射流速度对水射流破岩影响效果数值试验研究

水射流破岩技术在许多工程领域有着广泛的应用,但是其破岩效率影响因素众多,作用机理复杂。通过建立水射流数值模型,运用动态非线性有限元法,基于ＡＮＳＹＳ／ＬＳ－ＤＹＮＡ进行不同井深条件下射流速度对岩石破坏效率影响研究,结果表明:射流速度对高压水射流破岩的影响较大,水射流冲击岩石在接触部位附近形成应力集中,岩石的塑性应变围绕射流孔径大致呈对称变化规律,随着射流速度增加,破岩深度迅速增加,两者呈线性关系增长。     

基于数值模拟的多孔水射流破岩效率影响研究

高压水射流破岩是油气资源领域一个重要的技术，由于其破岩效率影响因素众多，研究手段受限，导致很难揭示其破岩机理。本文从数值模拟出发，运用动态非线性有限元法，基于ＡＮＳＹＳ／ＬＳ-ＤＹＮＡ进行不同井深条件下不同射流束数对破岩效率的影响研究。结果发现:水射流冲击砂岩首先在接触部位附近形成应力集中，整个冲击过程中，应力变化区域形状基本保持不变，应力最大值区域对称分布；多孔射流之间的间距对破岩深度的影响较大，适宜的射流间距可以提高破岩效率。     

破岩机械垂直破岩力的设定理论研究

通过盘形滚刀侵入岩石的压痕试验得出岩石的跃进破碎参数。基于这些破碎参数建立破岩机械器具的垂直推力的预测公式及破岩机械工作点的设定理论，提高了刀具垂直破岩力预测的精确性，同时为减轻破岩机械的振动、噪音、粉尘的产生及破岩刀具的磨损提供了理论基础。     

炮孔水耦合装药爆破孔壁冲击压力研究

初步探讨了炮孔水耦合装药爆破时，耦合水中爆炸冲击波的形成和传播，求算了冲击波的初始参数和孔壁处冲击波参数；应用弹性理论和波动理论推导出了正入射情况下孔壁岩面上的冲击压力，并与同样装药和岩石条件下空气不耦合装药爆破时的孔壁压力进行了比较，结果证明：炮孔水耦合装药比空气不耦合装药爆更能提高爆炸能量利用率。增强破岩能力。     

刀具破岩机制研究现状及发展趋势

在分析大量文献的基础上,从理论模型、物理试验和数值模拟三个方面,对近些年国内外刀具破岩规律研究进展情况进行归纳和总结,并对各种研究方法的适用性、优缺点进行了评述,侧重论述了数值模拟研究进展,探讨了当前研究热点问题,包括节理岩体中的破岩规律、开裂准则、动力破岩和三维数值模拟研究等。总体来看,有关刀具破岩机理的研究取得了长足进展,尤其是数值计算从不同层次上揭示了刀具破岩机制,包括滚刀作用下岩石裂纹扩展规律、滚刀与岩石的相互作用力学模型、材料力学参数、滚刀作用方式、围岩地应力以及刀具几何参数等因素对破岩效率的影响,数值计算方法极大地促进了刀具破岩规律的深入研究;最后总结了当前刀具破岩受力模型、动态加载与三维模拟等面临的挑战问题。     

TBM滚刀破岩机理与影响因素数值模拟研究

为研究全断面岩石掘进机(TBM)滚刀破岩机理与破岩效果影响因素,采用颗粒流程序(PFC)建立滚刀破岩模型,通过单轴压缩与巴西劈裂试验结果,标定PFC程序参数,模拟滚刀破岩过程并对岩石强度、围压等破岩效果影响进行研究分析。结果表明:滚刀破岩历经前期压密、中期挤压剪切、后期挤压张拉破坏的组合破岩模式,整个破岩过程中滚刀出现反复加-卸荷交替及跃进破岩现象。岩石强度过高难以产生径向裂纹、强度过低侧向裂纹扩展不明显,破岩效果均不佳,TBM滚刀只对于中等强度范围内岩石较为合适。围压影响裂纹生成与扩展,较高时将抑制径向裂纹发育,降低破岩整体效果。研究成果可为TBM选型及滚刀设计提供一定参考。     

高应力条件下TBM破岩岩渣块度分布规律研究

TBM掘进过程产生的岩石渣料包含丰富的地质信息,为研究地应力对TBM掘进过程产生的岩石渣料的影响,采用PFC2D建立了围压条件下的滚刀破岩模型,提取并分析破岩产生的岩石碎片。数值模拟结果表明：TBM滚刀掘进过程主要产生扁平形岩石碎片。在一定范围内,随着围压增加,岩石碎片的平均粒径呈“W”形变化,并且小粒径碎片的含量增加,但围压较高(>30 MPa)时,反而更容易形成较大粒径的岩石碎片。     

顶管施工坚硬岩层非爆破破岩掘进技术应用

针对复杂地质条件下,顶管施工在遇到岩石、硬土等坚固物块时采用何种方式破岩掘进这一问题,为合理选择破岩方式,根据滇池外海北部水体置换通道改造工程的实际施工情况,分析非爆破掘进技术在小断面水文与工程地质特殊以及周边环境复杂、施工减振(噪)要求高等条件下的适用性。经过对比,最终确定了在无水施工段和有水工作段分别采用静态破碎法、劈裂法作为顶管施工坚硬岩层的非爆破破岩方法。无水段采用采用静态破碎法破岩施工时,根据断面情况提出水平布孔和环形布孔两种方式,相邻孔距为40 cm,排(环)距为50 cm,孔径42 mm;含水段采用劈裂法施工时,全断面采用同静态破碎法工艺相同的环形布孔方式,若断面为复合断面,则应在断面正底部150°范围内钻孔取临空面后,沿临空面向上逐排布孔,孔径100 mm。工程实践表明:静态破碎法在无水工作面岩石掘进效果较好,掘进速率为8.5 m/d;在有水工作面因破碎剂失效,应采用劈裂法破岩,劈裂法破岩速率为10.5 m/d;静态破碎法有利于掘进断面控制,而与静态破碎法相比,劈裂法具有适应性强、掘进速度快等优点。该工程的顺利实施为今后类似条件下小断面顶管硬岩非爆破破岩掘进施工提供了有益的借鉴。     

顶管施工坚硬岩层非爆破破岩掘进技术应用

针对复杂地质条件下,顶管施工在遇到岩石、硬土等坚固物块时采用何种方式破岩掘进这一问题,为合理选择破岩方式,根据滇池外海北部水体置换通道改造工程的实际施工情况,分析非爆破掘进技术在小断面水文与工程地质特殊以及周边环境复杂、施工减振(噪)要求高等条件下的适用性。经过对比,最终确定了在无水施工段和有水工作段分别采用静态破碎法、劈裂法作为顶管施工坚硬岩层的非爆破破岩方法。无水段采用采用静态破碎法破岩施工时,根据断面情况提出水平布孔和环形布孔两种方式,相邻孔距为40 cm,排(环)距为50 cm,孔径42 mm;含水段采用劈裂法施工时,全断面采用同静态破碎法工艺相同的环形布孔方式,若断面为复合断面,则应在断面正底部150°范围内钻孔取临空面后,沿临空面向上逐排布孔,孔径100 mm。工程实践表明:静态破碎法在无水工作面岩石掘进效果较好,掘进速率为8.5 m/d;在有水工作面因破碎剂失效,应采用劈裂法破岩,劈裂法破岩速率为10.5 m/d;静态破碎法有利于掘进断面控制,而与静态破碎法相比,劈裂法具有适应性强、掘进速度快等优点。该工程的顺利实施为今后类似条件下小断面顶管硬岩非爆破破岩掘进施工提供了有益的借鉴。     

球状药包应力波叠加过程的破岩特性

为分析非同源炸药包起爆后应力波叠加过程的破岩特性,以同时起爆相同球状药包为对象建立物理模型,根据所定义的破岩角β分析爆炸应力波叠加后的应力状态并构建斜交叠加的峰值应力变化函数,在此基础上利用LS-DYNA软件进行等效数值模型验证,对所建立的数值模型提取一系列监测单元,结果表明:依据应力函数得出了球状药包间爆炸应力波叠加时易产生破坏的应力交角β范围在arctan λ≤β<90°内(λ为侧压应力系数);通过观测不同监测单元对应爆炸应力峰值的变化趋势发现与所建立的理论峰值应力函数模型变化趋势基本吻合,证明所总结球状药包产生的爆炸应力波叠加过程破岩规律特性与理论规律效果相符合。研究成果可为采用球状药包的破岩工程提供理论参考和依据。     

静止浅水环境中水平圆形浮力射流稳定性的数值研究

给出描述考虑浮力效应的热污水水平圆形浮力射流的数学模型，采用Balasubra-manian等（1978）的实验资料进行检验，计算结果和实验资料的吻合证明了模型和方法的有效性。在此基础上给出静止环境中水平圆形浮力射流稳定性的条件和表面最小稀释度的经验公式。     

Progress in numerical simulation of cavitating water jets

This paper reviews recent progress made toward modeling of cavitation and numerical simulation of cavitating water jets. Properties of existing cavitation models are discussed and a compressible mixture flow method for the numerical simulation of highspeed water jets accompanied by intensive cavitation is introduced. Two-phase fluids media of cavitating flow are treated as a homogeneous bubbly mixture and the mean flow is computed by solving Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) equations for compressible fluid. The intensity of cavitation is evaluated by the gas volume fraction, which is governed by the compressibility of bubble-liquid mixture corresponding to the status of mean flow field. Numerical results of cavitating water jet issuing from an orifice nozzle are presented and its applicability to intensively cavitating jets is demonstrated. However, the effect of impact pressure caused by collapsing of bubbles is neglected, and effectively coupling of the present compressible mixture flow method with the dynamics of bubbles remains to be a challenge.     

小石峡水电站溢洪道消力池结构优化的三维数值模拟

以新疆小石峡水电站为例,采用FLUENT软件、RNGk-ε紊流模型及VOF方法相结合处理了自由水面,并对溢洪道的流场进行了三维数值模拟,得到了优化溢洪道在设计流量1 856.2 m3/s时的泄流流态,并将消力池段自由水面线、底板压强、断面流速与模型试验结果进行了比较,结果表明数值模拟结果与模型试验结果吻合较好。     

NUMERICAL SIMULATION OF ROCK BREAKING MECHANISM WITH HIGH-PRESSURE WATER JET

Based on the analysis of experimental results.the rock damage model and the damage coupling model suitable for the whole rock breaking process with water jet were established with continuous damage mechanics and micro damage mechanics, and the numerical method was developed with continuum mechanics and the FEM theory. The rock breaking mechanism with water jet was studied systematically with numerical simulation for the first time in the field of water-jet rock breaking. The numerical results agree with the experimental ones which shows that the presented method is reasonable and can reflect the reality of water-jet rock breaking. The conclusion can be applied in practice.     

岩塞爆破工程水锤压力计算及防护措施

为研究水利工程取水口发生岩塞爆破后有压管道产生的水锤压力变化规律,基于水力计算的特征线法、一维瞬变流理论及实际爆破的工作原理,结合管道安全控制的要求建立了某水利工程取水口发生岩塞爆破的数学模型。数值仿真计算结果表明:爆破后有压管道内压力波动极大,负压在汽化压力之下,极易发生弥合水锤事故,需要增设水锤防护措施以确保管道的安全;加大通风竖井面积可以有效减小水锤压力极值,通风竖井面积越大,管道压力越小,当竖井直径加大到10.0 m时负压值满足要求。     

流量对事故闸门门体水力荷载影响数值模拟研究

抽水蓄能电站事故闸门动水闭门可靠性及门体水力荷载特性一直是闸门设计和运行中的核心问题,本文通过数值模拟,对响水涧抽水蓄能电站上库进水口事故闸门在不同事故流量工况下动水闭门过程的门体水力荷载进行研究,并与模型试验结果进行比较分析,相同事故工况的数值计算成果和模型试验成果吻合较好,表明采用RNG k~ε模型和VOF方法对平面闸门动水关闭的非恒定流过程进行数值模拟能够取得较好的结果。数值模拟计算结果表明流道的过流量对事故闸门门体水力荷载影响显著,初始事故流量越大,闸门动水关闭过程中闸门区满流向明流过渡时刻的闸门相对开度越大,闸门上游底缘上托力越小,事故闸门动水闭门的持住力相应越大。事故流量由151 m~3/s增大至800 m~3/s时,闭门持住力增大约20%。计算分析结果可为相关闸门的设计和运行提供参考。     

Numerical simulation of the internal wave propagation in continuously densitystratified ocean

A numerical model is proposed to simulate the internal wave propagation in a continuously density-stratified ocean, and in the model, the momentum equations are derived from the Euler equations on the basis of the Boussinesq approximation. The governing equations, including the continuity equation and the momentum equations, are discretized with the finite volume method. The advection terms are treated with the total variation diminishing （TVD） scheme, and the SIMPLE algorithm is employed to solve the discretized governing equations. After the modeling test, the suitable TVD scheme is selected. The SIMPLE algorithm is modified to simplify the calculation process, and it is easily made to adapt to the TVD scheme. The Sommerfeld＇s radiation condition combined with a sponge layer is adopted at the outflow boundary. In the water flume with a constant water depth, the numerical results are compared to the analytical solutions with a good agreement. The numerical simulations are carried out for a wave flume with a submerged dike, and the model results are analyzed in detail. The results show that the present numerical model can effectively simulate the propagation of the internal wave.     

FLOOD DISCHARGE AND ENERGY DISSIPATION BY JETS FROM OUTLETS IN HIGH ARCH DAM

ＢＲＩＥＦＩＮＴＲＯＤＵＣＴＩＯＮＯＦＴＨＥＰＡＰＥＲ :　Ｔｈｉｓｔｈｅｓｉｓｍａｉｎｌｙｒｅｓｅａｒｃｈｅｓ (1)ｏｎｔｈｅｄｉｆｆｕｓｉｏｎｏｆａｎａｅｒａｔｅｄｊｅｔｉｎｔｈｅｗａｔｅｒｃｕｓｈｉｏｎ ｐｏｏｌ,(2 )ｏｎｔｈｅｌｏｃａｌｒｉｖｅｒｂｅｄｓｃｏｕｒ ,ａｎｄ (3)ｏｎｔｈｅｓｔａｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｉｎｖｅｒｔｅｄａｒｃｈｃｕｓｈｉｏｎ ｐｏｏｌａｎｄｔｈｅｆｌａｔ ｂｏｔｔｏｍｅｄｏｎｅｕｎｄｅｒｔｈｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎｏｆｔｈｅｌａｒｇｅｄｉｓｃｈａｒｇｅａｎｄｈｉｇｈｗａｔｅｒ…     

猴子岩水电站深孔泄洪洞水力学试验及数值模拟

深孔泄洪洞是猴子岩水电站4套泄洪设施之一,其落差超过100m,洞内泄流流速最大可达22.5m/s,有高水头大流速这一特点。本文采用双方程紊流模型及基于水气两相流的VOF方法,对猴子岩深孔泄洪洞有压洞弯段及无压洞段的多种水力学要素进行三维数值模拟。数值模拟结果与1:25单体模型试验数据对比表明,采用该紊流模型与数值计算方法,能够很好地模拟这种高水头、大流量且带有自由表面的掺气水流的水力特性。计算模拟出的多种水力特性,从变化趋势到数值精度可满足水工设计的要求。     

聚焦波浪与直立圆柱作用的数值模拟

基于Fluent平台建立了可用于波浪传播模拟的数值计算水槽,利用不同波浪参数的线性规则波模拟分析了网格尺度L/Δx对产生波浪质量的影响,确定数值水槽的网格划分尺度,并验证了阻尼消波的有效性。在此基础上,用模拟频谱的方法对聚焦波浪的传播进行了数值模拟,通过数值模拟与物理试验不同位置处的聚焦波波面和聚焦点下水质点速度时间过程线对比,验证了模拟频谱方法数值计算的有效性。进一步对聚焦波浪与直立圆柱的作用进行了数值模拟,数值模拟聚焦波面过程、聚焦波浪水质点速度、圆柱周围波浪波动过程、圆柱上所受的波压力等,并与试验结果进行了对比,数值计算结果与试验结果吻合很好,验证了所建立的数值水槽的有效性。对聚焦波波面和压力特征值进行了误差分析,并分析了误差的产生原因,为进一步研究聚焦波浪与工程结构物的作用奠定基础。