高压水射流破碎岩石的原理

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1、高压水射流破碎岩石的原理1引言高压水射流是近30年发展起的切割、破岩、清洗、除垢(锈)新技术，正越来越广泛地应用于煤炭、石油、化工、机械、建筑、交通、航空和军工等部门[1]。随着设备研制水平的提高，射流技术逐渐由高压向超高压方向发展，超高压水射流技术已成功地应用于金属、岩石与复合材料的精密切割、破碎和加工[2]，其应用领域不断扩大，应用前景十分广阔。但目前人们对水射流冲击破岩机理的认识仍然不够深入，造成这种局面的主要原因是水射流本身的复杂性，破岩过程短暂且变化多端，再加上岩石材料的透明性差，研究人员很难观察和捕捉到水射流冲击岩石时岩石内部应力应变及其他相关信号

2、。对水射流作用下岩石产生的破坏主要以哪种形式为主，是拉应力、切应力、还是压应力引起的，以及岩石破碎发展过程仍存在广泛的争论[3-5]。水射流破岩机理的研究现状与存在问题包括:①水射流破岩机理的研究，难点在于水射流加载特性和岩石破碎机理两方面；②理论研究与试验研究手段存在局限，对水射流作用下岩石破坏机理的观点多，还没有形成统一学说；③水射流的加载特性和岩石的破坏形式存在广泛争论；④射流冲击下岩石的破碎主要与应力状态和材料强度有关，冲击中水射流产生的应力分布对确定破碎机理十分重要；⑤数值方法对射流的描述较为简化，导致射流冲击载荷与岩石内部应力分布计算存在误差；⑥水

3、射流冲击下流体与岩石介质的祸合作用分析不够。2水射流破岩研究进展2.1淹没射流的理论研究具有一定尺寸的液体不受固体边界的限制在相同或不同的介质中流动称为射流。当射流射入密度较射流本身密度小的介质中称为非淹没射流；当射流射入密度较本身密度大或相等的介质中称为淹没射流。淹没射流依其射入边界条件，又可分为自由射流及非自由射流。射流的密度与被射入介质的密店拼目等，且未被固体边界所限制(或这种限希可忽略)时，这种射流称为淹没自由射流。反之，称为淹没非自由射流。淹没自由射流的结构见图2-1。固体边界对淹没非自由射流造成的影响见图2-2。在油井内，喷嘴射出的射流通常是淹没非

4、自由射流。图2-1淹没自由射流的结构图2-2淹没非自由射流的边界淹没自由射流从喷嘴射入相同的介质中，射流便不断地扩大，当达到一定距离时，射流就在介质中消失。射流自轴又水你的喷嘴喷出后呈锥形扩散，锥形面也叫边界面，它将射流与介质分开。随着射流离开喷嘴距离的增加，射流的直径及水力参数不断变化，此变化的原因是射流在介质中受到粘滞胜和紊动性的影响。射流自喷嘴射出之后，则在射流与周围介质之间形成较大的速度梯度。由于粘滞胜的作用，射流与周围介质相混合，在边界上形成漩涡，这时，射流周围的质点一方面被射流带走，一方面产生了垂直与射流轴线的流动，发生紊动，这就造成动量交换。当这

5、些质点进入射流范围时就把自己的动量传递给与射流相接触的液层。由于射流边界上质点的动量交换使得射流质量增加，直径变大，又由于能量消耗而使流速逐渐降低。然而射流中心的流速并非一离开喷嘴出口立刻降低。在射流边界上速度为零，而中心附近仍保持着出口的速度，这一核心称为等速核。随着距离增加，等速核直径变小。到达一定的距离处，直径变为零，等速核消失。存在等速核的区域称为射流的初始核，在其后的部分叫射流的基本核。射流初始段的长度取决于喷嘴的形伏，流体的性质，雷诺数及喷嘴的流体压力等因素。射流自喷嘴射出后八J}}分化，产生扩散，扩散角为:射流的速度分布可分为两部分，在初始段内，

6、等速核内的速度不变。从等速核边界向外速度很快降低，至射流边界速度降为零。在等速核内的速度为:Aq.米洛维奇[7]借助于气体射流的实验确定了射流基本段上的轴心流速沿射流长度方向上变化的关系:据试验测定，β=6，因此初始段长度Lo=6do，但对于液体射流，射流基本段上轴心的流速不是按双曲关系在长度方向上变化，而是按高次曲线变化的。进一步的研究得知，在淹没射流中，t0不仅与喷嘴出口直径有关，而且与喷嘴结构有关。对于淹没非自由射流，由于边界上回流的影响，使得射流边界在捉巨喷嘴较远的地方向中心收缩，在一定的距离上，边界收缩到一点，射流消失，在边界之外，为上返的回流。射流

7、结构特点及其分布规律决定了射流中心动压力变化的规律。大量实验研究表明，不同结构喷嘴的射流中心动压力是不同的，但基本规律是一致的。射流的流体具有一定的密度，射流又具有一定的速度，射流前进的方向上遇有障碍物时，射流就给它一个压力，这个压力就是射流的动压力，根据水力学原理可知，射流的速度越高，动压力越大。在射流的初始段，由于速度不变，中心动压力也是不变的，在基本段内，由于中心的速度随着距离L而变化，使中心的动压力随L的增加而急剧阳氏，见图2-3。其变化规律可以下式:图2-3射流中心动压力分布AK.柯佐多依[8]通过理论推导得出:喷嘴的几何形伏不仅影响射流等速核的长度

8、，也影响射流中心动压力的分布。2.2水