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高压水射流破岩能量耗散与释放机制刘勇;陈长江;刘笑天;魏建平;王登科【摘要】If the criterion of rock breakage with high pressure water jets is developed based on stress-strain,the precision of the criterion depends on the function type of yield stress.And the precision is not high enough for rock breakage with high pressure water jets,because of being lack of critical rock parameters.But if the criterion is developed based on energy,its precision will be high enough and its applicability will be general.The paper studied the mechanism of rock breakage with high pressure water based on energy dissipation and release.The kinetic energy of potential core area and boundary layer was calculated based on the velocity distribution of free jet,and then the kinetic energy calculation model of high pressure water jets was developed.The rock breakage energy of high pressure water jets represented the formation of erosion pit and volumetric fracture of rock.Part of energy dissipated fracture propagation and slip plane.And part of energy reserved as elastic potential energy in rock,which leaded to the volumetric fracture of rock.According to the unified energy yield criterion of rock,the energy criterion of rock breakage with high pressure water jet was developed.The primary rock parameters of sandstone,limestone and granite were tested by uniaxial compression experiment.Then the shear strain energy and volumetric energy of three type rocks can be calculated respectively.So,the critical speed of high pressure water jets can be figured out.According to theexperimental results of rock breakage,the energy criterion of rock breakage with high pressure water jet was amendment,combining with the discharge coefficient of nozzle.The amended criterion was more precise for coal breakage with high pressure water jets.And the failure mode of rock proved that the energy criterion was more suitable for the mechanism of coal breakage with high pressure water jets.%从应力-应变角度建立的高压水射流破岩准则,其精确度取决于对屈服应力的表述,由于表达式中不合材料参数,不能精确计算高压水射流破岩参数,而从能量角度建立的岩石强度理论具有更好的适用性和准确性.开展了基于能量耗散和释放机制的高压水射流破岩机理,理论研究了自由射流段速度分布特征,分别计算了等速核区和射流边界层扩展区动能,建立了不同靶距处射流动能计算模型.高压水射流冲击破岩能量表征为冲蚀坑的形成和岩体的体积破坏;射流能量耗散于剪切面的扩展和滑动,储存弹性势能的释放导致岩体的整体体积破坏.根据岩石的统一能量屈服准则,建立了高压水射流破岩能量准则.通过砂岩、灰岩和花岗岩的单轴压缩应力-应变曲线得出3种岩石的材料参数,计算每种岩石的剪切应变能和体积应变能,得出射流破岩临界速度.根据高压水射流冲击破岩实验结果修正了考虑喷嘴流量系数的高压水射流破岩能量准则,该准则能够较为精确的计算射流破岩速度.且岩体的破坏形态证明从能量角度研究破岩机理更为适合.【期刊名称】《煤炭学报》【年(卷),期】2017(042)010【总页数】7页(P2609-2615)【关键词】水射流;破岩;岩石强度准则;能量屈服准则;射流速度【作者】刘勇;陈长江;刘笑天;魏建平;王登科【作者单位】河南理工大学瓦斯地质与瓦斯治理国家重点实验室培育基地,河南焦作454000;煤炭安全生产河南省协同创新中心,河南焦作454000;河南理工大学瓦斯地质与瓦斯治理国家重点实验室培育基地,河南焦作454000;煤炭安全生产河南省协同创新中心,河南焦作454000;河南理工大学安全技术培训学院,河南焦作454000;河南理工大学瓦斯地质与瓦斯治理国家重点实验室培育基地,河南焦作454000;煤炭安全生产河南省协同创新中心,河南焦作454000;河南理工大学瓦斯地质与瓦斯治理国家重点实验室培育基地,河南焦作454000;煤炭安全生产河南省协同创新中心,河南焦作454000【正文语种】中文【中图分类】TD311水射流被广泛应用于石油、煤矿等领域，主要用于煤岩的破碎。
doi：10.11832/j.issn.1000-4858.2020.11.013高压水射流数值模拟研究及冲击载荷分析袁聪1,张培铭2,宋锦春3(1.肇庆学院机械与汽车工程学院，广东肇庆526061；2.广西机械工业研究院有限责任公司，广西南宁530000；3.东北大学机械工程与自动化学院，辽宁沈阳110819)摘要：针对不同工况的高压喷射流，利用VOF算法基于OpenFOAM开源平台开展流场模拟研究。
模拟结果显示，当压差为10MPa时，液核结构始终保持光滑的圆柱状轮廓，未发生雾化现象，靶件表面的压力分布及总打击力总体较为平稳；压差为30,50MPa的工况均存在明显的一次雾化现象，液核表面形成坑洼不平的形貌特征，并产生众多小液滴散布于液核四周，喷雾锥角分别为1.2°和1.6。
，广泛存在的压力波证实喷射流存在跨音速流动现象，在喷口出口处产生数量巨大的漩涡结构，靶件表面的压力分布变化剧烈，产生瞬时压力峰值，分别高达32.5,54.5MPa，总打击力具有较大的波动趋势，其标准差为0.136和0.517。
研究表明，雾化现象导致靶件表面的压力分布剧烈波动，诱发瞬时压力峰值并使总打击力剧烈波动，从而能够提升高压清洗效果。
关键词：高压喷射；雾化；高压清洗；OpenFOAM中图分类号:TH137文献标志码：B文章编号：1000-4858(2020)11-0081-06Numerical Study on High-pressure Water-jet and Analysis of theInduced Impinging LoadYUAN Cong1,ZHANG Pei-ming2,SONG Jin-chun3(1.Colleee oO Mechanical and Automotive Engineering,Zhaoqing University,Zhaoqing,Guangdong526061；2.Guangxi Research Institute of Mechanical Industry Co.,Ltd.,Nanning,Guangxi530000；3.School of Mechanical Engineering and Automation,Northeastern University,Shenyang,Liaoning110819)Abstract:The mathematical model foe tuo-phase jet flows is decved based on VOF agorithm,foe the sake of establishing a numeccal solves on OpenFOAM opencourca platform.And a simulation study is performed foe the high-pressure jet flow with vecous operating canditions.According I o simulation,operating candition with pressure drop of10MPa is featured with a smooth surfaca of liquid core withoui atomization phenomenon,and the time veeation in pressure distriOution o n inipinging object or the total impinging forca is insignimcanU The pymara atomization io operation condition with pressure drop of30,50MPa produces a winkled surfaca on the liquid care and scattered liquid droplets.The spray angle is 1.2°and 1.6°,respectively.The consecutive pressure wave ondoaaisih7oneole7m7niooieansonoaolowphysoas,and anumb7eooeoeiisieuaiuesae7aeaid aiih7downsieam oonoae ouiei.Th7pe sue dosieobuioon on ih7ompongongobeai7ihoboisashaep eaeoaioon,woih pe7sue7p7ak up to32.5,54.5MPa,respectively.The total irnpinging forca fluctuates severely,with a standard deviation of0.13收稿日期：2020-5-19基金项目：国家自然科学基金(51975511)；广东省基础与应用基础研究基金(2019A1515110844)；广东省普通高校青年创新人才项目(2019KQNCX175)作者简介:袁聪(1987—),男，广东清远人，讲师，博士，主要研究方向为空化射流’and0.51,respectively.The results show that atomization contributes to the strong temporal variation of pressure distribution on impinging object,responsible foa the generation of instantaneous pressure peaks,which show potential improvement in cleening efficbncy.Key words:high-pressure set,atomization,high-pressure cleening,OpenFOAM引言近年来,随着流体控制技术的发展,高压喷射流在各种除垢除锈的清洗场合的应用变得愈加普遍'高压喷射清洗设备普遍涉及狭小的节流喷嘴，高压流体经过喷嘴产生高速射流，并对喷嘴出口外的物体产生动态负载，冲刷物体表面的结垢或锈迹。
46 2021.05高压水射流技术的发展与应用林志立 卢钱杰 易新华 程晓民（宁波工程学院机械工程学院）高压水射流技术是利用增压设备，将液体压缩后经喷嘴高速喷出，形成高能量的微细射流的清洗技术。
本文介绍了各种高压水射流及其在切割、清洗除锈等领域的应用情况，展望了高压水射流技术的发展趋势，对探索高压水射流技术的机理与应用研究具有重要的借鉴意义。
1 高压水射流的分类与工作原理按水射流的技术特征可以分成：1）纯水射流纯水射流以纯水为能量介质，不加入磨粒等物质，借助高速射流的冲击能量进行清洗、切割等，主要用于金属板材、岩石、食品、橡胶、木头、皮革、碳纤维复新技术新产品New T echnique and Product合材料等物质的加工。
2）磨料射流将固体磨粒加入纯水射流中，可以有效改善水射流的切割、破碎效果。
固体磨粒将纯水射流的水介质的滞止动态冲击转变成磨粒的动态冲击，提高了高压冲击介质的磨削能力和冲击能力，相比纯水射流，磨料射流的切割效果获得极大的改善。
3）空化射流空化射流利用“汽蚀”原理，水射流从喷嘴喷射出时含有空气的空泡，调整好喷嘴与加工表面的距离，使空泡在这个距离中持续存在，空泡浮着加工材料的表面，在射流冲击压力作业下破灭，汽蚀加工材料的表面，从而实现清洗、破碎加工材料表面的作用。
空化射流的清洗效果优于普通的纯水射流，用于航空航天器、核反应堆等清洗。
4）脉冲射流脉冲射流是一种非连续射流，利用专用设备，将动力源的能量传递给水，获得能量的水经过喷嘴射出，形似炮弹一样的小水团，打击在靶体上，切割、破碎目标材料。
实际上，脉冲射流利用水锤原理，提高射流的打击能力，促使材料的裂纹快速扩散，其冲击力远大于连续纯水射流的迟滞力，从而提高了脉冲射流的加工能力。
2 高压水射流的发展与应用1）水射流清洗水射流清洗可以用于人工或化学难易去除的油污、水垢、锈层、涂层、混凝土等清洗，相比传统的人工、机械或化学清洗，具备清洁效率较高、污染较少、经济性较好、不易损伤新技术新产品New T echnique and Product本体、便于自动控制等优势，不仅可用于清洗结构形状复杂的部件，而且可以在空间环境复杂、恶劣的地方开展清洗作业。
高压水射流技术第一篇：高压水射流技术是一种高效的清洗和切割工艺，它广泛应用于各种领域，如制造业、建筑工程和环保等。
本文将会介绍高压水射流技术的基本概念、分类和应用领域。
一、基本概念高压水射流技术是一种利用高压水射流对物体进行清洗、切割和处理的方法。
利用高压水射流技术，可以将水加压到几千到几万磅的压力，形成一个高速的水柱，具有极强的动能和热能，可以将物体表面的污渍、油污、腐蚀层和砂砾等物质完全清除，同时也可以切割金属、混凝土和石材等硬材料。
高压水射流技术的原理是通过高压泵将水增压，然后将增压后的水通过射流嘴喷出，在低压环境中形成一个高速的水柱，穿过空气和涂层，将表面的物质完全清除或切割。
高压水射流技术可以根据需要调整水的压力和流量，适用于多种清洗和切割工艺。
二、分类按照水的压力和流量，高压水射流技术可以分为多种类型，如下所示：1. 超高压水射流技术：超高压水射流技术是指水压在20,000-40,000磅的范围内，流量在3-8升/分钟的高压水射流技术。
超高压水射流技术可以用于切割钢、复合材料、岩石、石材和混凝土等硬材料。
2. 高压水射流技术：高压水射流技术是指水压在5,000-20,000磅的范围内，流量在3-30升/分钟的高压水射流技术。
高压水射流技术可以用于清洗外墙、管道、锅炉和船舶等设备。
3. 中压水射流技术：中压水射流技术是指水压在1,000-5,000磅的范围内，流量在30-100升/分钟的高压水射流技术。
中压水射流技术可以用于清洗地面、墙壁和设备表面等。
4. 低压水射流技术：低压水射流技术是指水压在1,000磅以下范围内，流量在100升/分钟以上的高压水射流技术。
低压水射流技术可以用于清洗各种设备、建筑物、地面和路面等。
三、应用领域高压水射流技术有广泛的应用领域，如下所示：1. 制造业：高压水射流技术可以用于切割和加工各种硬材料，如金属、石材、混凝土、水泥等，以达到精准的加工目的。
2. 建筑工程：高压水射流技术可以用于清洗建筑物外墙、墙壁、玻璃幕墙、天窗、钢结构及各种管路设备等。
射流器工作原理引言概述：射流器是一种常见的流体传动设备，主要用于将高速流动的流体转化为高压或高温的射流。
射流器的工作原理涉及流体力学和热力学等领域，下面将详细介绍射流器的工作原理。
一、射流器的基本原理1.1 气体动力学原理：射流器通过将流体加速到超音速，利用气体动力学原理实现流体的压力增加。
当流体通过射流器的收缩部分，速度增加，压力降低，然后通过扩张部分，速度减小，压力增加。
这种速度和压力的变化使得射流器能够产生高压射流。
1.2 能量守恒原理：射流器工作过程中，能量守恒是一个重要的原理。
射流器将流体的动能转化为压力能，实现了能量的转换。
当流体通过射流器的收缩部分，速度增加，动能增加，压力降低；当流体通过扩张部分，速度减小，动能减小，压力增加。
这种能量转换使得射流器能够产生高压射流。
1.3 流体静力学原理：射流器的工作原理还涉及流体静力学原理。
通过射流器的收缩和扩张部分，流体的速度和压力发生变化，从而使得流体的静压力也发生变化。
静压力的变化与速度和压力的变化相对应，从而实现了高压射流的产生。
二、射流器的结构和工作过程2.1 结构：射流器一般由收缩段、扩张段和喉管组成。
收缩段用于加速流体，扩张段用于减速流体，喉管是收缩段和扩张段之间的连接部分。
射流器的结构设计要合理，以实现最佳的工作效果。
2.2 工作过程：射流器的工作过程包括压缩、加速和扩张三个阶段。
首先，流体进入射流器的收缩段，由于收缩段的减小截面积，流体的速度增加，压力降低。
然后，流体通过喉管进入扩张段，由于扩张段的增大截面积，流体的速度减小，压力增加。
最后，流体以高速射流的形式喷出，形成高压射流。
2.3 影响射流器性能的因素：射流器的性能受多种因素影响，如流体的性质、流量、射流器的结构和工作参数等。
不同的流体和工况条件下，射流器的工作效果会有所不同，因此需要根据具体情况进行设计和选择。
三、射流器的应用领域3.1 喷嘴：射流器广泛应用于喷嘴领域，如火箭发动机喷嘴、喷气式发动机喷嘴等。
高压水枪的流体力学原理高压水枪的流体力学原理是基于流体的连续性方程、动量方程和能量方程来描述的。
首先，连续性方程描述了在一段时间内，流体质量守恒的原理。
在高压水枪中，水通过喷嘴，形成高速射流。
根据连续性方程，射流中单位时间内流过喷嘴截面的水质量必须等于单位时间内流过靶面截面的水质量。
所以，当水从喷嘴中射出时，射流的直径会随着距离喷嘴越远而逐渐扩大，以保持单位时间内通过截面的流体质量不变。
接下来，动量方程描述了流体流动时与外界物体之间的相互作用。
高压水枪中，水在喷嘴内被压力加速，然后在喷嘴口部突然扩散，并以高速射出。
根据牛顿第二定律，流体的动量正比于其质量和速度的乘积。
所以，水在被喷射出来时，由于质量也很大，因此具有较大的动量。
这就是为什么高压水枪可以用来清洗污垢或打击物体的原因。
水喷射出去时，会对污垢或物体施加力，从而清除或击中目标。
最后，能量方程描述了流体在流动过程中能量的转换。
在高压水枪中，当水通过喷嘴时，其动能会由于加速而增加，而压力能则会由于压力的降低而转化为动能。
由于高压水枪中的水是在高压下喷出的，所以具有较高的动能。
这种能量转换可以使高压水枪具有较高的冲击力和清洗效果。
除了以上基本的流体力学原理，还有一些其他因素也会影响高压水枪的性能。
例如，喷嘴的形状和尺寸会影响水流的速度和射流的形状。
当水通过不同形状或尺寸的喷嘴时，其动能和冲击力也会有所不同。
此外，水的压力和流量也会对高压水枪的性能产生影响。
较高的压力可以产生更高的速度和冲击力，而较大的流量可以增加喷射的覆盖范围和清洗效果。
总的来说，高压水枪的流体力学原理是基于流体的连续性方程、动量方程和能量方程来描述的。
通过理解和应用这些原理，可以设计和优化高压水枪的性能，以满足不同的清洗、冲洗和打击等需求。
高压水射流技术任务书第一章高压水射流技术1.1高压水射流清洗技术高压水射流清洗技术的基本概念水射流的结构高压水射流在喷嘴出口处有一个锥形等速流核心区，其中射流轴向动压力及密度基本保持不变，为水射流的初始段。
射流继续发展的部分为基本段，其轴心速度与轴心动压有规律地衰减。
最后在消散段水射流与环境介质完全混合变成水滴与空气的混合物或雾化。
射流各段在工程应用中具有不同的功能，起始段适宜于材料切割，基本段适用于清洗、除锈等，消散部分主要用于降温除尘、大面积地冲刷。
速度核初始段基本段消散段射流打击力水射流打击物体表面的打击力主要体现在射流的压强上，如果压强大于垢物的抗压强度，则垢物即被破坏。
最佳靶距水射流对物体表面的作用力不仅与射流密度、速度有关，而且还与水射流离该表面的距离有关，这是由于水射流的速度、结构随着其喷射距离发生变化，因此水射流冲击物体的作用力也随喷嘴至物体表面的距离（靶距）不断变化，根据实验结果，达到最大打击力的最佳靶距在100倍喷嘴直径左右。
打击力 E=(mv2)/2100倍靶距压力分级高压水射流清洗工作压力选择十分重要，既要考虑在除掉附着物同时不损伤基体表面，还要考虑清洗压力对射流特性的影响，因此驱动压力等级是设计任何水射流工艺系统的主要参数，下面的水射流压力等级是世界水射流界普遍认可的划分方法。
低压0.5-20 MPa中压20-70 MPa高压70-140 MPa超高压 140 MPa以上机械力、热力、化学力水射流的冲击力为机械力，热力可以用加热高压水的方法得到。
机械力、热力与化学力的综合作用即水基清洗。
清洗剂以其润湿、渗透、乳化、分散、泡沫作用而具有极强的清洗作用。
以清洗油污为例，油污用不加清洗剂的低压水难以清洗，一是由于油污与基体之间有粘接力；二是油和水之间存在着表面张力。
清洗剂的润湿、渗透作用，降低了粘接力；分散作用使油污中的碳粉、灰尘、金属细粉末形成的结垢分散成许多微粒；清洗剂泡沫作用，能把裹着油垢脱离物体浮到水表面被射流冲掉。
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。
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。
高压水射流论文总结第1篇一般钻井与牙轮钻头喷嘴之间会有一点距离,但是如果这一距离由于某些原因无限缩小并逐渐达到一定范围的时候,在短时间内钻井井底的实际功率与压力就会快速的上升。
这样一来,相关设计人员就能够根据这一原理, 对牙轮钻井喷嘴不断进行进一步的改进和优化,通过对实际中出现的问题进行研究和分析, 最终得出解决办法,并注重对加长喷嘴牙轮的研究和开发。
在石油工程中使用加长喷嘴牙轮, 能够显著提高工作效率, 同时也加快了工作速度,对其经济效益的增加具有重要的意义[3]。
高压水射流论文总结第2篇总的来说, 目前我国石油行业的发展中水射流技术发挥着重要的作用,有效促进了行业建设发展和进步。
因此,对于目前水射流技术的应用需要加强研究和分析, 并注重研究和探讨其前景展望,促进水射流技术的逐渐成熟, 并提高其技术层次,这对我国科学技术和石油行业的发展都具有重要的意义和作用。
参考文献[1]李根生, 王海柱, 沈忠厚, 田守嶒, 黄中伟,程宇雄.超临界CO2射流在石油工程中应用研究与前景展望[J].中国石油大学学报(自然科学版) , 2013, 05:76~80+87.[2]刘中平, 蔺龙, 艾庆琳, 陈丽.浅论高压水射流技术在油藏工程中的应用[J].化工管理, 2013, 14:29.[3]檀朝东, 陈见成, 刘志海, 王辉萍, 史赞绒,杨若谷.大数据挖掘技术在石油工程的应用前景展望[J].中国石油和化工, 2015,01:49~51.[4]李海燕.石油工程中水射流技术的应用与发展前景[J].化工管理, 2015, 06:69.[5]王春晖.高压水射流技术在高架大修工程中的应用[J].中国市政工程, 2015,05:12~13+16+94.高压水射流论文总结第3篇从20世纪90年代, 我国的石油工程中才开始逐渐应用水射流技术,在石油工程中的运用时间比较短。
这一技术在开发之后, 发展迅速,并逐渐得到广泛的运用,其中主要包括水利建设、工程建筑、航空航天、金属冶炼、石油工程、机械制造、煤炭开采等各个行业。
