论文部分内容阅读
自激振荡脉冲射流是新型水射流技术的重要分支,具有能量利用率高、结构简单、成本低等优点,在采煤、钻孔、切割、清洗、表面处理等领域的潜在价值十分可观。但是自激振荡脉冲射流作用下岩石内部复杂的破碎机理不易直观的显示和检测到,所以深入研究自激振荡脉冲射流的破岩特性显得尤为重要。本文运用理论分析与数值模拟相结合的方法,进行了数值仿真实验,系统研究了自激振荡脉冲射流作用下岩石的损伤特性及射流关键参数对破岩效率的影响规律,主要研究成果如下:①运用非线性动力学与有限元相结合的方法,建立了自激振荡脉冲射流破碎岩石的数值计算模型,通过对比相同工况下的数值模拟结果与实验结果验证了模型的有效性。②对自激振荡脉冲射流作用下岩石损伤场的演化规律进行了研究。结果表明,岩石损伤场沿射流径向的发展很快趋于稳定,受脉冲振幅和脉冲频率的影响非常小,表现出明显的局部效应;沿射流轴向的发展非常迅速,受脉冲振幅和脉冲频率的影响非常明显;脉冲振幅越大,损伤演化越剧烈;脉冲频率的提高虽然能够加剧损伤演化,但存在一个最优值;破岩过程中产生的应力波效应对加剧岩石内部细观组织构形的损伤破坏起着至关重要的作用。③对不同脉冲振幅下自激振荡脉冲射流破岩进行了研究。结果表明,不同岩石的冲蚀深度变化规律保持一致,先后经历了快速增长阶段和平缓增长阶段,但增长速率不一样,冲蚀深度增长速率与脉冲振幅呈正相关性,与岩石强度呈负相关性,且冲蚀深度的增长主要体现在初始阶段;岩石冲蚀孔径基本不受脉冲振幅的影响。④对不同脉冲频率下自激振荡脉冲射流破岩进行了研究。结果表明,岩石冲蚀深度与脉冲频率呈二次抛物线型关系,冲蚀孔径则基本不受脉冲频率的影响;冲蚀深度峰值与岩石强度呈负相关性;煤岩、页岩、砂岩的最优脉冲频率分别为2.5kHz、3kHz、2kHz。⑤对自激振荡脉冲射流的破岩效率进行了定量表征。结果表明,脉冲振幅为250m/s时的射流破碎煤岩效率相比连续射流提高了48.7%,脉冲频率为2.5kHz时的射流破碎煤岩效率相比连续射流提高了29.3%。