基于PIV技术的磨料水射流中固体磨料粒子速度分布实验研究

为了解决磨料射流磨料速度测试难问题,本文基于PIV技术,结合图像处理与滤波分析技术,提出了一种测量磨料射流磨料速度的非接触式测试方法。该方法能同时得出磨料速度以及磨料在射流中的位置信息。利用该方法对磨料射流进行磨料速度测试实验,实验结果表明：(1)利用该方法能快速地得到磨料射流中磨料速度;(2)利用该方法得到了磨料在喷嘴出口沿射流方向的速度变化规律,即磨料在喷嘴出口速度先增大后减小,存在速度最大处,意味着磨料射流存在最优靶距;(3)利用该方法得到了磨料沿射流径向的速度变化规律,磨料在射流中心速度最大,其速度从射流中心往射流边界方向逐渐减小,呈现出钟形速度分布。     

增压式脉冲水射流破碎硬岩性能研究

为进一步提高脉冲水射流破岩能力,提出了一种增压式脉冲水射流发生方法,以低输入压力获取高脉动压力。为检验增压式脉冲水射流的破碎硬岩性能,搭建了增压式脉冲水射流破碎硬岩试验系统,开展破岩试验,并结合数值模拟获取的流场细节信息,分析了不同喷嘴直径、射流压力、靶距对增压式脉冲水射流破碎硬岩性能的影响规律。结果表明：增压式脉冲水射流的破碎硬岩性能随喷嘴直径增加先增大后减弱;随射流压力升高,射流轴心速度增大,但因气、液能量交换加剧导致的能量损耗增加,当前试验条件下射流压力为60 MPa时破岩效果最好;破碎体积在100 mm靶距达到峰值,而最大破碎深度对应的最优靶距为25 mm和75 mm,逐渐向喷嘴回移。研究结果对推动增压式脉冲水射流工程应用具有重要指导意义。     

数控水刀在石材切割中的应用研究

数控水刀装置系统,可以广泛地应用于各种金属和非金属材料的切割加工,而且能够实现机械切割设备难以实现的特种曲线加工,特别是其人机交互性能良好、工作压力和切割比能耗较低、整套系统成本低廉等优点,在石材切割加工方面具有很好的应用发展前景。     

页岩吸附二氧化碳变形特性试验研究

选取四川省宜宾市下志留统龙马溪组页岩,基于自主研发的“高温高压页岩吸附膨胀仪”,开展了恒温条件下页岩吸附不同压力CO2的变形试验,以此探讨页岩吸附CO2的变形规律。试验结果表明：页岩吸附CO2的变形以膨胀变形为主,随CO2压力的增加,页岩膨胀变形量呈现先增大后减小的变化规律,在不同CO2压力作用下页岩的膨胀变形可以用超临界DR(SDR)模型的形式进行描述;页岩在不同压力CO2的作用下具有相似的变化趋势,即变形均经历以下三个变形阶段：1）短暂压缩阶段、2）缓慢膨胀阶段、3）变形稳定阶段;页岩吸附变形体现出明显的方向性,即垂直层理比平行层理的变形量大。     

基于SPH-FEM耦合算法的磨料水射流破岩数值模拟

磨料水射流破岩是一个涉及诸多因素的非线性冲击动力学问题。针对磨料水射流破岩过程的复杂性以及有限元分析法在处理超大变形问题时存在的网格畸变问题,基于光滑粒子(SPH)耦合有限元(FEM)的方法模拟了磨料水射流破岩过程,并结合模拟结果分析了在磨料浓度30%不同速度磨料水射流作用下岩石的损伤范围。其中磨料水射流采用SPH算法模拟,并通过修改关键字文件实现水与磨料两种不同组分,岩石采用H-J-C累计损伤模型。研究表明:岩石冲蚀坑首先成漏斗状,随着冲蚀坑不断加深,最终形成"V"形剖面和圆形截面组成的"子弹"体;损伤值由冲蚀坑沿径向方向向外急剧减少,岩石的损伤半径与冲蚀坑半径随着射流速度减小而减小,两者之比在1.8-2.2之间。计算结果与相关文献基本吻合,为研究磨料水射流破岩提供一种研究的方法。     

超临界二氧化碳射流冲蚀页岩实验研究

 超临界二氧化碳射流破碎页岩是一种极具前景的页岩气钻采方法。选取渝东南露头龙马溪组页岩,基于超临界二氧化碳射流破岩试验平台,开展不同冲击压力的超临界二氧化碳射流冲蚀页岩实验;采用CT、SEM/EDX、XRD、XRF等技术研究冲蚀前后页岩试样的变化规律。研究表明：(1) 所选页岩具有低孔、高黏土含量和层理平行发育等特性;(2) 超临界二氧化碳射流冲蚀后,页岩端面呈网格化破碎,整体呈大体积层状破碎;(3) 超临界二氧化碳对页岩矿物具有腐蚀作用,导致页岩微观结构发生改变,降低了页岩的物理力学特性,有助于射流破岩。     

石门揭煤钻孔布置优化分析及应用

为优化突出煤层石门揭煤钻孔布置,在理论分析射流割缝影响半径的基础上,提出基于高压脉冲水射流割缝技术的钻孔布置的新工艺。在理论分析圆形紊动射流结构的基础上,研究了射流冲击破碎煤体时射流速度分布,基于动量守恒定律得出射流作用于煤体的应力分布。并选取重庆某煤矿K1煤层煤体制作原煤煤样进行孔隙率测试和单轴压缩实验,得出煤体的初始损伤和煤体力学参数,基于损伤力学对煤体发生损伤破坏的门槛值进行了计算,得出射流冲击煤体的最大深度和钻孔切缝后影响半径,并应用于重庆某煤矿+175N2号石门揭煤工程。应用结果:钻孔数量减少32个,减少钻尺718.4 m,钻进工程量减少35.7%。     

空化水射流声震效应促进瓦斯解吸实验的规律及机理研究

针对我国大部分煤层瓦斯高吸附、压力高、渗透率低、难于抽采,易造成瓦斯灾害事故等难题,提出了利用空化水射流声震效应促进煤层瓦斯解吸的新思路。研究了空化水射流液-气相变规律及声震效应促进瓦斯解吸的机理,通过改变泵压围压获得不同空化数条件下,空化水射流空化声震规律：气穴溃灭时声震效应振动的频段很宽,集中在2 000~10 000 Hz,振动在5 400~6 800 Hz 出现了一段振动频率的峰值,说明在此范围内溃灭的气泡更加集中;通过改变不同空化数,获得空化水射流声震效应对煤层瓦斯解吸具有促进作用,与未加空化效应的煤样解吸相比,当施加空化数为0.020 0（泵压15 MPa,围压0.3 MPa）的空化声震时,煤样解吸时间缩短19.6%,解吸量增加36.9%     

页岩超临界CO2压裂起裂压力与裂缝形态试验研究

我国页岩气储层普遍黏土含量高,且多富集于缺水地区,超临界CO2(SC-CO2)因具有低黏度、低表面张力及对储层无伤害的特性,有望成为一种新型无水压裂方法。采用页岩露头与砂岩开展了真三轴SC-CO2与水力压裂对比试验,结合工业CT扫描分析裂缝形态,并研究了温度对起裂压力的影响。结果表明:SC-CO2压裂页岩时较水力压裂的起裂压力低约50.9%,压裂砂岩时起裂压力低约57.1%;相比水力压裂,SC-CO2压裂升压过程中,由于CO2的压缩性,增压速率较慢,由于页岩本身的层理特征,页岩SC-CO2压裂有多次起裂的现象,更易形成复杂的裂缝;随着温度的升高,SC-CO2压裂起裂压力呈下降趋势;CT断面扫描显示超临界CO2压裂页岩时更容易形成多条网络化裂缝,达到类似体积压裂的效果。     

磨料射流破碎岩石的性能研究

磨料射流在切割破碎岩石时,将产生比纯水连续射流巨大的冲击力。从固液两相流特点出发,对高压磨料射流破碎岩石的机理进行了分析与实验研究。得出岩石在受到磨料射流的冲击下,磨粒与水体对岩石的冲击压力与岩石在水介质作用下力学特性的变化共同促使了岩石的破坏。岩石破坏时最大剪应力位于0．5倍喷嘴直径的径向距离处,同时在固体介质表面边缘产生最大拉应力。该研究从理论与实验上为磨料射流破碎岩石奠定了理论基础。