【正文】 。隨著噴距的增加，旋轉(zhuǎn)射流得到充分擴散，其截面積增大，由于旋轉(zhuǎn)射流整體呈錐型，返回流與來流具有一定的夾角，互不影響，而且返回流同樣具有三維速度，在旋轉(zhuǎn)返回時也參與破碎，使得破碎直徑和體積增加，當超過一定的噴距后，旋轉(zhuǎn)射流邊界上的壓力已達不到破巖的極限壓力，同時射流截面上壓力和速度降低，使得破碎深度和直徑都減小，破碎體積減小，因此應存在一個最優(yōu)噴距針對不同滲透性巖石及自制水泥石進行旋轉(zhuǎn)射流破巖成孔試驗，表明在同噴距同射流壓力條件下，隨著巖石滲透率的增加，旋轉(zhuǎn)射流破巖成孔的深度直徑和體積都明顯增加，其原因主要有兩個方面：其一，滲透率增加，相對應地孔隙度增加，巖石的強度減小，破碎需要的極限壓力低，同樣的旋轉(zhuǎn)射流截面積，則破碎效率提高了；其二，巖石的滲透率大，同樣能量的水射流進入巖石的速度快，形成的拉伸水楔作用強在破碎點周圍形成的破碎就大破碎效果就好。表3 加旋件幾何尺寸與孔徑Table3 The size of whirling part and hole dia.序　號加旋元件頭數(shù)t加旋元件螺距P（mm）鉆孔孔徑D（mm）中心孔１２８４４無２３８４０無３４８３４無４２８４６有５３８４０有６４８３５有 為了了解射流壓力對旋轉(zhuǎn)射流破巖規(guī)律的影響在保持破巖其他參數(shù)不變的前提下改變射流壓力(8 MPa)進行試驗研究結(jié)果表明隨著射流壓力的升高破碎體積破碎巖石的無因次深度以及直徑逐漸增加但增加幅度不同破碎巖石的無因次深度以及直徑，隨射流壓力基本成線性關系。為滯止壓力。此外，Crow模型中部分公式在因次上有矛盾之處，也有待修正?！碚撘苿铀俣?。 (1) Crow模型 Crow的切割理論模型中對巖石特性考慮較為全面，包括巖石的晶粒大小、滲透率、孔隙度、剪切應力、內(nèi)摩擦系數(shù)和庫侖摩擦系數(shù)等。可用理想的彈性理論來計算應力分布并使用Griffith破壞準則。密實核—劈拉破巖理論重視了巖石強度性能的差異對水射流破碎巖石的影響，并結(jié)合能量狀態(tài)的演變對部分水射流破巖過程進行了解釋。兩種理論雖定性解釋但各自考慮側(cè)重點不同。隨著水射流的繼續(xù)沖擊或沖擊壓力的增加，剪切裂紋擴展并匯接到?jīng)_擊接觸面，形成由剪切破碎的細巖粉組成的球形密實核。拉伸—水楔破巖理論認為，水射流沖擊力可簡化為作用于巖石半空間彈性體平面上的集中力。對于低速旋轉(zhuǎn)的自旋轉(zhuǎn)噴頭，其破巖過程方式具有明顯的特殊性。此時將有兩個自變量和。（3－10）式即表示了流槽加旋段內(nèi)液體可能出現(xiàn)得一元軸對稱螺旋流的速度函數(shù)關系。類似于“固體”。對于不可壓縮均質(zhì)液體，其連續(xù)性方程可表為： （3－9）由（3－5）及（3－6）式可見，其中四個待定參數(shù)及分別對應于四個偏微分方程。在有旋流動中，有一種流動引起了人們的注意，這就是螺旋流動。不同的加旋方式所得的射流出口軸向和旋動速度的分布各不相同，紊動特性也有差異。若以柱坐標表示旋轉(zhuǎn)射流，射流各點的流速可分解為三個分量:軸向流速、徑向流速和切向流速。第1段為圓管進液段，該段內(nèi)磨料漿體的運動形式是典型的液固兩相流在有壓管道內(nèi)的流動；第2段為流槽加旋段，在該段內(nèi)的介質(zhì)運動屬于強制性的圓柱形螺旋流動；第3段為一帶錐芯的錐形收縮段，其內(nèi)部的介質(zhì)運動也是強制性的，但屬于收斂錐形螺旋流動。因此，閥在關閉（即截止狀態(tài)）時，閥芯不受徑向和軸向液壓力。通過幾次結(jié)構(gòu)改進，成功地克服了閥芯易被磨料顆粒研住，轉(zhuǎn)動困難的問題，使用情況良好。為防止輸送管路堵塞，在磨料斗下部設置一貫通管與工作臺相連，利用工作臺內(nèi)的存水，在砂漿泵啟動或停止時清洗管道。灌裝系統(tǒng)運行時，在磨料斗和磨料罐之間形成水與磨料的位置交換。同時，考慮到高壓容器使用安全的原因，其頂部的裝料口也不能太大，這樣，采用一般的諸如螺旋式輸送機、彈簧輸送機等機械進行磨料的裝加，其裝料效率很低。為防止雜物落入篩砂斗內(nèi)，在篩分裝置的頂部設置了防護罩，篩分時只需將待篩分的磨料送入防護罩的加料口即可保證外部雜物不落入篩砂斗內(nèi)。由此可以定出篩網(wǎng)孔徑的大小，此時篩下磨料的粒徑一般均小于D/3。為滿足可對潮濕磨料進行高效、嚴格篩分的要求，采用了淹沒濕式篩分方式。 淹沒式篩分裝置的設計篩分裝置的功用是將切割工件時所用的磨料進行篩分、存儲，供灌裝使用。 卸壓裝置的設計由于磨料罐是一密閉的高壓容器，若工作前罐內(nèi)存留空氣，在工作時存留的空氣將受到壓縮從而儲存大量的壓力能，系統(tǒng)停止工作后這些壓縮空氣將膨脹成為新的動力源。向下運動的磨料將進入混合腔與主回路的高壓水再次混合，形成一定濃度的磨料與水介質(zhì)的兩相流，并在管內(nèi)流動的過程中進一步完成磨料與水的混合。圖3 磨料射流發(fā)生裝置Fig3 Abrasive water jet producing set 磨料的注入及濃度調(diào)節(jié)如何在高壓狀態(tài)下將磨料罐內(nèi)的磨料注入系統(tǒng)的管路中并能對磨料的注入量進行調(diào)控是形成前混合磨料射流的關鍵。 (5)具有一定的容積，可保證一定的連續(xù)作業(yè)時間。該裝置具有以下功能：(1)該裝置可以在低于40MPa工作壓力的范圍之內(nèi)，使高壓罐內(nèi)的磨料穩(wěn)定、均勻、流暢地進入混合腔，并與高壓水充分混合形成液固兩相流。經(jīng)節(jié)流閥流入混合室的高壓水流，在混合室與磨料與均勻混合后，經(jīng)管路至旋轉(zhuǎn)錐型噴嘴噴出，形成極高旋轉(zhuǎn)速度的高壓水射流。 課題研究的主要內(nèi)容和意義筆者通過對以往大量文獻的閱讀和總結(jié)，在理論上對旋轉(zhuǎn)錐型射流的基本機理及其運動規(guī)律作較為詳細的描述，并應用計算機仿真技術對旋轉(zhuǎn)射流噴嘴不同參數(shù)的加旋體在一定壓力下噴射狀態(tài)進行模擬，同時將模擬結(jié)果與大量試驗參數(shù)進行比較，進而獲得對旋轉(zhuǎn)錐型射流的規(guī)律性進一步認識，使旋轉(zhuǎn)錐型射流設備現(xiàn)場工作參數(shù)化。噴射鉆井的一個顯著特點就是從鉆頭噴嘴中噴出強大的鉆井射流，它具有很高噴射速度和很大水功率，能給予井底巖屑一個很大的沖擊力，從而使巖屑及時、迅速的離開井底，始終保持井底干凈。但如果使徑向水平井技術成功地應用于井深2000m甚至更深的油層或較硬的地層，必需提高射流的破巖能力。旋轉(zhuǎn)錐形射流鉆孔水力開采技術就是這類最有前景的開采技術之一，它是基于鉆孔技術和水力學原理之上的一種礦產(chǎn)開采新方法。隨著世界各國經(jīng)濟的飛速發(fā)展，普遍面臨地下淺部富礦的日趨枯竭，開采深部礦產(chǎn)和淺部貧礦勢必造成開采成本增加。但在用于長連續(xù)孔眼的鉆進應用中一直受到限制，這主要是長連續(xù)孔眼的形成必須具備以下三個條件：一是形成的孔眼要有足夠大的面積；二是形成的孔眼必須具有規(guī)則的形狀；三是具有較高的破巖效率和鉆進速度。其研究結(jié)果主要有：噴嘴錐角增大，旋轉(zhuǎn)射流的擴散角增大；噴嘴出口段的長度在能夠滿足射流穩(wěn)定和均勻要求的前提下越短越好；葉輪的導向角增大，射流的擴散角增大，基本呈線性關系。他關于表觀運動粘性系數(shù)為常數(shù)，即渦粘性系數(shù)為常數(shù)的概念，是假定最大軸向速度與旋轉(zhuǎn)射流特征半徑的積沿軸向保持不變。射流寬度和質(zhì)量流量隨旋度增加，對于強旋轉(zhuǎn)射流，其擴展寬度和卷吸率幾乎是無旋轉(zhuǎn)普通射流的兩倍。1993年，余常昭采用導葉加旋方式在水槽中形成低紊動旋轉(zhuǎn)水射流，并用激光流速儀對流場進行了測量，得到旋轉(zhuǎn)射流的流動形態(tài)、軸向速度分布、旋轉(zhuǎn)速度分布及紊動強度分布等。Rose采用的實驗流體為氣體并用熱線流速儀測量了旋轉(zhuǎn)射流的流速場，其測量結(jié)果表明，軸向速度仍存在高斯型相似性剖面旋轉(zhuǎn)速度分布也存在相似性。這樣就可以在很小區(qū)域內(nèi)集中極大的能量來切割或破碎各種物料。試驗表明，使用磨粒的磨料射流，其切割金屬的效果較好。2．磨料粒度磨料粒度是磨料最重要的參數(shù)，一般將磨料的概率尺寸稱為粒度。磨料的硬度、粒度、形狀和密度對磨料射流的切割能力有較大的影響。至于加旋元件的磨損處，則是在迎著磨料漿液的流槽側(cè)面，且磨損情況相對較輕。磨料漿液經(jīng)過加旋元件后產(chǎn)生一定的圓周速度，從而產(chǎn)生離心力。由于加旋元件的存在，從上游的來流被迫收斂進入螺旋槽內(nèi)。根據(jù)普通射流的水動力學結(jié)構(gòu)可知，射流的等速核內(nèi)部不存在橫向的速度梯度,因而射流的擴散度較小。根據(jù)近年國際! 國內(nèi)高壓水射流技術會議資料的分析，目前各國在這方面開展的工作有以下特點：絕大多數(shù)采用純高壓水射流進行鉆孔，而利用其它射流品種的情況較少；射流的工作壓力較高(70~240MPa)! 功率較大(幾十至幾百千瓦)； 除錐形水射流外，其余各種方法均為多股偏置射流，噴嘴數(shù)量多且具有使噴嘴旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)動部件。旋轉(zhuǎn)射流出射后在周圍環(huán)境流體中的擴展比相應的無旋轉(zhuǎn)流動的普通射流快，其卷吸能力、摻混作用、軸線速度的衰減均比普通射流大。旋轉(zhuǎn)射流又稱旋動射流，是自由射流加旋轉(zhuǎn)的一種復合流動，其流動情形較為復雜，大多處于紊流狀態(tài)。經(jīng)不斷努力，目前已基本上解決了磨料的收集、篩分及灌裝等配套技術問題，使該項技術具備了實用性 。換句話說，磨料罐內(nèi)的磨料量的多少并不會對磨料產(chǎn)生影響。 1－水箱； 2－高壓泵； 3－壓力表； 4－節(jié)流閥； 5－引射器； 6－閘閥；7－流量計； 8－單向閥； 9－安全閥； 10－磨料罐； 11－噴嘴圖3 引射注入式前混合磨料射流系統(tǒng) Fig3 The infusung system of former mixing style abrasive water jet
基于上述思想，設計出圖4所示新型前混合式磨料射流系統(tǒng)。當射流開始噴射之后，磨料罐內(nèi)的磨料在上下壓差的作用開始作加速流動，很快就達到一個相對穩(wěn)定的給料量，這就是磨料供料供給的啟動過程。[9][10][11]大量的試驗表明，上述兩種前混合式磨料射流系統(tǒng)都存在著磨料供給不均勻的問題。供磨料裝置主要由高壓磨料罐、引射器、控制閥和供水系統(tǒng)等組成。與純水射流相比，磨料射流將純水射流對物料的靜壓連續(xù)作用改變?yōu)槟チ狭Ｗ恿鲗ξ锪系母哳l撞擊與沖蝕作用，其作用效果大為改觀。1982年安徽理工大學高壓水射流研究所劉本立教授等人，首先設計出了前混合式磨料射流試驗臺，如圖2所示，其工作特點是：從泵站出來的高壓水，一股通往磨料罐的上部；一股通往混合室。由于后混合磨料射流具有很高的軸向速度，而磨料粒子進入混合室時速度很低，因而磨料粒子難以進入到射流的中心部分，導致切割效率較低，并且容易導致堵塞。該機器有進給速度快、切割質(zhì)量好、可切割材料厚度大等優(yōu)點。后混合式磨料射流系統(tǒng)原理如圖1－1所示。磨料射流按水與磨料的混合方式可分為后混合式磨料射流和前混合式磨料射流兩種類型。根據(jù)后混合磨料射流技術的工作原理，美國首先研制了第一臺商業(yè)用途的磨料射流切割機器，并在美國投入使用。為了推廣后混合磨料射流技術的應用，研究人員對磨料粒子的加速機理、噴嘴結(jié)構(gòu)對射流的影響、各種參數(shù)（如工作壓力、流量、靶距、進給速度、磨料）對切割或清洗性能的影響、不同材質(zhì)的切割機理進行研究，井獲得了不少成果。因而本文將以前混合磨料射流數(shù)控切割機床為基礎，在這一領域進行深入的研究，以進一步推動這一項目的產(chǎn)業(yè)化，使這一新產(chǎn)品早日能走向各行各業(yè)。磨料供給量通過供料閥進行調(diào)節(jié)。1－高壓泵 2－單向閥 3－磨料罐 4－供砂閥 5－壓力表 6－噴嘴 7－混合室 8－節(jié)流閥 9－安全閥圖2 前混合式磨料射流系統(tǒng)圖 Fig2 The system of former mixing style abrasive water jet1982年，英國BHRA(英國流體力學研究協(xié)會)也同時研制出了引射注入式前混合磨料射流系統(tǒng)，如圖3所示。高壓水從引射器噴出時，導致混合室的壓力降低，同時，磨料罐錐底處被流態(tài)化的磨料，在上面的壓力作用下注入引射器的混合室，并被卷入到高速水流中，與水均勻混合，夾帶著磨料的高速水經(jīng)輸送管道至磨料噴嘴，經(jīng)磨料噴嘴噴出，形成前混合磨料射流。這是由于：在系統(tǒng)開始工作之前，磨料罐內(nèi)的磨料處于靜壓狀態(tài) ，速度為零。磨料供給量也就不斷增大。也就是說，磨料間隙內(nèi)的流體所承受的壓力梯度恒定，為，并在作用下作向上滲流運動，與磨料罐內(nèi)的磨料的高度無關（是磨料與水的混合密度）。前混合磨料射流是安徽理工大學機械系高壓水射流研究所的專利技術（發(fā)明專利號：）。即通過在高壓輸送管路中將磨料加入管線，磨料和高壓水混合后同時經(jīng)過旋轉(zhuǎn)射流噴嘴，從而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磨料射流。在旋轉(zhuǎn)非常強的情況下，軸向逆壓梯度足以形成沿軸向的反向流?；谶@一結(jié)果，近年來各國研究人員對磨料旋轉(zhuǎn)射流鉆孔技術進行了大量的研究。這樣才能保證在較大尺寸的供水管和較小尺寸的噴嘴條件下集中射流的能量，有效地實施破碎和連續(xù)鉆進。通過對各種加旋方式進行分析、比較，并考慮磨料粒子的磨蝕性,最終采用了非標準螺旋形的加旋元件。由于加旋元件的存在，不僅使射流的結(jié)構(gòu)發(fā)生了質(zhì)的變化，而且給噴頭的壽命帶來影響。噴頭錐形收縮段的收口處磨損亦較為嚴重。 1．磨料種類 磨料一般可分為礦物系、金屬系和人造礦物質(zhì)；通常選用磨料的原則是： (1)切割效果好； (2)價格低廉，貨源充足。 金剛砂磨料的切割效果最好，但價格昂貴，一般用在精度要求較高的地方。磨料的粒度和符號有兩個標準，一個標準是以磨粒的公稱尺寸()來表示；另一個標準是用每英寸長度篩網(wǎng)的網(wǎng)眼數(shù)來表示，磨料粒度參數(shù)的標志，是在數(shù)字的右上角加一字符號。高壓水射流所采用噴嘴出口直徑較小，通常在23mm以下，有時僅為零點幾毫米。較早的實驗工作有，1960年ULLrich做了許多旋轉(zhuǎn)射流的實驗，采用切向進氣和可調(diào)導葉旋轉(zhuǎn)組成的旋轉(zhuǎn)射流發(fā)生器來產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)射流，實驗發(fā)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)射流存在不穩(wěn)定性；1962年Rose用快速旋轉(zhuǎn)管道的方法近乎充分發(fā)展的紊動旋轉(zhuǎn)射流，實際上這種方法只能獲得低旋轉(zhuǎn)射流。用這種方法，他們得到了一個連續(xù)變化的旋轉(zhuǎn)角速度。但10倍噴嘴直徑后，旋渦的影響變小，剖面呈現(xiàn)相似性。在分析中應用了普朗特的混合長度理論，并認為若用一個表現(xiàn)紊流運動的粘性系數(shù)代替層流運動粘性系數(shù)，則層流旋轉(zhuǎn)射流的解可應用于紊流旋轉(zhuǎn)射流