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)值模擬重慶大學碩士學位論文（學術(shù)學位）學生姓名：周維指導教師：司鵠教授專業(yè)：安全技術(shù)及工程學科門類：工學重慶大學資源及環(huán)境科學學院二O一四年四月重慶大學碩士學位論文中文摘要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)簡單、成本低等優(yōu)點，在采煤、鉆孔、切割、清洗、表面處理等領(lǐng)域的潛在價值十分可觀。但是自激振蕩脈沖射流作用下巖石內(nèi)部復雜的破碎機理不易直觀的顯示和檢測到，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。本文運用理論分析與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，進行了數(shù)值仿真實驗，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)對破巖效率的影響規(guī)律，主要研究成果如下：①運用非線性動力學與有限元相結(jié)合的方法，建立了自激振蕩脈沖射流破碎巖石的數(shù)值計算模型，通過對比相同工況下的數(shù)值模擬結(jié)果與實驗結(jié)果驗證了模型的有效性。②對自激振蕩脈沖射流作用下巖石損傷場的演化規(guī)律進行了研究。結(jié)果表明，巖石損傷場沿射流徑向的發(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；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，但存在一個最優(yōu)值；破巖過程中產(chǎn)生的應力波效應對加劇巖石內(nèi)部細觀組織構(gòu)形的損傷破壞起著至關(guān)重要的作用。③對不同脈沖振幅下自激振蕩脈沖射流破巖進行了研究。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)歷了快速增長階段和平緩增長階段，但增長速率不

4、一樣，沖蝕深度增長速率與脈沖振幅呈正相關(guān)性，與巖石強度呈負相關(guān)性，且沖蝕深度的增長主要體現(xiàn)在初始階段；巖石沖蝕孔徑基本不受脈沖振幅的影響。④對不同脈沖頻率下自激振蕩脈沖射流破巖進行了研究。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度呈負相關(guān)性；煤巖、頁巖、砂巖的最優(yōu)脈沖頻率分別為2.5kHz、3kHz、2kHz。⑤對自激振蕩脈沖射流的破巖效率進行了定量表征。結(jié)果表明，脈沖振