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1、脉冲水射流破岩的数值模拟研究曹林卫国家自然科学基金（10472135），（0621403）资助*作者简介：曹林卫(1981.11),男,博士研究生,主要从事高压水射流破岩机理的研究(E-mail:caolinwei20031007@yahoo.com.cn)，彭向和，李晓红，杨春和(重庆大学西南资源开发及环境灾害控制工程教育部重点实验室，重庆,400044)摘要：基于多物质任意拉格朗日－欧拉流固耦合算法（ALE），建立了脉冲水射流破岩的有限元模型。以此对不同入射速度下的破岩过程进行模拟，得到了岩石
2、在脉冲水射流作用下的破碎演化过程，分析了射流速度对破岩效率的影响和最优入射速度。结果对揭示脉冲水射流破岩机理和推进水射流破岩技术有重要意义。关键词：脉冲水射流，ALE，流固耦合，最优入射速度NumericalSimulationofrockbreakingunderpulsewaterjetCaoLinwei,PengXianghe,LiXiaohong,YangChunhe(TheKeyLaboftheExploitationofSouthwestResources＆theEnvironment
3、alHazardsControlEngineering,MinistryofEducation,ChongqingUniversity,Chongqing,400044,China)Abatract:Basedonmulti-materialArbitraryLagrange-Eulercouplingarithmetics(ALE),afiniteelementmodelispresentedforthesimulationofthebreakingprocessofrocksunderpuls
4、ewaterjet,takingintoaccountthedifferenceofjetvelocity.Theeffectofjetvelocityontheefficiencyofrockbreakingisdiscussed,andthefavoratevelocityofjetissuggested.Itissignificantforperpletounderstandthemechanismofrockbreakingwithpulsewaterjetanddevelopthecor
5、respondingtechnologies.Keywords:pulsewaterjet,ALE,fluid-structureinteraction,excellentvelocity1.前言脉冲水射流在许多领域具有重要的应用和应用背景。在岩石破碎过程中，脉冲水射流在岩石内产生的应力是促使其破坏的直接动力。由于在短暂的破岩过程中涉及到流体、固体和流固耦合等众多学科，而岩石材料透明性差，难以直接观察和捕捉到受水射流冲击时岩石内部的应力应变及相关信号，这给脉冲水射流破岩技术的理论和实验研究带来很大
6、困难。而现有模型分析水射流破岩过程时简化过多，许多重要的影响因素如流固耦合作用、岩石动态性能等由于存在较大难度而被忽略，故所得到的结论不可避免地与实际存在较大出入，解释和描述的力度乃至对脉冲水射流破岩的机理、主要影响因素及其作用效果的认识受到限制，这制约了脉冲射流技术的进一步发展。本文基于多物质任意拉格朗日－欧拉流固耦合算法（ALE），建立了脉冲水射流破岩的有限元模型，对不同入射速度下的破岩过程进行模拟，得到了脉冲水射流作用下岩石破碎演化，分析了射流速度对破岩效率的影响和最优入射速度，结果对理解脉
7、冲水射流破岩机理有重要意义。2数学模型水射流破岩过程涉及流体的高速流动、界面处的物质对流、结构材料的局部大变形和冲击波。本文采用Lagrange方法描述岩石介质，而采用ALE方法描述流体介质。ALE方法继承了Lagrange方法的优点[1]，能够精确地描述结构边界的运动，同时具有Euler方法的优点，可以很好的克服单元严重畸变引起的数值计算困难，并可实现流固耦合动态分析。基于ALE算法的控制方程可表示如下[2]：连续性方程(1)动量守恒方程(2)其中应力张量sij可表示为：(3)能量守恒定律(4)
8、式中r和bi分别表示介质的当前密度和体力，xi和t分别表示欧拉坐标和时间，p，m和E分别表示压力、运动粘度系数和内能，vi和wi分别表示介质速度和物质与网格的相对速度，wi＝vi-ui,ui为网格速度，dij为Kronecker函数。3岩石的HJC损伤本构模型岩石材料采用Holmqusit[3]等人提出的HJC损伤本构模型，该模型综合考虑了大变形、高应变率、高压效应，用一维等效应力代替三维应力的效果，其规范化等效屈服应力被定义为：，s是实际等效应力，是材料的准静态单轴抗压强度，其具
