畸变问题。引入J-H-C模型利用SPH方法建立了脉冲射流破岩的数值计算模型。利用该方法模拟了脉冲射流在破岩过程中应力波的形成、传播及衰减的过程。通过计算分析应力波在时间上和空间上的变化规律,绘出了应力波在传播过程中的波形图,并分析了脉冲射流冲击煤岩的过程中应力波传播的时间及空间特性;另外还发现应力波在不同岩石介质中的传播特性是不同的,对不同岩石的破坏效果也有较大差异,结合岩石材料特性及波的传播特性对计算结果进行了分析解释。数值计算的结果与实际冲击情况相吻合,对脉冲射流破岩的工程应用具有一定的指导意义。     

截断式脉冲射流流场结构模拟与冲蚀硬岩能力分析

孔盘截断式脉冲射流能够充分利用水锤压力、高速侧向流、循环载荷等效应,破岩效率高,在硬岩破碎中具有较高的开发潜力。基于VOF模型和动网格技术,建立与截断式脉冲射流生成装置几何及运动过程一致的两相流瞬态计算模型,结合高速摄像技术,研究了截断式脉冲水射流的流体结构的动态演变动力特征,测试了截断式脉冲水射流的破岩能力,并分别从流畅结构和破岩能力上与常规圆柱水射流进行了对比分析。研究结果表明:截断式脉冲射流有助于在射流末端形成偏转的瓦状尖体结构,可有效减弱或避免激波阻力的影响;截断式脉冲水射流在破岩过程中,岩石靶物冲蚀孔口呈现非轴对称形态,与常规圆柱射流相比,截断式脉冲射流能够大幅度提升破岩速度,增大破岩体积。     

截断式脉冲水射流冲蚀煤岩特性数值模拟

基于光滑粒子动力学和有限元法(smoothed particle hydrodynamics-finite element method,SPH-FEM)耦合算法,建立了截断式脉冲水射流冲蚀煤岩的数值计算模型。通过对比数值模拟结果与相同工况下的实验结果,验证了该模型的有效性。在此基础上,探究了在截断式脉冲水射流冲击作用下,煤岩沿射流轴向的损伤演化过程,分析了煤岩围压、脉冲长度、脉冲间距及射流速度对煤岩冲蚀深度及速度的影响规律。结果表明:煤岩的冲蚀深度随着围压增大而减小;随着脉冲长度的增加,煤岩的冲蚀深度逐渐减小,冲蚀速度经历了先增大后减小的过程;脉冲间距对冲蚀深度的影响较小,煤岩的冲蚀速度随脉冲间距的增大呈现出线性减小的变化趋势;脉冲速度对冲蚀深度及速度影响较为显著,且随着脉冲速度的增加,冲蚀深度及速度整体呈增长趋势。     

围压对超临界二氧化碳射流冲击力与冲蚀射孔的影响

与水射流相比,超临界二氧化碳射流破岩具有所需能量少、效率高,以及不产生储层渗透性伤害等优点。将其应用于非常规油气资源的径向井钻井与喷射压裂作业中已引起广泛关注。井底压力环境对水力能量具有严重影响,而超临界二氧化碳流体性质易随环境压力改变而显著变化,是否具有良好射流作业效率仍亟待研究。通过数值模拟与室内测试实验方法,研究了模拟围压对流场速度分布、射流冲击力以及冲蚀破岩效率的影响。结果表明:喷射压力恒定时,射流冲击力和射孔深度均随围压增大而显著减小,二氧化碳临界压力处变化明显;喷射压差恒定时,随着围压的增大,射流冲击力几乎不发生变化,而射孔深度先较稳定或轻微增长然后明显减小,在临界压力时达到最大。分析认为,围压升高引起喷嘴外流场二氧化碳由气态相变为超临界态,射流形式由非淹没射流转变为淹没射流,是超临界二氧化碳射流与水射流冲蚀射孔规律显著不同的主要原因。     

前混合式磨料水射流磨料粒子加速过程数值模拟

针对前混合式磨料射流磨料加速过程运动复杂、实验研究困难及有限元处理超大变形存在网格畸变等问题,基于光滑粒子(SPH)耦合有限元(FEM)方法模拟前混合式磨料射流喷嘴不同阶段磨料粒子加速特征及磨料射流破碎靶体全过程。其中水介质用SPH建模,磨料粒子、喷嘴、靶体等用FEM建模。揭示磨料粒子群在喷嘴中的运动轨迹及喷嘴结构对磨料粒子加速影响规律。研究表明,磨料粒子进入喷嘴收敛段之前已基本达到与水介质相同速度,进入收敛段后因与水介质存在速度差使其获得加速,但与水介质速度差逐渐增大;进入直线段后水介质与磨料粒子一直加速,且水介质速度在直线段末端趋于稳定,在离开喷嘴的短距离范围内水介质速度趋于稳定,磨料粒子在核心段水流作用下继续加速,最终趋于稳定;磨料粒子群在喷嘴收敛段相互碰撞运动剧烈,进入直线段后相对平缓;流量一定下磨料粒子速度随喷嘴收敛段延长而增加,但增加有限;随直线段延长而增加,增加显著。数值模拟结果与相关文献吻合较好。     

高压磨料水射流切割破碎岩石的单轴力学特征研究EI北大核心CSCD

高压磨料水射流切割破碎后岩石的力学参数变化对于岩石的进一步破碎具有重要的影响。选取了砂岩、灰岩与花岗岩在水射流切割平台上开展了磨料射流冲击切割试验,对切割后的岩石进行CT扫描并重构岩石在不同冲击切割条件下的三维破碎形态,最后通过单轴压缩试验对比分析了岩石试件在磨料射流冲击切割前后的力学响应特征。研究结果表明:①在相同的射流参数条件下,岩石在磨料射流的移动切割下大多出现较为规整的缝槽形态,而定点冲击则出现孔洞破碎形态,前者比后者在岩石内部造成的损伤破碎程度更大;②磨料射流的冲击切割作用导致岩石试件在单轴压缩过程中出现折断型破碎形态的概率增加,且这种增加趋势随着切割长度的增加而愈加显著,但切割作用几乎不改变岩石试件的应力应变趋势;③岩石试件的单轴抗压强度与泊松比随切割长度与射流压力的增加呈现近似线性降低的趋势。该研究结果可为高压磨料水射流煤层割缝卸压的工程应用提供一定的理论指导。     

基于ABAQUS的凿岩机钻头破岩数值模拟分析

为提高液压凿岩机的破岩效率和破岩速度,运用ABAQUS分析软件,对液压凿岩机在回转-冲击载荷下连续破碎硬质岩石过程进行动力学仿真分析。研究不同冲击频率、回转速度及初始地应力多个参数对破岩效果影响,对数值模拟结果分别进行分析。结果表明:破岩速度随回转速度增大而增大,当回转速度达到300 r/min后破岩速度几乎不再改变,且在300 r/min时破岩效率最高;随着冲击频率增加破岩速度明显增大,在70 Hz时具有最高破岩效率;不同初始地应力条件对破岩速度影响较小,但对破岩效率有很大影响。研究结果为实际工程中改善液压凿岩机破岩效果提供了重要理论参考和数值依据。     

淹没条件下环境流速对磨料水射流流场特性的影响

基于满足连续介质假设的欧拉模型作为磨料水射流的两相流计算模型和Realizable k-ε湍流模型,对不同环境流速条件下淹没状态磨料水射流的流场做出数值模拟,得出磨料水射流的固液两相流态变化。结果表明:环境水流会对淹没状态下磨料水射流造成明显的偏移,流速越大偏移程度越大;通过对射流结构的分段分析,发现能量损耗以及偏移较大的发生部位为射流基本段;通过对水平和垂直分速度的分析,发现速度方向随着环境流速的变大而增大偏移,速度峰值随着环境流速的变大而增大偏移,总速度趋势与垂直分速度趋势保持一致。该研究可对磨料水射流进行水下作业提供一定的参考。     

高压磨料水射流过程流场压力场数值模拟

利用计算流体力学方法对高压磨料水射流过程进行了数值模拟。应用拉格朗日随机轨道模型对固体颗粒的运动轨迹进行数值模拟,采用标准湍流模型对连续相流动进行数值模拟,得到连续相速度场和压力场分布。结果表明,颗粒直径是射流过程主要影响因素,改变系统压力和喷射靶距,可以为高压磨料水射流过程的研究提供有意义的途径。     

硬地层中新型PDC齿破岩机理及试验研究

随着油气开采不断向深部硬地层发展,常规PDC（polycrystalline diamond compact,聚晶金刚石复合片）钻头出现破岩速度慢、易损坏、效率低等问题,难以满足当下提速增效的钻井需求。PDC切削齿结构是提高PDC钻头破岩效率的关键因素,针对不同岩石地层进行不同结构切削齿的设计具有重大意义。针对深部硬地层钻井,设计了一种非平面结构的新型PDC齿,该PDC齿具有脊形切削结构且可分层破碎岩石。为掌握此新型PDC齿的破岩机理和各项性能,采用有限元仿真模拟与试验相结合的方法,开展了新型PDC齿与常规PDC齿破岩过程的对比研究。结果表明：新型PDC齿在水平方向、横向和纵向三个方向所受切削力的均值及波动幅度均较小,因此新型PDC齿在破岩过程中有更稳定的切削能力;新型PDC齿受剧烈磨损和冲击崩断的可能性更小,使用寿命更长,且具有更高的破岩效率。研究结果可为新型PDC齿的研发和推广提供理论依据,为PDC钻头在硬地层钻井过程中实现提速增效提供支撑。     

增压式脉冲水射流破碎硬岩性能研究

为进一步提高脉冲水射流破岩能力,提出了一种增压式脉冲水射流发生方法,以低输入压力获取高脉动压力。为检验增压式脉冲水射流的破碎硬岩性能,搭建了增压式脉冲水射流破碎硬岩试验系统,开展破岩试验,并结合数值模拟获取的流场细节信息,分析了不同喷嘴直径、射流压力、靶距对增压式脉冲水射流破碎硬岩性能的影响规律。结果表明：增压式脉冲水射流的破碎硬岩性能随喷嘴直径增加先增大后减弱;随射流压力升高,射流轴心速度增大,但因气、液能量交换加剧导致的能量损耗增加,当前试验条件下射流压力为60 MPa时破岩效果最好;破碎体积在100 mm靶距达到峰值,而最大破碎深度对应的最优靶距为25 mm和75 mm,逐渐向喷嘴回移。研究结果对推动增压式脉冲水射流工程应用具有重要指导意义。     

盲通管与直弯管的内壁液固双相流冲蚀数值模拟初探

针对管道在流体流向急剧改变处受到的冲刷腐蚀问题,采用离散相DPM(Discrete Phase Model)模型,利用FLUENT软件对盲通管和直弯管进行分析仿真。通过改变入口速度、质量流量、固体颗粒大小、直弯管弯曲半径及盲通管的不同堵头长度和管径来探究每个因素对冲蚀速率的影响。结果表明:在其他条件相同情况下,盲通管和直弯管的最大冲蚀率随入口速度的增长呈现指数上升的趋势;随着固相颗粒直径增加,直弯管的最大冲蚀率呈线性增加,盲通管最大冲蚀率在颗粒直径为250～400μm呈平缓趋势,在小于250μm和大于400μm的范围内线性增长;随着直弯管弯曲半径的增大,直弯管的最大冲蚀率线性减小;通过改变盲通管的堵头长度发现盲通管堵头的长度变化不会对冲蚀率的大小产生明显影响,但盲通管的冲蚀速率会随着盲通管管径变大而减小,冲蚀区域随着管径的变大而减小且位置逐渐向管道上端移动。数值模拟的研究结果可为优化管道铺设提供相应的理论依据。     

分离式冲击-刮切复合钻头破岩机理及钻进破岩研究EI北大核心CSCD

随着油气勘探开发的不断深入,传统PDC钻头在深部地层钻进过程中的黏滑、回弹震荡等问题愈加突显,为此提出一种新型冲击-刮切复合PDC钻头,并基于该钻头分离式冲击-刮切的工作原理,开展了单元齿冲击、单元齿切削以及冲击-刮切复合破岩的试验与数值模拟。结果表明,冲击齿冲击岩石产生冲击坑,使冲击坑7 mm范围内岩石强度显著降低,同时可降低切削齿所需切削力,形成了较大切削岩屑,并影响冲击坑附近应力分布。同时基于正交试验,对冲击参数和切削参数的敏感性进行分析,探究各因素对冲击-刮切复合破岩的影响规律,结果表明影响较大的因素分别是冲击位置、切削速度、冲击齿类型以及切削深度。采用全尺寸钻头对比分析常规PDC钻头和复合钻头破岩井底形貌,发现复合钻头井底破碎体积更大。研究内容对研制和应用新型冲击-刮切复合PDC钻头具有重要参考价值。     

基于TBM双滚刀破岩仿真的实验研究

为了提高滚刀破岩效率,探究滚刀间距及加载方式对全断面硬岩掘进机(Full Face Rock Tunnel Boring Machine,简称TBM)滚刀破岩效果的影响.以滚刀破岩机理、岩石破碎理论为基础,选择某类花岗岩,通过有限元分析软件ABAQUS建立一系列滚刀破岩模型,对TBM刀盘结构设计进行研究,模拟不同刀间距、不同加载方式的双滚刀对破岩效果影响.通过模拟分析得出:在一定地质条件下,滚刀顺次加载和同时加载时的最优刀间距均是80mm,但是顺次加载的破岩效果要优于同时加载.通过实验数据分析得出破岩比能在刀间距为80~90mm时最小,从而验证了仿真模拟的正确性与合理性.研究成果对于探究双滚刀破岩机理、加快国内TBM设计理论与工程应用研究有一定帮助.     

直眼掏槽破岩过程模拟与空孔效应分析

基于空孔直眼掏槽的基本形式,运用三维有限元软件LS-DYNA,模拟了槽孔与3种不同直径空孔的动态破碎贯通过程,得到了直眼掏槽爆破应力分布规律.模拟结果表明:空孔在掏槽爆破中提供初始自由面,对槽腔岩石破碎具有导向作用;通过3组模型破岩过程的对比,可以清晰的看出空孔直径越大,破岩过程的拉伸破坏区域和压缩破坏区域越明显.进一...