自激振蕩脈沖射流破巖特性數(shù)值模擬.pdf

1、自激振蕩脈沖射流破巖特性數(shù)值模擬重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文（學(xué)術(shù)學(xué)位）學(xué)生姓名：周維指導(dǎo)教師：司鵠教授專(zhuān)業(yè)：安全技術(shù)及工程學(xué)科門(mén)類(lèi)：工學(xué)重慶大學(xué)資源及環(huán)境科學(xué)學(xué)院二O一四年四月重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文中文摘要I摘要自激振蕩脈沖射流是新型水射流技術(shù)的重要分支，具有能量利用率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)點(diǎn)，在采煤、鉆孔、切割、清洗、表面處理等領(lǐng)域的潛在價(jià)值十分可觀。但是自激振蕩脈沖射流作用下巖石內(nèi)部復(fù)雜的破碎機(jī)理不易直觀的顯示和檢測(cè)到，所以深入研究自激振

2、蕩脈沖射流的破巖特性顯得尤為重要。本文運(yùn)用理論分析與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，進(jìn)行了數(shù)值仿真實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)研究了自激振蕩脈沖射流作用下巖石的損傷特性及射流關(guān)鍵參數(shù)對(duì)破巖效率的影響規(guī)律，主要研究成果如下：①運(yùn)用非線性動(dòng)力學(xué)與有限元相結(jié)合的方法，建立了自激振蕩脈沖射流破碎巖石的數(shù)值計(jì)算模型，通過(guò)對(duì)比相同工況下的數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了模型的有效性。②對(duì)自激振蕩脈沖射流作用下巖石損傷場(chǎng)的演化規(guī)律進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，巖石損傷場(chǎng)沿射流徑向的發(fā)展很快

3、趨于穩(wěn)定，受脈沖振幅和脈沖頻率的影響非常小，表現(xiàn)出明顯的局部效應(yīng)；沿射流軸向的發(fā)展非常迅速，受脈沖振幅和脈沖頻率的影響非常明顯；脈沖振幅越大，損傷演化越劇烈；脈沖頻率的提高雖然能夠加劇損傷演化，但存在一個(gè)最優(yōu)值；破巖過(guò)程中產(chǎn)生的應(yīng)力波效應(yīng)對(duì)加劇巖石內(nèi)部細(xì)觀組織構(gòu)形的損傷破壞起著至關(guān)重要的作用。③對(duì)不同脈沖振幅下自激振蕩脈沖射流破巖進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，不同巖石的沖蝕深度變化規(guī)律保持一致，先后經(jīng)歷了快速增長(zhǎng)階段和平緩增長(zhǎng)階段，但增長(zhǎng)速率不

4、一樣，沖蝕深度增長(zhǎng)速率與脈沖振幅呈正相關(guān)性，與巖石強(qiáng)度呈負(fù)相關(guān)性，且沖蝕深度的增長(zhǎng)主要體現(xiàn)在初始階段；巖石沖蝕孔徑基本不受脈沖振幅的影響。④對(duì)不同脈沖頻率下自激振蕩脈沖射流破巖進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，巖石沖蝕深度與脈沖頻率呈二次拋物線型關(guān)系，沖蝕孔徑則基本不受脈沖頻率的影響；沖蝕深度峰值與巖石強(qiáng)度呈負(fù)相關(guān)性；煤巖、頁(yè)巖、砂巖的最優(yōu)脈沖頻率分別為2.5kHz、3kHz、2kHz。⑤對(duì)自激振蕩脈沖射流的破巖效率進(jìn)行了定量表征。結(jié)果表明，脈沖振