磨料水射流結構特性與破巖機理研究.pdf

1、磨料水射流切割破碎技術在國民經濟建設的諸多領域中都獲得了廣泛應用，但由于磨料水射流切割破碎物料的影響因素眾多，目前磨料水射流的結構特性和破巖機理的物理機制尚不清晰，這在相當程度上限制了磨料水射流切割破碎技術的發(fā)展。本文運用多相流體動力學和顆粒動理學等理論，推導得出了磨料水射流的雙流體模型，形成了分析磨料水射流結構特性和兩相作用機理的數(shù)值方法，采用數(shù)值模擬和實驗研究相結合的技術路線，較系統(tǒng)地研究了磨料水射流中兩相速度分布和湍流參量分布，并

2、運用連續(xù)介質力學、損傷力學和非線性沖擊動力學等理論，建立了磨料水射流沖擊破碎巖石的有限元模型，采用數(shù)值模擬的方法結合前人研究成果，較為系統(tǒng)地研究了磨料水射流破巖過程中的細觀機理和不同宏觀參量對沖蝕體積的影響，進一步發(fā)展和完善了磨料水射流沖擊破巖理論。 綜合分析表明，磨料顆粒所受的慣性力、重力、壓差力和Stokes阻力對其運動具有重要影響。噴嘴內液固兩相間存在速度滑移，磨料顆粒在相間力的作用下速度趨向液相速度。 非旋轉和弱

3、旋轉磨料水射流中，液相軸向速度分布類似于高斯型，液相軸向速度仍然滿足一定的自相似性。液相徑向速度分量很小，沿半徑分布規(guī)律十分復雜。射流軸對稱面上液相湍流強度分布表現(xiàn)出一定的對稱性，靠近射流邊界處湍流強度較高，射流斷面上沿徑向方向湍流強度呈“M”形分布。弱旋轉磨料水射流中，液相切向速度沿半徑方向表現(xiàn)為Rankine復合渦形式。本文條件下，液相切向速度在噴距大于2d后，具有自相似性。磨料顆粒速度沿半徑的變化趨勢與流體微團的基本一致，沿半徑方

4、向呈高斯分布。隨著噴距的增加，磨料顆粒速度逐漸降低，速度剖面逐漸平緩。 磨料水射流破巖過程中，巖石在沖擊波壓力、環(huán)向拉應力以及應力波反射拉應力等作用下經歷了產生破碎、產生初始裂隙、裂隙貫穿等幾個過程并最終形成沖蝕漏斗。在其他條件相同時，沖蝕體積隨磨料顆粒速度的增大而非線性增加，隨沖擊角度的增大呈現(xiàn)非線性增加的趨勢，隨磨料顆粒粒徑的增大也呈非線性增加。 本文采用數(shù)值模擬的方法對磨料水射流結構特性和破巖機理進行了較為系統(tǒng)的研