自激振荡脉冲水射流破岩特性探讨及喷嘴结构设计

本文基于光滑粒子流体动力学方法和有限元方法建立了脉冲水射流破岩数值模型，对比分析了煤岩在磨料射流、脉冲磨料射流及脉冲水射流冲击作用下的损伤演化过程。根据煤岩的应力波云图及射流的速度分布图分析了煤岩在不同射流作用下的应力变化过程及原因。

第 1 章 绪论

1.1 课题来源与名称
本文研究内容基于冀中能源峰峰集团与河北工程大学合作的横向课题项目：《流体切割矿井硬岩关键技术与装备研究》。
迈入 21 世纪以来，随着我国社会主义市场经济的高效稳健发展，我国的能源使用量呈现逐年递增的变化趋势，如图 1-1 全国一次能源消费情况所示。其中煤炭虽然在能源消费结构中所占有的比重逐年减少，但煤炭的消耗量却是逐年递增的，煤炭依然是支撑我国能源消费的中坚力量，如图 1-2 所示。目前，我国浅层煤炭资源随着消耗量的日增逐渐消耗殆尽，煤炭发掘正在向着深层开采进军。

图 1-1 全国一次能源消费情况

随着矿井深度的增加，地应力也随之增高。为了确保高地应力条件下深井巷道的稳定性，一般情况下煤矿的永久巷道、半永久巷道都在岩层中掘进。掘进先行、以采定掘、以掘保产是煤炭生产的组织协调原则，巷道的掘进速度和稳定性极大的影响了煤炭的安全生产和采掘接替工作。如何实现硬岩巷道的快速、高效、安全掘进是现如今工程领域研究的热点问题。目前，常用的巷道掘进方法包括钻眼爆破法和硬岩掘进设备。钻眼爆破法的适用范围广、操作灵活，但在硬岩地层中的掘进效率低，施工环境恶劣，需要操作人员具备专业的爆破知识和经验，而且巷道成形的可控性较差，易出现超挖和欠挖的现象，并且该法容易损伤围岩，引发瓦斯泄漏、透水、冒顶等矿井重大安全问题。使用硬岩掘进设备对巷道进行掘进作业，尽管改善了人员的施工条件，降低了对操作人员专业性要求，但其也存在着截割效率低、截齿消耗率高、设备损耗加剧等问题。当遇到节理发育不良的岩层时，为了保证掘进效率，依然需要对工作面采取松动爆破作业，难以保证煤矿进尺和安全生产的要求。
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1.2国内外研究现状
1.2.1水射流技术的发展状况
19 世纪 50 年代，北美洲首次使用水射流技术开采非固结矿床。20 世纪中叶，苏中两国也开始应用水射流技术进行煤炭的采掘。伴随着水射流技术在煤炭开采领域的实践和发展，技术人员逐渐意识到，增加系统的压力或者在合理的范围内缩小喷嘴直径，可以有效地增强水射流破煤能力[1]。之后的学者和技术人员的研究重心开始倾向于高压设备的研制。经过数十年技术沉淀和积累，从 20 世纪 60 年代起，高压设备进入了快速发展阶段，各种类型的高压柱塞水泵和增压器如雨后春笋般相继问世，极大的促进了水射流技术的发展[2]。在此过程中，一些研究者和技术人员受研究深度的局限，没有能够全面认识影响射流破岩能力的因素，一味的追求高压设备的研制。日本的科研人员在此过程中研制出压力近 1700MPa 的增压设备，美苏联两国也相继研制出可制备脉冲射流的发生装置，其压力可高达5600MPa[3]。至 20 世纪 70 年代，水射流技术的研究方向发生了根本性改变，致力于水射流研究的学者和技术人员的研究重心从单纯的如何提升射流压力逐渐转移到如何从射流形式上增强其冲击能力。学者和技术人员提出了共振射流、磨料射流和高频冲击射流等新型射流形式，这些新型射流的冲击效果比在相同压力条件下的普通连续水射流的冲击效果更佳[4]。迈入 20 世纪 80 年代，水射流技术的研究进入一个更高的发展水平，空化射流、自振射流、气液两相射流等新形式射流的相继提出极大地丰富了射流的类型，为水射流技术的研究和发展开辟了新的思路和方向[5]。与此同时，学者和技术人员也逐渐开展对射流基础理论及其切割理论的研究工作。同时，水射流技术的应用和推广也进入了蓬勃发展阶段，其应用范围从采矿工业逐渐延展到机械加工、能源开发、环境保护、交通运输、化工生产、市政清洁等领域[6]。水射流的切割性能及清洁效果已为世人公认，搭载射流技术的设备也是层出不穷。
面对水射流技术广阔的应用前景，该领域内各国学者开始组织相关交流活动推进水射流技术的应用和研究。1972 年，该领域内的英国学者率先发起了世界上首次关于水射流技术的国际交流会议，开启了水射流技术国际交流合作的先河。继英国之后，美国和日本也相继成立了关于研究水射流技术的交流组织，在很大程度上促进了射流技术的进步和发展。1987 年，国际水射流协会正式成立，并定期发行该协会刊物 International Journal of water Jet Technology[7]，为水射流技术的交流和合作提供了新的平台。
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第 2 章 脉冲水射流破岩数值模型的建立

2.1 水射流破岩问题假设
由于岩石的非透明性和瞬时破碎性，采用实验研究方法难以捕捉岩石内部在水射流的冲击作用下的损伤演化特征，这在一定程度上制约了探索水射流破岩机理的步伐。随着数值模拟理论的逐渐完备和计算机科学在软件技术及硬件技术方面的不断进步，计算机数值模拟技术在科研及工程领域的应用也日趋广泛。与理论研究和实验研究相比，数值模拟方法在一定程度上对于问题的理解更为深入和详细，该方法逐渐成为推动科技发展和进步的重要手段之一。因此，本章采用光滑粒子流体动力学与有限元法相耦合的数值模拟方法，建立了脉冲水射流破岩的数值计算模型。
在实际问题中，脉冲水射流的形状并不规则，此外，岩石中也存在大量宏观和微观的缺陷。为简化实际问题的复杂程度，对脉冲水射流破岩模型的假设如下：
①将自激振荡脉冲水射流的形状简化为规则的圆柱体；
②射流为均匀介质，且忽略射流对岩石的空蚀损伤；
③岩石为连续、均匀、各向同性材料，忽略煤岩中孔隙、裂纹等初始损伤的影响。
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2.2 SPH 与 FEM 耦合
2.2.1 SPH 理论
光滑粒子流体动力学(Smoothed Particle Hydrodynamics，简称 SPH)于 20 世纪70 年代被 Gingold、Lucy 等人提出，以解决天体物理领域中流体质团在无边界条件下的立体空间中任意流动的计算问题[72]。上世纪 90 年代，Monaghan 等人应用该理论研究了自由表面流动的问题，Benz 等人应用该方法进行了固体力学方面的研究[73]。随着 SPH 理论的发展和完善，近年来，该理论在高速碰撞、冲击波模拟、爆炸冲击等领域得到了广泛的应用。
传统的数值模拟方法，例如有限元法和有限差分法等，都是基于网格的数值计算方法，而 SPH 法与之最大的不同之处就在于该方法是一种基于纯拉格朗日法的无网格数值计算方法，采用 SPH 法将不用考虑在计算大变形流动领域问题的过程中因网格发生畸变而导致计算终止的问题。
2.2.2 FEM 理论
有限元理论(Finite Element Method,简称 FEM)的研究开始于 20 世纪 40 年代，主要用于解决当时城市建设及航空工业等领域遇到的弹性结构分析难题。该理论经过数代学者的研究和完善，将研究问题的空间维度从二维空间扩展到三维空间，将研究问题的力学范畴从静力学发展至动力学，将研究问题的复杂程度从简单的线性问题扩展至复杂的非线性问题。该理论伴随着计算机科学的蓬勃发展已在各类行业的工程设计和验证中得到了较为广泛地应用。
FEM 方法主要针对求解偏微分控制方程的力学问题，该方法的思想基础源自于问题域的离散与位移插值理论。该方法解决问题的基本思路可分为三步，首先将问题域离散化为网格单元，然后根据边界条件建立各个网格单元的控制方程，最后联立该问题域内全部的网格单元的控制方程，就可以得到描述整个问题域的方程组。离散化的网格单元越小，问题求解的精度越高，但计算量也会随之增大。有限元采用的运动描述方法对于其计算也有较大的影响。
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第 3 章 水射流破岩损伤特性演化过程...........................30
3.1 煤岩损伤演化过程....................30
3.2 单元的损伤演化过程........................30
第 4 章 自激振荡脉冲喷嘴的结构优化...........................36
4.1 脉冲喷嘴的几何模型...............................36
4.2 脉冲喷嘴幅频特性的模型建立.................................36
第 5 章 总结与展望..............................51
5.1 主要结论...........................51
5.2 创新点........................51

第 4 章 自激振荡脉冲喷嘴的结构优化

4.1 脉冲喷嘴的几何模型
自激振荡脉冲喷嘴的结构包括上游喷嘴和下游喷嘴,其结构如图 4-1 所示。当射流从上游喷嘴喷出时，由于射流内部压力和应力分布的突然变化，液体会在上游喷嘴出口处产生扰动。这些扰动的组合以及射流在腔内的相互作用将导致自由剪切层中形成小的涡旋。这些涡旋猛烈地与周围的流体相互作用，同时沿射流的外围向下运动。包含小涡旋的自由剪切层在碰撞边缘发生碰撞，从而产生称为自激的声波和压力波。这些扰动波经过碰撞壁被反射并向形成初始扰动的喷嘴上游移动，导致扰动的极大增强，进而在剪切层中触发更多的涡动。因此，涡量大幅度增加的涡量可以合并成更大的大尺度相干结构，从而引起更强的扰动波。下游喷嘴的结构对脉冲水射流的冲击力影响较为显著。下游喷嘴的入口直径为 d1、出口直径为 d2、振荡腔的长度为 lc、振荡腔的直径为 dc。

图 4-1 自激振荡脉冲水射流喷嘴结构示意图

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第 5 章 总结与展望

5.1 主要结论
为了探究自激振荡脉冲射流的破岩特性，本文基于 SPH-FEM 耦合法建立水射流冲击破碎岩石的数值计算模型。采用遗传算法优化了磨料粒子在射流中的均匀分布程度，提高了数值模拟结果的稳定性，在此基础上本文对比分析了在磨料射流、脉冲磨料射流及脉冲水射流的冲击作用下，煤岩的损伤演化过程。为提高自激振荡脉冲喷嘴的破岩能力，本文基于系统相似原理和流体网络理论建立了自激振荡脉冲喷嘴的幅频特性数学模型，结合多目标粒子群算法及灰色理论优化了喷嘴结构。本文研究的主要结论如下：
(1)为了对比随机函数磨料粒子分布法与遗传算法优化磨料粒子分布法对数值模拟结果稳定性的影响，分别运用这两种策略对磨料粒子在射流中的分布进行设置，并各自进行了 5 次数值模拟实验。通过方差分析统计并计算数值模拟中因损伤删除的单元个数，经计算可得采用随机函数磨料粒子分布法的结果值为 6567.04，采用遗传算法优化磨料粒子分布的方法得到的结果值为 356.24。方差值越小，说明数值模拟的结果越稳定。经计算可得，磨料粒子经遗传算法优化分布后的数值模拟结果的稳定性比采用随机函数分布粒子法提高了 18.43 倍。因此，经遗传算法实现射流中磨料粒子均匀分布能够有效的提高数值模拟结果的稳定性。
(2)煤岩在磨料射流的冲击作用下，其冲孔直径随着冲孔深度的变化较为均匀。而煤岩在脉冲磨料射流及脉冲水射流的冲击作用下，其冲孔直径随冲孔深度呈非均匀变化。根据在三种射流冲击作用下煤岩中应力波在时空维度的传播过程可知，煤岩在磨料射流的冲击作用下只承受了一次应力波的冲击，而煤岩在脉冲磨料射流及脉冲射流的冲击作用下承受了两次应力波的冲击，这是导致其冲孔直径分布不均的原因。通过对比在冲击过程中三种射流的轴向速度和径向速度分布可知，脉冲磨料射流和脉冲射流的脉冲作用，会使得射流出现较大的径向速度，该径向速度对煤岩造成了二次冲击。在脉冲射流中添加磨料形成脉冲磨料射流可增加射流的冲击能力，从而对煤岩造成更大程度的损伤。
参考文献（略）