围压条件下粒子冲击破岩裂隙扩展机理研究

为揭示粒子冲击下围压对岩石裂隙形成及扩展机制的影响,开展了粒子冲击破岩试验和微纳米工业CT(compnted tomography)扫描试验,明确了围压对粒子冲击作用下岩石裂隙扩展特征的影响;并对不同围压条件下的粒子冲击进行数值模拟,分析了岩石的应力场和裂隙场演化过程,揭示了围压影响裂隙扩展的内在机制。结果表明,粒子冲击岩石后,在岩石内部形成破碎区和晶间主裂隙扩展区。压应力导致形成的剪切应力和拉应力是破碎区形成的主要原因,而晶间主裂隙扩展区形成的主要原因是切向衍生拉应力。围压使岩石颗粒间产生预应力,导致切向衍生拉应力需克服颗粒之间的初始压应力才能形成张拉裂隙;围压的增大导致岩石颗粒间剪切裂隙比例和摩擦效应提升,产生相同裂隙数目消耗能量增大,抑制了晶间主裂隙扩展区和破碎区的形成,破碎效果降低。

带钢表面高压水射流清洗机理及试验研究

高压水射流技术是冷轧带钢表面清洗的有效技术手段,为了探究高压水射流清洗带钢表面污垢的工作机理,基于计算流体力学理论建立了高压水射流打击力模型,分析了打击力与喷嘴压力和流量的关系。通过正交理论,开展了带钢清洗效果的试验验证,并对不同工况参数下带钢清洗后的表面形貌进行了分析。结果显示,工作压力对于提高带钢清洗后的表面质量影响最为显著。此外,适当增大清洗角度和喷射距离也有助于提高清洗后带钢的表面质量,为优化清洗工艺提供了重要的参考依据。

医用水射流在不同力学性能皮肤上的注射效果研究

为探究不同力学性能皮肤对无针注射效果的影响,通过注射不同质量分数的凝胶皮肤模型进行注射效果分析。首先,通过自制压力测试平台,分析不同注射参数下气动式无针注射系统微射流动力学特征;其次,采用气动式无针注射系统分别开展凝胶注射试验与离体猪肉组织注射试验,探究凝胶注射试验的可靠性;在此基础上,分别开展单层、双层及多层凝胶注射试验,探究多层结构组织及不同层间界面条件下气动式无针注射系统微射流的扩散特征。研究结果表明:随着凝胶弹性模量增大,注射深度、扩散面积和注射完成率均减小;同时,分界面一定条件下起到促进药液横向扩散作用,疏松界面一定会出现层间积液,紧密界面可能出现层间漏液现象。研究结果可为无针注射系统在不同力学性能皮肤条件下的进一步发展应用提供理论依据和技术支撑。

头部喷气对跨介质航行体入水过程载荷特性的影响

跨介质航行体入水瞬间会受到巨大的冲击载荷,极易导致结构破坏甚至内部器件失灵。为发展有效的降载方法,本文基于VOF(Volume of Fluid)多相流模型,研究头部喷气航行体入水过程的载荷特性和流体动力特性,分析喷气压力、喷气高度对降载效果的影响,并探索头部喷气降载方法有效性的入水速度范围。研究结果表明,头部喷气使自由液面下凹形成空腔,并能极大地降低航行体所受阻力和冲击力,延缓了航行体撞水时间,从而实现冲击载荷控制;喷气压力和喷气高度对入水空泡形态及冲击压力峰值的影响都不大,合理的选择既能达到降载效果又能节约喷气量;入水速度为50 m/s时,降载量高达76.51%,但当入水速度为300 m/s时,降载量仅为39.92%。因此,针对高亚声速跨介质入水问题,需进一步探索主被动相结合的复合降载方法。

圆形喷嘴射流冲击平面特性研究

为了探究圆形喷嘴射流冲击平面的特性,旨在通过提高微孔隙、低渗透率煤层的渗透性,优化水力冲孔效果,通过数值仿真软件COMSOL Multiphysics,建立圆形喷嘴冲击平面的三维模型进行仿真,聚焦于喷嘴射流在不同倾斜角度、射流速度和喷嘴直径条件下对平面的冲击效果。结果显示,无论倾斜角度如何变化,射流到达平面的速度表现为先增后减再增最后减的变化趋势,压力值则随倾斜角度增大而先增后减。在不同射流速度下,冲击平面的速度分布相似,以最小速度点为圆心,沿半径方向速度快速增至峰值后逐渐减小。喷嘴直径的增大导致到达平面的最大压力值增大,而射流速度呈现复杂变化趋势。

基于ALE算法的高速水射流对船体表面冲击特性研究

为探究水射流清洗附着物对船体表面的损伤影响,基于ALE算法研究了不同入射角θ和不同流速v冲击船体表面过程中射流的冲击压力特征和应力特征。结果显示,随着入射角θ增大,靶件所受冲击压力会出现水锤压力与滞止压力阶段。高压水射流动能在适当入射角θ增加,入射角过大(θ=20°)反而会使其降低。以一定入射角θ冲击靶体时,由于剪切效应加强靶体表面与内部应力分布比垂直冲击时更复杂,得出对船体表面材料影响最小的参数组合和最大主应力与射流参数入射角和速度的拟合公式。研究结果对水射流清洗船体表面附着物的应用具有较好的理论意义与实际应用价值。

磨料质量分数对预混合磨料水射流破岩效果的影响

预混合磨料水射流是突破煤矿深长钻孔内高效破煤岩技术瓶颈的有效技术,在坚硬顶板治理、沿空留巷和硬煤增透具有广泛应用前景。磨料质量分数是影响其破煤岩效果的重要因素。为明确磨料质量分数对磨料加速、分布以及冲击动能的影响,基于离散元的耦合模型(CFD-DEM模型),考虑颗粒间的摩擦、碰撞,添加颗粒相体积分数和动量源相,修正VOF多相流模型,开发用户自定义函数(UDF)通信接口,精确计算了磨料质量分数对磨料颗粒加速运动与分布的影响,准确描述了磨料粒子对水射流流场的影响。结合预混合磨料水射流破岩实验,得到了以下结论:在固定压力下,不同磨料质量分数的射流液固能量转化效率不同,导致磨料冲击动能不同。提高磨料质量分数,能够提高破煤岩效果,但存在最优值。每一压力条件下都有与之相适配的最优质量分数,此质量分数下能量转化效率最高,磨料冲击动能最大。如射流压力5 MPa时,80目(0.178 mm)石榴石最优质量分数为11%。同一质量分数下,提高射流压力可提高磨料冲击动能,但是能量转化率和利用率降低。提高压力使射流速度增加,曳力增大,但射流与磨料接触时间缩短,导致射流能量未能及时转化为磨料动能。相较于提高射流压力,适当增加磨料质量分数以提高能量转化效率和能量利用率,是达到最佳破煤岩效果的更经济低能耗的方式。

自激吸气式脉冲射流装置机理的试验和理论研究

为了揭示自激吸气式脉冲射流装置的脉冲产生机理,通过试验获取了装置典型测点压力、靶心冲击压力的时间变化过程和内部水气流动图像,分析了工作压力1.4~1.8 MPa和围压0~0.15 MPa下冲击压力的平均值、脉冲频率和脉冲效果,并结合水气两相流理论研究了装置内部的水气流动结构和水气流动过程。结果表明,围压不变和工作压力越高,冲击压力平均值越大,围压0.1 MPa时,增加幅度为51%;工作压力不变和围压越高,冲击压力平均值越小,工作压力1.8 MPa时,降低幅度为63%;不同工作压力和围压的冲击压力脉冲频率变化不大,在0.5~1.0 Hz之间,但工作压力越高或围压越低,脉冲效果越好;装置内部的碰撞体附近和射流核两侧为亚声速水气流动,下喷嘴入口为超声速水气流动;装置在内部负压区域形成了泡状水气涡团,吸气量、碰撞体测点压力和冲击压力的时间变化过程与典型时间水气涡团的旋转速度和气泡直径之间具有明显的相互影响关系。

高压水射流煤层割缝深度数值模拟与实验研究

高压水射流割缝技术是提高低透气性煤层瓦斯抽采效率的有效措施之一,确定割缝深度是优化钻孔布置和射流参数的基础。基于Fluent软件数值模拟分析了入口压力、靶距、旋转速度对水射流流场特征的影响规律;基于高压水射流破煤实验系统,开展了淹没和非淹没条件下冲击破煤实验,并进行了现场实验。研究表明,喷嘴结构一定时,水射流速度随着入口压力的增大而增加,冲击压力随冲击距离增大而发生衰减;水射流发展过程中截面积逐渐增大,导致冲击压力集中区域的范围随靶距的增大而逐渐扩展;射流旋转会导致旋转方向一侧的应力大于另一侧,靶体表面最大切应力随旋转速度增加而增大;随着入口压力和冲蚀时间的增加,水射流对试样的冲蚀深度增大,但冲蚀深度随冲蚀时间的增加存在阈值。根据高压水射流破煤深度实验结果可知,喷嘴直径为1 mm、压力为30 MPa时,水射流割缝直径可以达到1.2 m。工程应用表明,割缝钻孔平均瓦斯抽采流量为普通钻孔的1.56~2.52倍;抽采16 d后,瓦斯抽采浓度维持在30%以上。

旋转磨料射流钻孔储层适应性研究

为了揭示旋转磨料射流破岩钻孔储层适用性,以油气储层常见岩石为试验岩样,分析了其破岩成孔特性和关键参数影响规律,并基于ALE-FEM流-固耦合方法,开展了其破岩机理研究。结果表明:旋转磨料射流可高效破碎页岩、煤岩、灰岩、砂岩、花岗岩,形成壁面光滑、带锥形凸起的大直径规则圆形孔眼;射流成孔直径和成孔深度随喷射压力增加而增大,随岩石抗拉强度增大而降低;射流压力25 MPa下,上述各类岩石成孔直径分别为50,90,62,70,53 mm;在旋转磨料射流冲击下,岩石表面出现环形应力集中带,且环形应力集中带宽度随喷射时间增加而增大,揭示了锥形凸起形成过程。研究结果可为旋转磨料射流应用于径向水平井技术提供参考和理论指导。

驱动压力调节对可控型射流注射系统性能的影响

为探究驱动压力调制对可控型射流注射系统动力学特征及注射性能的影响,利用高精度射流冲击测试平台及高速摄影装置,分析射流冲击变化特征及扩散特征,并结合离体组织注射试验结果探究驱动压力调制机理。研究结果表明,通过驱动压力切换可以达到可控型射流注射系统高、低两段式射流速度的要求,且通过控制驱动压力可以实现对射流注射系统的冲击特征及扩散特征进行控制。不同喷射剂量工况均存在较优驱动压力组合,典型大剂量注射工况1.0 mL的最优驱动压力组合为(1.00—0.25) MPa,通过驱动压力调制可以进一步提高可控型射流注射系统的注射性能。

雾化方式对移动空调免排水能力及其性能的影响

现有移动空调中通常利用打水轮的离心雾化作用将冷凝水抛洒至冷凝器高温翅片上,受热蒸发后经排风管排出,但是其雾化能力有限,在高湿工况下仍需进行人工排水。研究提出了一种新的雾化方式(微孔高速射流撞击雾化/喷管雾化),在高湿工况(t=27℃、RH=90%)下进行了免排水能力及移动空调性能测试,对比了打水轮雾化与微孔高速射流撞击雾化这两种方式对移动空调冷凝水排除能力及制冷系统的影响。结果表明,相较于不打水而言,采用喷管雾化制冷量增加了3.16%(打水轮1.77%)、EER增加了11.70%(打水轮6.62%),能做到24 h不停机连续运行(打水轮6 h)。因此采用喷管雾化在提升整机能效和免排水能力方面更具优势。

超临界二氧化碳射流冲击压力参数影响规律

为了探明超临界CO_2射流对岩石冲击压力及其参数影响规律,利用计算流体力学模拟了超临界CO_2射流冲击的三维流场,对比了超临界CO_2射流和水射流的冲击压力,进行了参数影响规律研究。结果表明:在相同条件下,超临界CO_2射流能产生比水射流更强的冲击效果;超临界CO_2射流冲击压力随着喷嘴压降和喷嘴直径的增大而增大;随着喷距的增大,超临界CO_2射流的冲击压力降低,冲击范围扩大;围压和流体温度的变化对超临界CO_2射流冲击压力的强度和范围的影响极小,在工程应用中可以忽略。研究结果证实了超临界CO_2射流的冲击效果,探明了超临界CO_2射流冲击压力的参数影响规律,为超临界CO_2射流在钻完井工程中的应用提供了指导。

水工混凝土的受力状态与磨损

文章分析在高速含沙水流冲击作用下 ,水工混凝土表面受力状况与磨损的关系。水工混凝土壁面在不同冲击条件下 ,由于受力状态不同而产生不同的磨损机制 ,小角度冲击 ,表面切应力起主要作用 ,磨损类似于塑性材料的表面划伤机制 ,磨损相对较轻 ,可以用合适的数学模型描述。随着冲击角度的增大 ,接触表面的拉应力逐渐起主要作用 ,磨损最终呈现脆性材料的压印破坏机制 ,磨损过程较为复杂 ,磨损严重。

高压水射流破碎煤体过程及应力变化规律的数值分析

针对高压水射流冲击破碎煤体这一复杂非线性冲击动力学问题,采用SPH和FEM耦合算法,数值模拟了煤体在高压水射流冲击下的破碎过程,分析了应力作用规律和煤体破碎规律。研究结果表明,煤体主要受拉伸和剪切作用而被破坏,拉应力的作用区域随着煤体破碎向外延伸,剪切应力的作用区域主要在冲击轴心;水射流冲击载荷破煤过程可分为破碎积累、快速破碎2个阶段,煤体破碎速度表现为快慢交替。

掺气水射流应用于低压摇臂喷头的试验

为解决固定式旋转喷头低压喷灌时,水射流向末端集中形成水量分布不均匀的问题,提出水气两相射流进行喷灌的方法。在摇臂喷头结构的基础上,增加掺气结构,形成掺气射流喷头,以相同工作水压力、射流仰角、喷嘴出口流量相同为约束,以及不考虑副喷嘴对喷洒的影响,对比了掺气与不掺气2种情况下PY20喷头的射程、径向水量分布、1倍射程间距的正方形组合喷灌均匀系数,雨滴粒径等参数。试验结果表明:原不掺气摇臂喷头出口直径7 mm,安装内径2 mm的掺气管后出口直径改为8.3 mm,此时两者具有相同的出口流量,2种喷头在相同工作压力下具有近似相等的射程;在掺气喷头工作水压低至100 k Pa情况下,喷头仍具有76 mm水银柱高差的掺气负压能力;掺气摇臂喷头改善了径向水量分布线射程中段的水量,使水量分布线发生了中段略微增高、末端略下降的变化,从而使1倍间距的正方形组合喷灌均匀系数在低于国家标准工作压力的200 k Pa情况下,从62.8%提高到68.8%;采用激光雨滴谱仪测量射程中部和末端2个地方的水滴粒径表明:掺气状态下射程中部的水量累积百分比中位直径d50远大于不掺气状态,射流末端对比d50则小于不掺气状态,说明掺气改变了喷头的雨滴粒径分布。该文试验结果证明掺气摇臂喷头在农业喷灌中应用具有可行性。

前混合水射流超细粉碎煤粒的临界速度

优质的煤粉是制备高性能水煤浆的前提。在准静态条件下,基于弹性力学与Hertz接触理论,分析了前混合水射流超细粉碎煤粒的临界速度,得出了煤粒粉碎的临界速度分别与其杨氏模量的-2次方、泊松比的4次方、最大拉应力的2.5次方及密度的-0.5次方成正比,而与煤粒的直径无关。同时,对山西西山煤样粉碎的临界速度进行了理论计算,得出临界速度为37.42m/s。该结论有助于物料粉碎机理的深入研究和高效粉碎设备的研制。

围压下磨料射流套管开孔形状和时间参数试验研究

水力喷射径向水平井和水力喷射分段压裂技术可为低渗透等难动用油气藏提供两种经济高效的开采途径,应用高压磨料射流喷射进行套管开孔是其中关键技术。在分析了磨料射流工作机理的基础上,采用专门的围压装置及相应的试验台架,对磨料射流在围压下射穿套管的形状和时间参数进行了试验研究。着重研究了喷嘴压降、围压、喷距和喷嘴直径对射穿套管时间的影响,得出以下结论:随着喷嘴压降的增大,射穿套管时间缩短;随着围压的增大,射穿套管的时间延长;随着喷射距离的增大,射穿套管的时间延长;随着喷嘴直径的增大,射穿套管时间缩短。在本试验条件下,磨料射流射穿套管的孔径在10～14mm,射穿时间在18～330s范围内。

汽轮机末级叶片纳米涂层抗水蚀性能研究

采用高压脉冲水射流试验装置对不锈钢、司太立合金及CNx/TiN纳米复合涂层的性能进行测试,并采用扫描电镜对材料的失效破坏形貌及机理进行了分析。结果表明,纳米涂层具有优异的抗水蚀性能,可以作为汽轮机末级叶片抗水蚀用涂层。

不同形状喷嘴的高压水射流冲击力特性实验

高压水射流的柔性冲击力是评判其能否有效破碎物料的力学判据,喷嘴的出口形状对射流的冲击力影响较大。设计了5种不同形状的喷嘴,在自主设计的水射流冲击测试平台上开展了冲击实验,并采用PVDF压电薄膜传感器和高速摄像机来记录测试数据。实验结果表明:在相同的工况下,圆形喷嘴水射流的集束性最好,冲击诱导的冲击波对流体的扩散形态影响最大,最终导致其中心冲击压力最大;依次是正方向喷嘴、三角形喷嘴与十字形喷嘴,椭圆形喷嘴的水射流形态最为发散,其中心冲击压力最小;所有喷嘴形状水射流的峰值压力均随系统泵压的增加呈现非线性增加的趋势,而峰值压力持续时间几乎保持不变。