前混合磨料射流磨料加速动力学研究

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1、前混合磨料射流磨料加速动力学研究重庆大学博士学位论文学生姓名：章文峰指导教师：卢义玉教授专业：矿业工程学科门类：工学重庆大学资源及环境科学学院二O一七年九月Studyontheaccelerationdynamicsofabra-siveinpremixedabrasivewaterjetAThesisSubmittedtoChongqingUniversityinPartialFulfillmentoftheRequirementfortheDoctor’sDegreeofEngineeringByZhangWenFengSupervisedbyProf.LuYiyuSp

2、ecialty:MiningEngineeringCollegeofResourcesandEnvironmentScience,ChongqingUniversity,Chongqing,ChinaApril2017中文摘要摘要前混合磨料射流目前被广泛应用于石油天然气开采等领域。水对磨料的加速效率是影响前混合磨料射流切割性能的关键因素。目前对前混合磨料射流的研究还不够充分，缺少对喷嘴外流场磨料加速机理的深入研究；在数值模拟时，磨料拟流体化处理，认为磨料是以连续相的形式与流体共存于射流。由于前混合磨料射流中磨料速度较高，无法直接测量磨料速度，对现有磨料速度模型进行验证。因此

3、，系统开展前混合磨料射流磨料加速动力学研究，对优化喷嘴结构、确定最优靶距以及提高磨料的加速效率具有重要的意义。本文将基于两相流体动力学理论系统研究磨料在前混合磨料射流中的加速机理；利用计算流体力学-离散单元法，模拟磨料在前混合磨料射流中的运动情况；利用PIV技术测量磨料速度，对理论模型和数值模拟进行验证。主要成果如下：（1）由于磨料射流速度高、冲蚀强导致的测速难题，提出了基于PIV技术和图像处理技术的磨料速度测量方法，通过PIV技术获取磨料的双帧运动图像，运用中值滤波法和灰度阈值分割法对图像进行处理，采用图像截取法提取磨料灰度质心，依据粒子跟踪法原理测量磨料速度。该方法为开

4、展前混合磨料射流磨料加速动力学研究提供实验基础。（2）建立了高压管路、喷嘴内以及喷嘴外流场的磨料加速动力学模型，并基于等分法和迭代算法的数值求解方法求解了该模型，并利用磨料速度PIV测试实验进行了验证。结果表明：磨料在高压管路内运动时，磨料速度随运动距离的增加逐渐增大，最后会与高压管路内水速近似相等的速度进入喷嘴。磨料进入结构受限的喷嘴后，磨料一直处于加速过程，磨料速度会逐渐增大，但是仍小于水速。磨料进入喷嘴外流场后，磨料颗粒群的运动具有扩散性，磨料颗粒群的扩散角比纯水射流的小。从喷嘴出口不同径向位置喷出的磨料都经历了一个先加速后减速的过程，他们的加速距离不同，部分磨料不仅

5、在初始段内加速，在基本段内仍加速。磨料速度PIV实测值和理论值的变化趋势基本一致，实测值与理论值的平均百分比误差和标准偏差分别小于4%和5m/s，吻合较好，验证了理论模型。（3）基于单相耦合场数据加载方式，磨料相计算采用离散单元法，水相计算采用连续介质模型，利用FLUENT和EDEM软件，模拟了磨料在高压管路、喷嘴内及喷嘴外流场的运动过程，并利用磨料速度PIV测试实验进行了验证。结果表明：该方法能获得了较为真实的磨料速度和磨料运动轨迹，磨料速度PIV实测值和模拟值的变化趋势基本一致，实测值与模拟值的平均百分比误差和标准偏差分别小于3%和1.5m/s，吻合较好，验证了数值模拟

6、结果。I重庆大学博士学位论文本文的研究成果为前混合磨料射流加速机理的完善作出了一定贡献，有助于推动前混合磨料射流向各行各业发展。关键词：前混合磨料射流；加速机理；喷嘴外流场；迭代算法；PIV技术II英文摘要ABSTRACTThepremixedabrasivewaterjetiswidelyusedinfieldofoilandgasexploitation.Theacceleratingefficiencyofthefluidontheparticleisthekeyfactoraffectingthecut-tingperformanceofthepremixedabr

7、asivewaterjet.Atpresent,theresearchonthepremixedabrasivewaterjetisnotenough,anditislackoftheintensiveresearchonthemechanismoftheabrasiveaccelerationintheexternalflowofthenozzle.Inthenumer-icalsimulation,theabrasiveistreatedaspseudo-fluid,itisconsideredthatthea