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太原理上火学硕士研究生学位论文 煤岩高压水力割缝机喷嘴特性研究 摘要 高压水射流切割技术是高压水射流的一个重要应用分支，作为一种新 型的切割方式，其特点是切割能力强、可控性好、污染小，因此在工程领域 中，高压水射流切割技术逐渐被广泛应用。基于上述特点以及矿井设备的 选型原则：低危险性、高防爆性，通过切割煤岩，形成人工裂隙，释放煤 层中的瓦斯，保证煤矿开采的安全性。为了完善高压水射流切割技术，提 高煤层瓦斯抽放率，本文重点研究高压水力割缝机核心部件喷嘴。 在高压水射流切割煤层的过程中，喷嘴不仅是高压水系统的发生元件， 同时也是切割煤层的执行元件。因此，喷嘴切割性能的优劣直接影响到高 压水射流的能量分布和切割煤层的质量。本课题在高压水射流技术的基础 上，以锥直型喷嘴为中心展开讨论研究。 喷嘴的几何参数与射流压力影响了高压水射流的流场分布。目前，由 于分析高压水射流的理论知识不够成熟，且实验方法耗资大、周期长，所 以本文采取了计算机仿真模拟技术对高压水射流切割喷嘴的内外部流场进 行分析与探索。 本文分别设计了不同喷嘴收缩角、喷嘴出口直径、喷嘴长径比三种方 案，分析了上述几何参数对喷嘴内外部流场的影响。根据对模拟结果的分 析与研究：收缩角在逐渐增大的过程中，喷嘴出口速度逐渐降低，但在收 缩角从o o1 2 0 递增过程中，射流核心段逐渐增大，收缩角在增至1 2 。之后， 射流核心段基本保持不变，为了保持较长的射流核心段和较高的喷嘴出口 t 太原理：f ：人学硕士研究生学位论文 速度，喷嘴收缩角确定为1 2 0 左右；喷嘴出口直径越小，其出口速度越大， 结合系统所提供的最大工作压力，确定喷嘴出口直径为1 5 m m ：针对不同 喷嘴长径比进行仿真分析得出：喷嘴出口速度随着长径比的增大而逐渐下 降，为了保持喷嘴具有较高的出口速度和较长的射流核心段，确定喷嘴的 长径比为3 ；另外，本文根据仿真模拟得出的数据，结合数值分析原理，耦 合出喷嘴出口速度与喷嘴几何参数、射流压力的函数关系式。 最后，文章在高压水射流理论的基础上，从喷嘴的结构设计、喷嘴的 几何参数、射流参数三方面分析了高压水射流的切割性能，得出相关的研 究结果，为此类切割喷嘴的性能分析、合理设计，结构优化提供重要的理 论依据及工程应用价值。 关键词：高压水射流，喷嘴，物理模型，流场仿真 太原理工大学硕士研究生学位论文 n o z z l ec h a ra c t e i u s t i cr e s e a r c h0 ft h e h i g h p r e ss u r eh y d ra i ，i cc u t t i n gg a p 【a c h i n ef o rc o a lr o c k a b s t r a c t a san e wt y p eo fc u t t i n g ，t h eh i g hp r e s s u r ew a t e rj e tc u t t i n gt e c h n o l o g yi s a n i m p o r t a n ta p p l i c a t i o nb r a n c h o fh i g h p r e s s u r e w a t e rje t ，w h i c hi s c h a r a c t e r i z e db ys t r o n gc u t t i n ga b i l i t y , g o o dc o n t r o l l a b i l i t ya n ds m a l lp o l l u t i o n t h e r e f o r e ，i th a sb e e nw i d e l yu s e di nt h ee n g i n e e r i n gf i e l dg r a d u a l l y b a s e do n t h ea b o v ec h a r a c t e r i s t i c sa n dt h es e l e c t i o np r i n c i p l e so fm i n ee q u i p m e n t ，w h i c h a r el o wr i s ka n dh i g he x p l o s i o n p r o o fp r o p e r t y , b yc u t t i n gc o a lr o c kt of o r m a r t i f i c i a lf i s s u r e s ，t h eh i g h - p r e s s u r ew a t e r j e tc u t t i n gt e c h n o l o g yi sw i d e l yu s e d i nt h er e l e a s eo fc o a l g a s ，t oe n s u r et h es a f e t yo fc o a lm i n i n g i no r d e rt o i m p r o v et h eh i g h - p r e s s u r ew a t e rj e tc u t t i n gt e c h n o l o g ya n dt h ec o a ls e a mg a s d r a i n a g er a t e ，t h ep a p e rf o c u s e so nt h ec o r ec o m p o n e n to ft h eh i g hp r e s s u r e h y d r a u l i cc u t t i n gg a pm a c h i n e n o z z l e i nt h ep r o c e s so fh i g hp r e s s u r ew a t e r j e tc u t t i n gt h ec o a ls e a m ，t h en o z z l ei s n o to n l yt h eo c c u r r e n c ec o m p o n e n to ft h eh i g h p r e s s u r ew a t e rs y s t e m ，b u ta l s o t h ei m p l e m e n t a t i o nc o m p o n e n to fc u t t i n gt h ec o a ls e a m t h e r e f o r e ，t h en o z z l e c u t t i n gp e r f o r m a n c ew i l ld i r e c t l ya f f e c tt h ee n e r g yd i s t r i b u t i o no fh i g hp r e s s u r e i 工i 太原理工人学硕士研究生学位论文 w a t e r je ta n dt h eq u a l i t yo fc u t t i n gs e a m o nt h eb a s i so f t h eh i g hp r e s s u r ew a t e r je tt e c h n o l o g y , t h es u b j e c tt a k e st h ec o n es t r a i g h tn o z z l ea st h ec e n t e rt od i s c u s s t h eg e o m e t r i cp a r a m e t e r so ft h en o z z l ea n dje tp r e s s u r ea f f e c tt h ef l o w f i e l do fh i g hp r e s s u r ew a t e rj e t a tp r e s e n t ，t h e a n a l y s i s o ft h e o r e t i c a l k n o w l e d g eo ft h eh i g hp r e s s u r ew a t e rj e ti sn o tm a t u r ee n o u g ha n de x p e r i m e n t a l m e t h o d sw i l lc o s tl o n gc y c l e s ot h i sp a p e rh a st a k e nac o m p u t e rs i m u l a t i o n t e c h n o l o g yt oa n a l y z ea n de x p l o r et h ei n t e m a la n de x t e m a lf l o wf i e l do fh i g h p r e s s u r ew a t e rj e tc u t t i n gn o z z l e t h i sp a p e rd e s i g n ss e p a r a t e l yt h r e es c e n a r i o s ，i n c l u d i n gd i f f e r e n tn o z z l e c o n t r a c t i o na n g l e ，n o z z l eo u t l e td i a m e t e ra n dl e n g t hd i a m e t e rr a t i oo fn o z z l e w h a t sm o r e ，i ta n a l y s e st h ei n f l u e n c eo ft h ea b o v eg e o m e t r i cp a r a m e t e r so nt h e i n t e m a la n de x t e r n a lf l o wf i e l do fh i g h - p r e s s u r ew a t e rje tc u t t i n gn o z z l e a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i sa n dr e s e a r c ho nt h es i m u l m i o nr e s u l t s ：t h en o z z l ee x i t v e l o c i t yd e c r e a s e sg r a d u a l l yi nt h ep r o c e s so ft h ec o n t r a c t i o na n g l eg r a d u a l l y i n c r e a s i n g ，b u tt h ej e tc o r es e g m e n ti sg r a d u a l l yi n c r e a s i n gi nt h ep r o c e s so f c o n t r a c t i o na n g l ef r o m0 。t o12 。w h e nt h ec o n t r a c t i o na n g l ei n c r e a s e st o12 。， t h e je tc o r es e g m e n tr e m a i n sb a s i c a l l yu n c h a n g e d i no r d e rt om a i n t a i nal o n g e r s e g m e n to ft h eje tc o r ea n dah i g h e rv e l o c i t yo ft h en o z z l ee x i t ，t h en o z z l e c o n t r a c t i o na n g l ei sd e t e r m i n e dt ob ea b o u t12 。t h es m a l l e rt h ed i a m e t e ro ft h e n o z z l eo u t l e ti s ，t h eg r e a t e rt h ee x i tv e l o c i t yi s c o m b i n e dw i t ht h em a x i m u m w o r k i n gp r e s s u r ep r o v i d e db yt h es y s t e m ，t h en o z z l e o u t l e td i a m e t e ri s i d e n t i f i e da s1 5 m m a c c o r d i n gt os i m u l a t i o na n a l y s i so ft h ed i f f e r e n tl e n g t h i v d i a m e t e rr a t i oo fn o z z l e ，w eo b t a i nt h a tt h eo u t l e t v e l o c i t yo fn o z z l ed e c r e a s e s g r a d u a l l yw i t ht h ei n c r e a s eo ft h er a t i oo fl e n g t ht od i a m e t e rr a t i o n i no r d e rt o m a i n t a i nt h a to u t l e tv e l o c i t yo fn o z z l ei sb e c o m i n gm u c h b i g g e ra n dj e tc o r e s e c t i o ni sb e c o m i n gl o n g e r , t h en o z z l el e n g t hd i a m e t e rr a t i oi si d e n t i f i e da s3 i n a d d i t i o n ，a c c o r d i n g t ot h es i m u l a t i o nd a t ao b t a i n e da n dt h e p r i n c i p l eo f n u m e r i c a la n a l y s i s ，t h ef u n c t i o ne q u a t i o ni s c o u p l e db e t w e e nt h en o z z l eo u t l e t v e l o c i t ya n dn o z z l eg e o m e t r i cp a r a m e t e r sa n dj e tp r e s s u r e f i n a l l y , b a s e do nt h et h e o r yo fh i g hp r e s s u r ew a t e rje t ，t h ep a p e ra n a l y z e s t h eh i g hp r e s s u r ew a t e r je tc u t t i n gp e r f o r m a n c ef r o mt h r e ea s p e c t s ，w h i c ha r e s t r u c t u r ed e s i g no fn o z z l e ，g e o m e t r yp a r a m e t e r so fn o z z l ea n d je tp a r a m e t e r s ， a n di to b t a i n st h er e l a t e dr e s e a r c hr e s u l t s i tp r o v i d e si m p o r t a n tt h e o r e t i c a lb a s i s a n dv a l u a b l ee n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o nf o rt h ep e r f o r m a n c ea n a l y s i s ，r e a s o n a b l e d e s i g n ，a n ds t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o no ft h i sc u t t i n gn o z z l et y p e k e yw o r d s ：h i g hp r e s s u r ew a t e rj e t ，n o z z l e ，p h y s i c a l m o d e l ，f l o wf i e l d s i m u l a t i o n v 太原理工大学硕士研究生学位论文 v i 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 1 研究背景 第一章绪论 由于煤岩地质结构的多样性，煤层透气性差，瓦斯涌出量大，瓦斯突出严重，并且 发生次数多，强度大，直接影响了煤矿安全生产。因此前期抽取、排放煤岩中的瓦斯是 保证煤矿安全生产与预防瓦斯突出的最有效方法。通过提前抽取、排放煤岩中的瓦斯， 可降低煤岩内应力，增加煤岩的透气性，降低煤岩瓦斯的密度，进而消除煤与瓦斯的突 出隐患。近年发展起来的瓦斯预抽放水射流切割技术发挥了重要作用。从原理上讲，水 射流切割技术与我国煤矿中使用已久的水力采煤技术基本相同，都是把具有一定压力的 水通过直径渐缩的喷嘴形成射流，将水射流作为工具进行煤岩切割，通过切割过程中所 形成的人工裂隙沟通煤岩中的天然裂隙，使煤岩中的瓦斯得以顺利释放，消除瓦斯突出 隐患。 1 2 高压水射流切割技术概述 1 2 1 高压水射流切割技术的起源 2 0 世纪5 0 年代，高压水射流切割技术的思想源于前苏联，但第一项切割技术专 利却诞生在美国，1 9 7 4 年美国的f l o w 公司首先将其应用于工业切割领域并将其商业 化。在最近的十几年里，高压水射流切割技术因其具有切割效果好、环境污染小、价格 低廉等优点，因此得到了又好又快的发展并且逐步被人们所认可和接受。高压水射流在 航天领域、航海领域、军工企业、矿井生产领域、矿井安全领域等都有所应用。高压水 射流通常分为纯水射流和磨料射流，纯水射流就是用普通的自来水作为工作介质形成射 流、作为工具进行切割。磨料射流是在工作介质水中加入磨料，用来加强冲击能力的一 种射流。一般情况下，纯水射流适合于切割较软的材料，而磨料射流通常用于切割较硬 的材料，如玻璃、金属等。 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 2 2 高压水射流的定义 高压水射流是指工作介质( 水) 通过高压泵及其增压器装置进入高压管路中，这种 具有一定静压力的水通过直径相对高压管路小甚多的渐缩喷嘴形成水射流，工作介质在 经过喷嘴渐缩段的过程中，由高压管路中的静压力逐渐转换为动压力，经过喷嘴出口后， 基本上全部转换为动压力，形成水射流，这种水射流作用在物体上，具有强大的穿透能 力和打击能力，正是由于高压水射流具备这种特点，因此在工业界得到越来越多的认可。 例如，高压水射流可以用来清洗物体表面的污垢、切割坚硬的物体等等。 1 2 3 高压水射流的分类 根据射流介质与环境介质、射流水力学特点、射流对物料的施载特性、射流本身 介质来分，高压水射流通常分为以下几种： ( 1 ) 淹没射流与非淹没射流。对于工作介质为水的射流而言，淹没射流是在环境 介质为水或其他液体介质中的射流；非淹没射流是在环境介质为空气的介质中进行喷射 的射流。 ( 2 ) 定常射流与非定常射流。定常射流是指射流任意点的运动参数不随时间而变 化，而是随位置的变化而变化，属于连续射流；非定常射流是指射流任意点的运动不仅 随时间的变化而变化，而且随着位置的变化也在发生相应的变化，非定常射流没有规律， 随着时间的推移，可能是连续射流也可能是非连续射流。 ( 3 ) 连续射流、冲击射流、混合射流。连续射流是指对物料施加一种持续的、稳 定的压力射流形式、连续射流通常适合切割物料( 包括煤层) 和清洗东西，连续射流如 图1 1 中的a 所示；冲击射流实际上就是一种脉冲射流、要么没有信号、要么就是一个 持续时问极短的信号，冲击射流如图1 1 中的d 所示；混合射流实际上就是连续射流与 冲击射流的一个叠加如图1 1 中的b 、c 所示。其对物料的施载如图1 1 所示。 ( 4 ) 单相射流和多相射流。单相射流是指环境介质跟工作介质相同的射流就是单 相射流；多相射流是指当射流涉入到环境中，并且环境介质跟工作介质不同的射流，很 多射流属于多相射流。 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 ，、 一 ii | i i i | i | i i 一 龇 图1 - 1 水射流施载特性示意图 a 连续射流；b 、c _ 一混合射流；d 一冲击射流 f i g 1 1w a t e rj e tl o a d i n gc h a r a c t e r i s t i c ss c h e m e s a mc o n t i n u o u sj e t ：b 、c - - m i x e dj e t ；d - - i m p i n g e m e n t 1 2 4 高压水射流切割技术的发展动态 高压水射流的应用起源于采矿业。1 9 世纪中期，在北美洲高压水射流首次用于开 采矿床【n 。2 0 世纪初期，水射流技术应用于采煤，压力在1 0 m p a 左右。2 0 世纪中期， 中苏两国利用高压水射流的冲击作用和输送作用进行采煤。2 0 世纪7 0 年代，开始利用 压力在2 0 - 3 0 m p a 之间的水射流切割煤层抽放瓦斯，提高了瓦斯的抽放效率，同时增强 了煤矿建设的安全性，在此期间，高压清洗机等设备也在跨越式发展。进入2 0 世纪8 0 年代，高压清洗机的发展得到人们的认可，趋于普及化，法国煤炭研究中心高压水射流 研究室通过高压水射流技术，切割硬质大块岩石，发现岩石基本没有被破坏，而且便于 实现自动化控制。由于水射流切割设备小、重量轻，污染小、位置便于移动，且不受其 他因素的影响，因此在工业界得到越来越多的认可。自1 9 7 2 年在美国i n g e r s o l l r a n d 公 司的m cc a r t n e ym a n u f a c t u r i n g 公司诞生了第一台4 0 0 m p a 的水力切割机，继之美国f l o w i n d u s t r i e s 公司的水力切割机( 3 5 0 m p a 、3 5 l m i n ) 问世，超高压水射流切割工艺一直 是水射流行业研究、追踪的热点【2 】。2 0 世纪9 0 年代，在工业领域中，水射流切割技术 的应用几乎随处可见，它的特点是成熟、广泛、无污染、无破坏、高质量、高效率。 总结高压水射流切割技术的发展动态，基本上可以划分为四个阶段。第一阶段为初 始阶段，发生在上世纪6 0 年代，主要是通过试验来摸索水射流的分布规律，其中将压 力较低的水射流应用于煤矿的采煤机就是典型的例子。第二阶段为设备研发阶段，发生 在上世纪7 0 年代，主要任务是研制水射流的发生装置，即高压泵、高压管路、喷嘴、 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 增压器等器械，通过这些装置将工作介质水应用到切割物料中去。第三阶段为水射流试 验阶段，即将工作介质水通过射流发生装置来切割物料、清洗物料表面的污垢、除去金 属表面的锈斑等等，由此根据工业所需，诞生了种类众多的水射流清洗机、采煤机、切 割机等等。第四阶段为水射流切割技术快速发展阶段，由于纯水射流性能所限，在此基 础上，出现了一些不同的射流方式，比如说，在工作介质水中加入了添加剂，增强了射 流的集束性，提高了射流的打击力度；在介质水中添加磨料，提高了射流的作业效果、 增大了作业速度，这种射流称之为磨料射流。除此之外，很多射流发生装置实现了商品 化，带动了整个水射流技术的发展。 1 2 5 高压水射流技术的应用 高压水射流在生活、生产中的应用如表1 1 所示： 表卜1 水射流的作用及应用可能性【3 】 t a b l e l 1w a t e r j e te f f e c ta n da p p l i c a t i o no f p o s s i b i l i t y 水射流推进 水力采煤 学作用( 裴茎磊掌黧嚣害 解作用架言篥嚣薯萎翕? 窑誓裂、消毒药剂的加工 却作用 湿作用 臭味、有毒瓦斯、粉尘产生的地方作业 炸性的物质加工 从表1 1 可以看出，水射流的应用之广泛，其中切割煤层就是应用了破坏作用 中的切割作业，高压水射流切割煤层抽放瓦斯是瓦斯释放技术中的一种，下面介绍瓦斯 4 太原理上火学硕士研究生学位论文 的抽放技术。 1 3 瓦斯释放技术 1 3 1 传统煤矿瓦斯释放技术的特点 为了减小或消除煤与瓦斯突出，很多瓦斯突出严重的煤矿采用震动性放炮、浅孔松 动爆破、深孔控制爆破、排放钻孔等技术释放瓦斯。采用震动性放炮释放瓦斯局限性太 大，在新矿揭煤或者煤层顶板较好、煤层较硬的情况下，采用震动性放炮诱导煤层瓦斯 突出，降低煤层瓦斯压力，消除煤岩应力，缓慢释放瓦斯，但是对于井下作业不方便； 采用浅孔松动爆破技术释放顶煤瓦斯效果较好，但是作业时间长、劳动强度大、破坏环 境、煤尘大、容易引起瓦斯爆炸，炸药、雷管等容易与煤炭混合，影响煤的质量；采用 深孔控制爆破技术，放炮产生的应力波以炮眼为中心向四周扩散，疏通了炮眼周边煤层 的天然裂隙，进而释放煤层中的瓦斯，但是深孔控制爆破技术复杂，工序多，很难在矿 井实现；排放钻孔是一种有效的释放瓦斯措施，借助排放钻孔，使得煤层应力有所降低， 煤岩内部压力降低，进一步释放瓦斯，但是周期长，效果差。 总之，以上释放瓦斯的各种技术都受很多因素的限制，不具备通用性，而现在流行 的高压水射流切割技术用以切割煤层释放瓦斯则显示出它的优越性。 1 3 2 高压水射流切割煤层释放瓦斯技术的特点 高压水射流在切割煤层的过程中，主要是以裂纹破坏及裂纹扩散为主，通过高压水 力割缝机在煤层中割出一条具有一定深度和宽度的裂缝，煤层中的瓦斯通过煤层天然裂 隙贯通到人工裂隙，达到排放瓦斯的目的，提高煤层的瓦斯抽放率，有效避免因瓦斯突 出而造成的安全事故。高压水射流释放瓦斯的主要优点有： ( 1 ) 属于冷切割，切割过程中产生的热量小、没有火花产生，不可能点燃煤矿中 的瓦斯引发瓦斯爆炸。 ( 2 ) 高压水射流在切割煤层的过程中，不产生煤尘及毒气等有害物质、提高了矿 工在井下环境的舒适度。 ( 3 ) 一次性切割煤层深度长、抽取瓦斯效率高、生产成本低。 ( 4 ) 便于井下并行作业，可以边采煤，边抽取瓦斯，节约时间，提高效率。 5 太原理：工大学硕士研究生学位论文 虽然高压水射流切割煤层抽取瓦斯具备以上优点，但是它也有很多缺陷，有待于进 一步研究。 ( 1 ) 切割喷嘴出口直径小、要想获得足够的能量将煤层切到一定的深度，功率必 须要大，导致高压水射流的能量得不到充分的利用，切割煤层的比能损耗较大，影响矿 井的经济效益。 c 2 ) 高压水射流切割煤层时，所需大量工作介质水，这样势必在切割煤层后，造 成工作面有大量的积水，严重影响矿井的正常生产。 ( 3 ) 由于切割煤层采用的是高压水射流切割技术，因此所需的一些高压部件在质 量性能方面必须过关，以免引发安全事故。如果只凭进口高压部件，费用太高，影响矿 井的经济效益。所以这些高压部件在质量方面还有待于进一步提高。 高压水射流切割煤层的载体是高压水力割缝机，下面对高压水力割缝机做简单介 绍。 1 4 高压水射流切割煤岩设备介绍 1 4 1 高压水力割缝机原理 高压水力割缝机由高压水射流钻头、连续高压无缝钢管缠绕机构、矫直推进夹紧机 构、换向机构、小车行走机构、无缝钢管压紧机构、液压系统和配水系统等组成。高压 水力割缝机的结构图如图1 2 所示。 高压水力割缝机在作业过程中的基本原理是：通过齿轮传动，实现滚筒转动，将高 压无缝钢管深入已经钻好的煤壁深孔里，高压钢管在深入钻孔过程中，途经矫直机构将 其矫直，高压水经配水系统进入高压钢管中，然后输送到与高压钢管相连接的钻头中。 同时，高压钢管在深入钻孔过程中，通过喷头前面的喷嘴边清理煤屑并深入钻好的煤壁 深孔里；割缝时，通过换向机构，实现滚筒反转，一边收拢高压无缝钢管，一边利用喷 头上面的侧喷嘴切割煤层，实现瓦斯的释放。 6 太原理： 大学硕士研究生学位论文 量一啊群彳二e 一? 一。 肌 prk 建 目 i ，= i| 口 一 e 1- l： l 、 一一 - - i i i 一邕孵料 n ：i i ：】r1 r n 璺互 = n n 图1 - 2 高压水力割缝机结构图 f i g 1 - 2s t r u c t u r ed r a w i n go fh i g hp r e s s u r eh y d r a u l i cc u t t i n gg a pm a c h i n e 上图中：1 一钻机框架总成；2 一矫直推进夹紧机构；3 一换向机构；4 一连续钢管缠绕机构o ，5 一液压驱动机构；6 一行走机构；7 一压紧机构；8 一钻机液压系统；9 一钻头机构； 1 4 2 高压水射流喷嘴切割煤层原理 高压水射流是能量转变与应用的最简单的一种形式，如图1 3 。一般情况下，高压泵 将一定压力和流量的水，通过高压水系统装置进入高压无缝钢管，高压水经沿程压力损 失和局部压力损失后，最终进入喷嘴，水射流借助喷嘴孔径在长度方向上的渐缩作用， 将高压水的静压力转换为射流动压力，这样，高压水经过喷嘴出口后就形成了速度非常 高的射流，用以切割煤层、形成裂隙、释放瓦斯。 7 太原理1 火学硕士研究生学位论文 图1 - 3 高压水射流喷嘴切割煤层原理图 f i g 1 - 3p r i n c i p i u md r a w i n go fh i g hp r e s s u r ew a t e rj e tn o z z l ef o rc u t t i n gc o a ls e a n l 作业时，高压钢管伸入钻孔的过程中，由液压系统驱动钻头的控制机构，关闭喷头 两边的侧喷嘴，开启喷头的前喷嘴，通过喷头的前喷嘴形成的射流清理钻孔里面的煤屑， 使得高压钢管顺利地进入钻孔中。割缝时，液压系统驱动钻头的控制机构，关闭喷头的 前喷嘴，开启钻头两边的侧喷嘴，然后利用高压水力割缝机的缠绕滚筒边收拢高压钢管 边利用侧喷嘴切割煤层。 1 4 3 高压水力割缝机目前存在的问题 经过长期的反复试验与理论修正，高压水力割缝机的整机设计已经定型。但是在实 际切割煤层时，割缝深度和宽度都不太理想，影响瓦斯的抽放效率，而高压水力割缝机 的执行元件是喷嘴，喷嘴的结构、水力学特性影响切割煤层的效果，因此喷嘴结构以及 几何参数的优化就显得非常重要。 1 5 高压水射流切割喷嘴的国内外研究动态 1 5 1 高压水射流切割喷嘴的国外研究动态 b a r k e r 4 1 等人在实验的基础上，通过改变喷嘴的不同收缩角和出口圆柱段长度与出 口直径的比值，喷嘴收缩角的选取范围为( 1 3 018 0 0 ) ，喷嘴出口圆柱段长度与出口直 径的比值的选取范围为( 0 5 4 ) ，分析了喷嘴几何参数对射流切割性能的影响，得出了 喷嘴收缩角为6 0 。，长径比为o 5 最好。 q u i n n 5 1 等人通过仿真模拟、数值计算的方法，研究t - r 作介质为不可压缩的、低 压状态下的流体，不同结构的喷嘴对射流的影响，得出射流轴心线上速度的变化规律及 r 太原理! 大学硕士研究生学位论文 其射流初始段上速度的分布规律与喷嘴的结构有关。 k h a n 6 】等人通过流体的质量守恒方程，动量方程以及能量守恒定律，分析了在不同 收缩角( 1 0 0 、6 0o 、9 0o ) 、高压力状态下，材料为蓝宝石的喷嘴，对射流产生的影响， 得出收缩角为9 0o 、喷嘴圆柱段长度与出口直径比值的最佳范围为4 l o 时，在射流离 开喷嘴时，几乎不产生紊流、产生的出口速度最大，而且射流集束性和保持性好。 v o i t s e k h o v s k y l 7 】等人认为喷嘴收缩角为3 5 0 左右时，射流的集束性能最好。 l e a c h 和w a l k e r t 8 】等人通过实验，得出喷嘴收缩角为1 3 。时，射流核心段最长、冲 击能力最大。 日本的k a t s u y ay a n a i d a t 9 】在水中对流线型喷嘴做切割试验，此试验设定的压力为 4 9 2 9 4 m p a ，试验得出流线型喷嘴在水中的冲击力量是非流线型喷嘴的1 4 倍。此试验 打破了人们对喷嘴单一结构( 直线型喷嘴) 的理解，加快了喷嘴的发展速度。 g 。f o w l e r t l o 】等人通过实验分析，对影响高压水射流切割性能的喷射角度做了多组试 验，得出水射流冲击角度为4 5 0 左右时，切割能力最强。 m i nj o u 1 1 】等人用传统的理论计算方法对射流边界层做了特性分析，得出射流边界 层是由一系列不同的半径波所组成。在同一周期内，如果波的直径与波的数量大于1 2 ， 则射流比较集束。相反，如果波的直径与波的数量小于1 2 ，则射流集束性不好，核心 段长度不够长，冲击能力相对弱。 1 5 2 高压水射流切割喷嘴的国内研究动态 谢俊石，何枫1 2 1 根据纳维一斯托克斯方程，采用雷诺应力模型、有限容积法、三角 形的非结构网格和精度较高的二阶迎风格式，分析喷嘴内腔结构对射流的影响，得出喷 嘴收缩角的大小会对射流造成不同的阻滞效应。流线型喷嘴可以获得很好的射流特性， 对于提高喷嘴的工作效率有重要意义，最后提出了喷嘴内部结构与射流外部流场有直接 的关系。 王洪伦，龚烈航，姚笛【1 3 1 描述了喷嘴结构与喷嘴几何参数中的直径对高压水射流切 割能力的影响，并且通过计算得出影响射流冲击能力的几个参数，得出了计算射流平均 冲击压力的公式( 1 1 ) ，最后对喷嘴材料的选取与加工方式进行了探索。 p = 万瓦万磊而2 万a j c 砑d c 而, , p , 动i 嘶 1 1 ) 1 彳+ 2 “，+ 2 7 z i t a n + “h t a n 口+ 7 z 1 2t a n 2 9 太原理 ：大学硕士研究生学位论文 上式中：p l 射流压力；4 一喷嘴出口截面面积；q 一喷嘴的流量系数；c v 一喷嘴的速度系数； u 一喷嘴的横移速度；r 一喷嘴出1 ：2 截面半径；肛靶距；喷嘴出口散射角； p 一射流的平均冲击压力 李宝玉【1 4 】等人研究磨料水射流切割喷嘴几何参数的特性，得出当喷嘴出口圆柱段长 度与喷嘴出口直径比值的范围在2 5 3 0 时，磨料的速度略小于工作介质水的速度，磨 料的作用才能充分发挥出来，还指出对于切割不同的物料，射流的靶距是不一样的，总 存在一个最佳靶距值。 马飞，张文明【l5 】通过仿真模拟、数值计算的方法，分析了喷嘴几何参数对喷嘴内部 流场的影响，得出影响喷嘴内部流场的主要因素为喷嘴扩散角和喷嘴扩散段的长度，喷 嘴圆柱段长度对射流流场影响甚小，并且喷嘴的各个几何参数都存在最佳值。 杨国来，周文会【1 6 】等人通过计算机仿真模拟，对两种结构不同的喷嘴进行射流流场 分析，并对两种喷嘴进行对比，结果得出，锥直型喷嘴的圆柱段长度与直径之比为2 3 时，喷嘴出口速度最大，并且指出射流在喷嘴圆柱段长度内会形成负压，喷嘴出口流量 系数较大，锥直型喷嘴对于切割物料较为理想。 赵伟刚1 7 】等人采用仿真模拟、数值计算的方法，详细分析了喷嘴不同收缩角对射流 结构参数的影响，得出喷嘴收缩角对射流结构有较大的影响，为喷嘴结构的优化和高压 水射流系统的设计提供了参考依据。 综上所述，国内外学者、研究人员对于高压射流喷嘴的结构参数定论不一，难以使 用已有结论制造切割煤岩所需喷嘴，正是如此，本文在高压水力割缝机的基础上，在固 定流量和压力的前提下，定量分析喷嘴不同结构和几何参数对射流的影响。 1 6 本课题的研究内容和方法 本课题从高压水射流理论知识、喷嘴结构设计、喷嘴几何参数优化等方面着手， 对高压水射流切割煤层喷嘴性能进行分析、研究，并探讨有关切割喷嘴性能的理论知识 及几何参数的优化配置。为此，本课题的主要研究内容有： ( 1 ) 为了提高高压水射流切割煤层的工作性能，通过选取、最终确定以锥直型喷 嘴为研究对象。为了降低喷嘴的耗资，提高煤矿的经济效益，本文设计了一种组合式喷 嘴，喷嘴需要更换时，只更换喷嘴的头部。 1 0 太原理工大学硕士研究生学位论文 ( 2 ) 根据高压水射流的相关理论知识和射流切割煤层的实际状态，把水射流视为 非淹没射流，建立水射流在经过喷嘴时的连续性方程和动量方程。 ( 3 ) 应用流体动力学计算软件f l u e n t ，模拟高压水射流在喷嘴内外部的流场分布。 ( 4 ) 应用f l u e n t 仿真模拟软件分析喷嘴收缩角对喷嘴切割性能的影响，并给出其 相应的参数优化配置。 ( 5 ) 应用f l u e n t 仿真模拟软件结合高压泵的基本参数，确定了喷嘴的出口直径。 ( 6 ) 应用f l u e n t 仿真模拟软件分析喷嘴圆柱段长度对喷嘴切割性能的影响，并给 出其相应的参数优化配置。 ( 7 ) 应用仿真模拟得出的数据，结合数值分析原理，耦合出喷嘴出口速度与喷嘴 几何参数、射流压力的函数关系式。 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 第二章用于切割煤层的高压水射流的基本计算 2 1 切割煤层工作介质的力学特性 高压水射流切割煤层所用工作介质为水，因此首先介绍水的物理力学特性。水的物 理力学特性有：密度、粘性、压缩性、表面张力等。 ( 1 ) 密度。密度是指单位体积内水所具有的质量。通常状况下认为纯水的密度为 9 9 8k g m 3 。 ( 2 ) 粘性。粘性是指施加于流体的应力和由此产生的变形速率以一定的关系联系 起来的流体的一种宏观属性，表现为流体的内摩擦。衡量流体粘性大小的物理量有动力 粘度刁( n s m ：或p ”s ) 和运动粘度v ( m s ) ，两者关系为式( 2 1 ) 所示 v = 翌( 2 1 ) p 式中p 流体的密度，k g m 3 。 标准状态下水的动力粘度为r = 1 0 0 5 x 1 0 。n s m 2 。 ( 3 ) 压缩性。是指水的体积随压强而减小的性质。 根据流体力学相关资料，水的体积随压力增大而变化甚微，当压力值为2 0 0 m p a 时， 水的体积减小量仅为常态下水的体积的0 1 ( 1 8 】。本课题研究的高压水射流切割煤层所 需的高压水压力为6 0 m p a 左右，因此不需要考虑工作介质的压缩率，视为理想不可压缩 液体。表2 - 1 为水的压缩率随压力的变化值，可以看出，随着压力的增大，水的压缩率 变化很小。 表2 1 水在常温( 2 0 c ) 、不同压力下水的体积压缩系数的值【1 8 】 t a b l e 2 1i nr o o mt e m p e r a t u r e ( 2 0 。c ) ，u n d e rd i f f e r e n tp r e s s u r ec o n d i t i o n s ， t h ev a l u e so fv o l u m eo fw a t e rc o m p r e s s i o nc o e f f i c i e n t p m p a 1 5 0 1 0 0 2 0 0 3 0 04 0 05 0 0 p o o m 2 。1 1 0 4 8 50 3 9 30 3 5 60 3 1 30 2 8 00 2 6 4 1 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 ( 4 ) 水的表面张力 在水中间，每个水分子都被周围空间相邻的水分子所包围。它们彼此吸引，内聚力 可以相互抵消而达到平衡。但是位于水的表面的水分子就跟水中的情况不一样了，由于 水面靠近空气的- o m 没有水分子( 只有气体分子，它们与水分子之间的粘附力，远比水 分子之间的内聚力要小) ，因而只受到表面和下方水分子的吸引。这些内聚力的总和就 产生了把表面水分子拉向内部的趋势，使水的表面层好像绷了一张弹性薄膜似的，表面 水分子彼此拉的很紧，这种保持液面张紧的力，叫做水的表面张力。在水与液体、气体、 固体接触时，由于接触表面的分子之间的吸引力，水可以承受轻微的张紧力，即所谓的 水的表面张力。在高压水射流切割技术中，水的表面张力很小，可以忽略不计。在特殊 情况下的水中的气泡、大气中的香皂泡、医院所需的毛细管等等，则应考虑水的表面张 力所产生的效应。 2 2 射流的基本结构与特性 高压水射流在切割煤层过程中，工作介质水从喷嘴喷射出去，脱离喷嘴内孔边界约 束，在空气中扩散运动，进而冲击煤壁。由于射流离开喷嘴出口，首先进入空气，发生 混合碰撞，因此将此射流视为非淹没射流。高压水射流喷射到环境介质中，卷吸周围的 环境介质空气，导致射流呈逐渐扩散的趋势，因此射流的运动机理、力学特性、结构分 布都相当复杂。 如图2 一l 中的a 所示，在射流压力很低的范围内，水射流的结构在沿喷嘴射流方向 上可分为四个段：紧密段、核心段、破裂段、水滴段。 低压水射流离开喷嘴出口后，紧接着进入射流紧密段( 如图2 1 中的a 所示) 。紧 密段的水流保持紧密状态，射流断面与喷嘴出口断面面积相等，断面上的速度跟喷嘴出 口速度相等。离开喷嘴出口的水射流与周围的空气发生摩擦，射流表面出现波纹，并且 该波纹的波幅随着射流离开喷嘴出口的距离而逐渐增大，当波幅增大到一定值时，水射 流开始破裂，卷吸周围的环境介质空气，射流表面与空气混合，形成射流边界层。当射 流压力增大时，喷嘴出口速度随之增大，射流由层流状态变为湍流状态，此时射流在喷 嘴内的运动轨迹不再呈现出有条不紊、互不干扰的线性状态，相反，射流在喷嘴内部的 运动轨迹发生了波动，在垂直喷嘴轴线方向上产生了速度，射流质点运动混乱曲折，射 流在喷嘴内部产生小漩涡，射流在离开喷嘴后，出现径向方向的速度，极容易卷吸周围 1 4 太原理工大学硕士研究生学位论文