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偏转水射流煤层钻孔的射流特性研究

作　者: 夏永军
导　师: 文光才；孙东玲
学　校: 煤炭科学研究总院
专　业: 安全技术及工程
关键词: 偏转水射流 钻孔 喷嘴 数值模拟 射流特性 应力波
分类号: TD712.6
类　型: 硕士论文
年　份: 2005年
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内容摘要


瓦斯抽放是治理瓦斯的基本措施，而抽放瓦斯需要在煤层中钻长孔。常规的机械钻孔技术是靠钻杆旋转带动钻头切割煤，钻头与钻孔之间紧密接触，容易出现卡钻、夹钻、钻头磨损快等问题。使用高压水射流技术在煤层中钻孔，由于射流钻头和钻孔是非接触的，从而可以在一定程度上避免卡钻、夹钻、钻头磨损快等问题，且通过高压水射流还能实现对钻孔的扩充，增加钻孔的有效抽放半径。在国内，用高压水射流在煤层中钻孔是一项新技术，重点需要对射流钻头以及射流特性进行研究。 本文在分析国内外高压水射流理论与技术研究现状的基础上，对淹没水射流的自模性、扩散性和速度衰减性做了洋细分析和论述，初步设计了用于煤层钻孔的偏转水射流钻头。对射流喷嘴的运动规律进行理论分析，得出了影响射流喷嘴旋转速度各参数的匹配关系。采用了标准的κ-ε双方程模型对射流速度和压力的变化规律进行了数值模拟。为了进一步研究水射流特性，论文对射流打击力和射流冲击压力实验测试进行了分析说明。同时论文还对高压水射流破煤机理进行了分析和论述。论文主要工作和结论如下： （1） 通过理论分析，得出射流反冲力F=Qvj。 （2） 运用牛顿动力学定律，理论计算出影响旋转喷嘴转速的各因素取值范围：射流压力p应大于（Mρ）／（50πRC2d2sinα），偏角α取值必需大于arcsin （Mρ）／（50πRC2d2p），旋转半径尺取值应大于（Mρ）／（50πC2d2psinα），喷嘴直径d的取值应大于2（Mρ）／（50πRC2psinα）。 （3） 通过对射流特性的数值研究，发现同一喷嘴直径同一初速度下不同断面的速度分布规律相似，都服从正态分布；射流出口轴心初速度大小的改变不会影响射流总压力的分布规律，喷距的改变会影响总压力的分布形状，射流总压力都服从正态分布；同一喷嘴直径不同轴心初速度下射流轴心速度衰减规律具有相似性，

全文目录


摘要  3-5
ABSTRACT  5-9
1 总论  9-16
  1.1 研究的目的和意义  9-10
  1.2 高压水射流的研究进展  10-14
    1.2.1 高压水射流理论的研究概况  10-12
    1.2.2 高压水射流技术的研究概况  12-13
    1.2.3 近年高压水射流钻头及喷嘴研制的发展  13-14
  1.3 水射流煤层钻孔技术的提出  14-15
  1.4 拟定研究的内容和方法  15-16
2 紊流淹没射流的特性研究  16-24
  2.1 紊流射流的一般特性  16-17
  2.2 淹没射流速度分布规律  17-22
    2.2.1 淹没射流时均速度分布的自模性  17-19
    2.2.2 紊流淹没射流的扩散性  19-21
    2.2.3 紊流淹没射流轴心线上的速度变化规律  21-22
  2.3 本章小结  22-24
3 偏转水射流的特性及喷嘴的运动规律  24-35
  3.1 偏转水射流的运动方程及其近似分析  24-25
  3.2 旋转喷头及喷嘴的结构  25-27
  3.3 影响双喷嘴旋转的参数理论研究  27-34
    3.3.1 射流反冲力的理论推导  27-29
    3.3.2 影响喷嘴旋转的主要参数  29-34
  3.4 本章小结  34-35
4 偏转水射流特性的数值研究  35-56
  4.1 射流流场模拟进展  35-36
  4.2 紊流射流数值模拟方法  36-40
    4.2.1 基于紊流粘性系数法的数值模型  37-38
    4.2.2 紊流流场模拟中常用的数值计算方法  38-39
    4.2.3 SIMPLE计算方法  39-40
  4.3 物理模型和流动控制方程  40-44
  4.4 数值模拟结果及讨论  44-54
    4.4.1 流场基本结构描述  44-45
    4.4.2 冲击射流流场内的速度分布规律  45-47
    4.4.3 冲击射流流场内的压力分布规律  47
    4.4.4 不同工况下射流的类比分析  47-54
  4.5 本章小结  54-56
5 水射流特性的实验研究  56-69
  5.1 射流打击力测试  56-64
    5.1.1 射流打击力测定方法及装置  56-59
    5.1.2 实验前的准备工作  59
    5.1.3 实验数据分析  59-64
  5.2 射流冲击压力测试  64-68
    5.2.1 射流冲击压力实验测试方法及装置  64-66
    5.2.2 实验前的准备工作  66
    5.2.3 实验数据分析  66-68
  5.3 本章小结  68-69
6 高压水射流破煤机理  69-74
  6.1 高压水射流对煤的冲蚀破碎效应  69-73
  6.2 本章小结  73-74
7 结论和建议  74-76
致谢  76-77
主要参考文献  77-79

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中图分类: > 工业技术 > 矿业工程 > 矿山安全与劳动保护 > 矿井大气 > 矿井瓦斯 > 瓦斯抽放
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