高压水射流破煤机理研究进展及展望.docxVIP

? ? 高压水射流破煤机理研究进展及展望 ? ? 赵岳然，姜文忠，靳 鹏，都 锋，裴 越，袁圣秋 （1.煤炭科学研究总院，北京 100013；2.中煤科工集团沈阳研究院有限公司，辽宁 抚顺 113122；3.煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁 抚顺 113122） 高压水射流技术具备能量损失小、作业过程不产生火花、无污染、对切割对象适应性强等优点，目前已广泛应用在煤矿开采和钻探等方面。水射流破煤过程短暂、破碎模式多变且涉及“气-液-固”耦合问题，导致对水射流破煤机理的研究存在很大难度。早期水射流破煤理论研究主要集中在应力分布和固体材料裂隙扩展情况[1]。形成了4 种认可度较高的理论：“拉伸-水楔”破煤理论、“密实核-劈拉”破煤理论、应力波破煤理论、气蚀破煤理论。之后国内学者对水射流破煤机理进行了大量研究[2-7]，但未形成系统理论。随着近年来高压水射流破煤工艺的发展，喷嘴结构不断改进[8-11]，射流形态由连续稳定射流转变为旋转射流和脉冲射流[6,12]，射流的介质也由纯水转变为“气-液”和“气-固”两相流[13-15]。现有破煤理论已无法继续指导装备制造和工程应用，因此需要对目前的研究成果进行梳理和总结，在此基础上结合未来发展趋势进一步研究高压水射流破煤机理。 1 高压水射流结构特性 1.1 高压水射流的紊流特性 高压水射流问题属于紊动冲击射流问题，射流介质为纯水。在10～60 MPa 压力范围内，可将水看成不可压缩的流体[16]，密度为998 kg/m3，黏性以标准状态下动力黏度来衡量[17-18]。 不可压缩黏性流体连续性方程张量形式如下[19]： 式中：ρ 为流体密度，kg/m3；t 为时间，s；ui为流速，m/s，下标遵循爱因斯坦求和约定；xi为x 方向上第i 个分量。 将ui=uˉi+ui′代入式（1），uˉi为第i 个分量的时均流速，m/s；ui′为脉动速度，m/s，得到紊流时均连续性方程： 紊流时均运动方程为： 1.2 水射流结构形态 1.2.1 紊动自由水射流结构形态 在Taylor 等研究基础上，日本学者于1974 年首先用几何图形描述了水射流的结构特征，经后人验证和改进，得到目前公认的非淹没水射流结构。紊动自由水射流结构图如图1[19]。 图1 紊动自由水射流结构图Fig.1 Structure diagram of turbulent free water jet 水射流几何结构被分为初始段、转折段、基本段、消散段。①初始段：由喷嘴出口至等速核末端断面之间区域，初始段核心区各点的速度大小、方向均等于喷嘴出口的速度；②转折段：从等速核消失的断面到转折断面之间区域，该区域流动极其复杂，射流计算中通常忽略；③基本段和消散段：其区域内射流轴向速度和动压非常低[20]。 在此基础上国内学者将初始段划分为紧密段和核心段，将转折段和基本段合并为破裂段[21]。研究认为水射流核心段对冲击性能起决定性作用[22]，据统计射流核心段长度一般是喷嘴直径的4～9.22 倍，射流扩散角一般为26.6°～29.9°[23]。 1.2.2 旋转水射流结构形态 王伟[12]对两喷嘴组合几种不同转速下的水射流形态进行了数值模拟，两喷嘴组合下不同转速水射流云图如图2。 图2 两喷嘴组合下不同转速水射流云图[12]Fig.2 Cloud diagrams of water jet at different speeds with two nozzles 旋转速度为30 r/min 时，射流仅有少量偏角，基本保持了紊动自由水射流结构形态；旋转速度增加至300 r/min 时，水射流偏离喷嘴接近90°，此时水射流轴线不再呈直线，射流前后连续性变差。 研究发现：转速较低时，仅对射流转折段和基本段影响明显，随着转速的增加，逐渐对初始段产生了影响。 1.2.3 淹没水射流结构形态 根据水射流冲击环境介质情况，可分为淹没水射流和非淹没水射流。在高压水射流破煤应用中出现属于同介质淹没射流，一般认为这种射流只有基本段，称为对称紊流源。对称紊流源如图3[17]。 图3 对称紊流源Fig.3 Symmetrical turbulence source 常宗旭[24]描绘了双股圆形淹没射流的结构形态，将其分为会聚区和联合区。会聚区内双股射流互相产生影响，甚至造成某一股射流反向流动，研究认为其最佳破岩距离为会聚区长度。双股圆形淹没射流流场如图4。 图4 双股圆形淹没射流流场Fig.4 Double-strand circular submerged jet flow field 2 煤的力学特性 研究高压水射流破煤机理，建立在对煤的破坏准则研究的基础上[20,25]，同时需要考虑瓦斯和水等因素对煤的力学性质的影响。 2.1 煤的破坏准则 煤样的破坏属于多重剪