高壓水射流破碎巖石的原理

1、高壓水射流破碎巖石的原理1引言引言高壓水射流是近30年發(fā)展起的切割、破巖、清洗、除垢(銹)新技術(shù)，正越來越廣泛地應(yīng)用于煤炭、石油、化工、機(jī)械、建筑、交通、航空和軍工等部門[1]。隨著設(shè)備研制水平的提高，射流技術(shù)逐漸由高壓向超高壓方向發(fā)展，超高壓水射流技術(shù)已成功地應(yīng)用于金屬、巖石與復(fù)合材料的精密切割、破碎和加工[2]，其應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，應(yīng)用前景十分廣闊。但目前人們對(duì)水射流沖擊破巖機(jī)理的認(rèn)識(shí)仍然不夠深入，造成這種局面的主要原因是水射流本身

2、的復(fù)雜性，破巖過程短暫且變化多端，再加上巖石材料的透明性差，研究人員很難觀察和捕捉到水射流沖擊巖石時(shí)巖石內(nèi)部應(yīng)力應(yīng)變及其他相關(guān)信號(hào)。對(duì)水射流作用下巖石產(chǎn)生的破壞主要以哪種形式為主，是拉應(yīng)力、切應(yīng)力、還是壓應(yīng)力引起的，以及巖石破碎發(fā)展過程仍存在廣泛的爭(zhēng)論[35]。水射流破巖機(jī)理的研究現(xiàn)狀與存在問題包括:①水射流破巖機(jī)理的研究，難點(diǎn)在于水射流加載特性和巖石破碎機(jī)理兩方面；②理論研究與試驗(yàn)研究手段存在局限，對(duì)水射流作用下巖石破壞機(jī)理的觀點(diǎn)多，

3、還沒有形成統(tǒng)一學(xué)說；③水射流的加載特性和巖石的破壞形式存在廣泛爭(zhēng)論；④射流沖擊下巖石的破碎主要與應(yīng)力狀態(tài)和材料強(qiáng)度有關(guān)，沖擊中水射流產(chǎn)生的應(yīng)力分布對(duì)確定破碎機(jī)理十分重要；⑤數(shù)值方法對(duì)射流的描述較為簡(jiǎn)化，導(dǎo)致射流沖擊載荷與巖石內(nèi)部應(yīng)力分布計(jì)算存在誤差；⑥水射流沖擊下流體與巖石介質(zhì)的禍合作用分析不夠。2水射流破巖研究進(jìn)展水射流破巖研究進(jìn)展2.1淹沒射流的理論研究淹沒射流的理論研究具有一定尺寸的液體不受固體邊界的限制在相同或不同的介質(zhì)中流動(dòng)稱

4、為射流。當(dāng)射流射入密度較射流本身密度小的介質(zhì)中稱為非淹沒射流；當(dāng)射流射入密度較本身密度大或相等的介質(zhì)中稱為淹沒射流。相接觸的液層。由于射流邊界上質(zhì)點(diǎn)的動(dòng)量交換使得射流質(zhì)量增加，直徑變大，又由于能量消耗而使流速逐漸降低。然而射流中心的流速并非一離開噴嘴出口立刻降低。在射流邊界上速度為零，而中心附近仍保持著出口的速度，這一核心稱為等速核。隨著距離增加，等速核直徑變小。到達(dá)一定的距離處，直徑變?yōu)榱?，等速核消失。存在等速核的區(qū)域稱為射流的初始核

5、，在其后的部分叫射流的基本核。射流初始段的長(zhǎng)度取決于噴嘴的形伏，流體的性質(zhì)，雷諾數(shù)及噴嘴的流體壓力等因素。射流自噴嘴射出后八J分化，產(chǎn)生擴(kuò)散，擴(kuò)散角為:射流的速度分布可分為兩部分，在初始段內(nèi)，等速核內(nèi)的速度不變。從等速核邊界向外速度很快降低，至射流邊界速度降為零。在等速核內(nèi)的速度為:Aq.米洛維奇[7]借助于氣體射流的實(shí)驗(yàn)確定了射流基本段上的軸心流速沿射流長(zhǎng)度方向上變化的關(guān)系:據(jù)試驗(yàn)測(cè)定，β=6，因此初始段長(zhǎng)度Lo=6do，但對(duì)于液體射