【正文】 １５１８９２３０２６１２３４５４０１４４６０４６２５５９０６５４０ 下表是在自制試件上鉆孔的實驗記錄；在其他實驗條件不變的情況下，把壓力調(diào)整為30MPa，噴頭的進給速度是20mm/s，初始靶距設(shè)置為90mm,，從而獲得加旋件結(jié)構(gòu)對鉆孔效果的影響。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(guān)系。其原因：隨著射流壓力的升高，參與破巖的射流流量增大，射流的流速和水功率相對增大，相對低射流壓力來說同一截面上的壓力增大，因此，破巖能力相對增大；另外隨著射流壓力的升高，射流的卷吸能力增加，使參與破巖的射流能量增加，射流的沖擊作用、剪切及拉伸作用加強，破巖能力增大；故在巖石性質(zhì)不變噴距不變的情況下，隨著射流壓力的升高其破碎效率提高。對于水射流破巖來說噴距是影響破碎效果的主要因素之一。當噴距很小時旋轉(zhuǎn)射流還沒來得及充分擴散，其截面積小，破碎巖石的孔徑小，同時打擊巖石面后的返回流，有阻礙后續(xù)流的趨勢，使得破碎體積較小。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(yīng)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(yīng)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。[30]也就是說，在旋轉(zhuǎn)射流破巖過程中射流壓力一旦達到破巖的極限壓力滲透率的影響比強度的影響更為明顯巖石的滲透率越大裂紋擴展的速度越快裂紋相互連通快破碎也就越容易。由上述實驗數(shù)據(jù)分析可知旋轉(zhuǎn)磨料射流破巖規(guī)律如下圖所示。開始，沖蝕孔的直徑隨噴距增加而增加；當噴距達到一定值后，直徑開始減小。這是由于隨噴距增加射流中磨料的速度逐漸降低，射流邊緣的沖擊力逐漸低于巖石抗沖擊能力的緣故。巖石破碎坑的深度則隨噴距增加減小幅度大，原因是由于旋流的存在，卷吸周圍流體能力強，導(dǎo)致能量衰減迅速。 不同壓力下鉆孔直徑與深度隨噴距的變化：10MPa下孔徑20MPa下孔徑　10MPa下深度　20MPa下深度 圖8 噴射條件與切割特性 Fig8 The condition of jetting and drilling property由圖可見，隨噴嘴壓降的增加，鉆孔直徑和深度都增加。這是因為噴嘴壓降的增加代表了射流流量和速度的增加，旋轉(zhuǎn)射流的高速旋流區(qū)抗衰減的能力相對增強；從鉆孔直徑來衡量，隨噴嘴壓降增加，最優(yōu)噴距也增加。當考慮連續(xù)鉆長孔眼的情況時，根據(jù)鉆孔直徑來衡量射流的鉆孔效果較為合理。根據(jù)試驗結(jié)果，在20MPa噴嘴壓降下的最大鉆孔直徑為噴嘴直徑的5060倍。則可以依據(jù)旋轉(zhuǎn)射流破巖直徑與壓力基本呈正比的關(guān)系進行推論，在噴嘴壓降達到40MPa時，鉆孔直徑應(yīng)該達到噴嘴直徑的6070倍，完全可以滿足徑向水平鉆孔的要求。旋轉(zhuǎn)磨料射流破巖的體積在噴距達到某一值后，隨噴距增加下降明顯。相應(yīng)的破巖比能在小噴距時增加較為緩慢，在大噴距時增加相對顯著。這說明隨噴距增加，用于破巖的有效能量在減少，而耗費在淹沒流體中的能量隨噴距增加而增加。綜合考慮鉆孔直徑和破巖體積隨噴距的變化，噴距控制為噴嘴直徑的15～25倍鉆進效果比較理想，既能達到鉆大直徑孔眼的目的，又可以獲得高的鉆進速度。由于旋轉(zhuǎn)射流在某一時刻沖擊巖石后沿孔壁旋轉(zhuǎn)返回，而不與后續(xù)射流相干擾，避免了與來流的能量交換，使得來流能夠?qū)⑵淠芰砍浞值刈饔迷趲r石上，提高了射流破巖的效率。但旋轉(zhuǎn)射流能量耗散速率大，隨著距離的增大，旋轉(zhuǎn)射流的破巖優(yōu)勢迅速降低，所形成的巖石破碎坑的深度也明顯減小。前期的試驗結(jié)果證實了上述機理分析，這表明旋轉(zhuǎn)射流與普通射流相比破巖面積大、效率高，但要充分發(fā)揮其優(yōu)勢，必須保證在一定的噴距范圍內(nèi)。因此，對于用高壓水射流鉆超短半徑水平井技術(shù)來說，如何控制水射流鉆頭的合理的噴距非常關(guān)鍵旋轉(zhuǎn)射流具有較強的破巖能力，原因在于旋轉(zhuǎn)射流的每一質(zhì)點均具有三維速度，破巖時以傾斜沖擊為主，易于在巖石表面形成拉伸和剪切破壞，且回流的干擾較少，提高了射流的能量利用率，從而提高了破巖效率。利用旋轉(zhuǎn)水射流可以在巖石中鉆出大直徑孔眼。旋轉(zhuǎn)射流的結(jié)構(gòu)特性不同于普通射流的結(jié)構(gòu)特性，這就導(dǎo)致了其被巖機理和過程不同于普通射流，也就決定了在一定的條件下其破巖面積大、效率高的優(yōu)勢，這已被上面的實驗結(jié)果所證實。 33 5 基于Fluent的旋轉(zhuǎn)錐形射流的分析5 基于fluent的旋轉(zhuǎn)錐形射流的分析 CFD可視化的研究內(nèi)容及研究模型 CFD可視化的研究內(nèi)容總體說來，CFD可視化要完成兩方面工作，建立流場場景和提供交互工具。建立流場場景指繪制流場中各種物理量的分布狀況。交互工具則提供與場景的交互手段。CFD可視化的研究內(nèi)容主要有以下幾個方面口（1） 幾何體與網(wǎng)格的顯示及評估計算幾何體的定義和網(wǎng)格劃分的好壞直接影響到計算的收斂性和精度，CFD可視化要求能夠顯示網(wǎng)格生成的結(jié)果，并提供交互式網(wǎng)格生成和質(zhì)量檢測技術(shù)。（2） 計算過程的顯示與流體結(jié)構(gòu)辨識為加深對CFD的研究，有必要跟蹤顯示CFD的計算過程，這樣就可以方便地檢驗算法的正誤和直觀感受結(jié)果的生成。流體運動中會形成多種結(jié)構(gòu)，如激波和渦，CFD可視化要提供對此類結(jié)構(gòu)的辨識。（3） 結(jié)果顯示與分析結(jié)果顯示就是繪制流場和物理量的分布狀況。CFD中涉及到的物理量有速度、溫度、壓力、密度、渦強和應(yīng)力等，CFD可視化要支持這些物理量的三維顯示。結(jié)果分析指通過提供交互技術(shù)(如視角變換)對流場進行觀測和研究，并要求提供盡可能實時的操作環(huán)境。（4） 數(shù)據(jù)比較是通過提供直接的可視化比較方法促進不同CFD模擬或CFD模擬與實驗結(jié)果之間的快速比較。根據(jù)研究內(nèi)容的不同，CFD可視化分三種類型進行處理，后處理(Postprocessing),跟蹤處理(Tracking)和駕馭處理(Steering)I 。在后處理方式下，CFD計算和結(jié)果顯示是分開進行的，二者之間不能發(fā)生交互作用:跟蹤處理是指實時顯示計算過程，研究人員可以根據(jù)需要中止一個計算并開始下一個計算:駕馭式是計算與可視顯示的最高級結(jié)合，研究人員不僅能實時觀察到當前計算的狀態(tài)，還能進行實時干預(yù)，修改某些參數(shù)，讓計算從某一指定的位置開始執(zhí)行等。目前CFD可視化研究士要集中于后處理方式。[40][41] CFD可視化的研究模型目前，廣泛采用的是面向數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)流模型(Data Flow Model)，在數(shù)據(jù)流模型中，濾波是從原始數(shù)據(jù)中提取感興趣的數(shù)據(jù)；映射是構(gòu)造數(shù)據(jù)的幾何表示；繪制則是將數(shù)據(jù)的幾何表示轉(zhuǎn)換成可被顯示的圖像信息。此模型很容易理解和利用，但它沒有考慮可視化技術(shù)同應(yīng)用領(lǐng)域之間的關(guān)系，為此，Brodile又提出了可視化過程的模型中心法(ModelCentered Approach)。在模型中心法中，建模指從采樣數(shù)據(jù)構(gòu)造經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，此模型要與應(yīng)用領(lǐng)域相一致，以便于數(shù)據(jù)的正確插值等處理。觀察是根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域的不同，選擇合適的技術(shù)顯示數(shù)據(jù)，如用直接體繪制顯示CT數(shù)據(jù)，用流線顯示CFD速度場等。同數(shù)據(jù)流模型相比較，模型中心法的建模相當于數(shù)據(jù)流模型中濾波的一部分，觀察對應(yīng)于余下的部分。模型中心法考慮到了不同應(yīng)用領(lǐng)域的不同需求，更符合現(xiàn)實的需要。[42][43] 矢量場和張量場可視化技術(shù)[44][45][46][47]（1） 矢量場可視化技術(shù) CFD可視化中標量場的可視化技術(shù)日前研究己經(jīng)相當成熟，但是矢量和張量顯示是可視化中兩個比較困難的應(yīng)用方面，這主要是因為自然界中不存在表示矢量和張量數(shù)據(jù)的顯而易見可視表達方式，因此對矢量場和張量場的可視化，最主要的工作便是尋找這些數(shù)據(jù)場的簡單的、能為人們所接受的表示方式，以及數(shù)據(jù)同表示之間映射關(guān)系的構(gòu)造。（2）箭標圖(ArrowP lot) 箭標圖是最簡單的顯示矢量數(shù)據(jù)的方法，它用箭頭表示矢量的方向，長短表示矢量的大小。（3） 流 線(Streamlines), 跡線(Pathlines)、條紋線(Streaklines)和等時線(Timelines)；流場線指與矢量場相切的各種線。流線是流場中與速度矢量相切的線。跡線是流場中單個粒子的運動軌跡。條紋線指經(jīng)過某一點的所有粒子所形成的線，可由跡線方程間接求解。一股情況下，流線、跡線、條紋線是不同的，但在定常流中，它們是重合的。等時線是在流場中釋放的線粒子，它們在不同時刻仍是一條線。它可用于觀察流場畸變、收斂、擴散等特性。等時線也可通過跡線方程求解。（4） 流面 (Streamsurfaces)、流管(Streamtubes)、流帶(Streamribbons)、流多邊形(Streampolygons)和流球(Streamballs)如果在流場中取一條開放或者閉合的曲線，對曲線上每一點都計算流線，就得到了一個流面:如果曲線是閉合的，稱之為流管。但如果不是在每一點都計算流線，而是用多邊形連接相鄰的流線，就得到了流帶。流面和前述的幾種線表示對于揭示矢量場的剛體平移特性很有效，而流管和流帶則還能揭示出流場沿流線的旋轉(zhuǎn)特性。流多邊形是沿流線放置的一些規(guī)則多邊形，法向同速度矢量方向相同。根據(jù)沿流線的多邊形的形狀變化，流多邊形能完整揭示沿流線的各種剛體平移、剛體旋轉(zhuǎn)和各種應(yīng)力應(yīng)變特性。流球則是一種能很好揭示矢量場收斂發(fā)散特性的技術(shù)。近來又發(fā)展了不基于流場線的構(gòu)造算法。（5） 粒子 (Particles)及粒子動畫(ParticlesA nimation)實現(xiàn)流場顯示的一種很有效的方法是粒子動畫。粒子動畫中除使用一般的點粒子外，Stolk和Van Wijk還引入了面粒子(Surface particles)的概念。此外，還可以在同一個流場中采用不同形狀的粒子表示不同的結(jié)構(gòu)或者采用紋理(Texture)方式。（6） 矢量場拓撲(Vector Field Topology) 拓撲分析的基礎(chǔ)是臨界點理論。矢量場拓撲包含臨界點(矢量的大小為零)和連接這些臨界點的積分曲線及積分曲面。矢量場拓撲顯示整個流場的拓撲結(jié)構(gòu)，冗余信息少。（7） 拓展的體繪制技術(shù)(Extensions of Volume Rendering)體可視化技術(shù)的優(yōu)點促使人們探索矢量場的體繪制技術(shù)。但直接的體繪制是不能同時表現(xiàn)矢量場的大小和方向特征的，矢量場體繪制的要點在于尋求矢量場方向特征的體繪制表示。目前矢量場的體繪制趨勢有兩種。一種是體繪制動畫。另一種拓展的體繪制方法是使用各向異性的體紋理(Volume Textures).（8）張量場可視化技術(shù)張量場的顯示技術(shù)分為兩類。一類是針對某具體位置的圖符顯示。屬于這一類的方法有張量探針、特征曲面和軸盤圖等。另一類是沿特征線顯示張量數(shù)據(jù)，它可揭示張量場的整體結(jié)構(gòu)，屬于這一類的有超流面及其派生的顯示方法:同時具有這兩種特點的有流管、流帶、流多邊形和流球。 張量探針(Tensorp robePZI張量探針是一種矢量梯度張量的圖符顯示技術(shù)。張量探針對張量采用分解法研究，將其分解成軸對稱部分(拉伸和剪切)和非軸對稱部分(旋轉(zhuǎn))。其計算過程如下。首先，對矢量求空間偏導(dǎo)數(shù)，得到三個線應(yīng)變分量，三個剪切應(yīng)變分量，三個旋轉(zhuǎn)分量:然后，將這九個量沿矢量方向進行分解成與矢量方向相平行方向上的變形和與矢量方向相垂直方向上的變形兩部分:最后，將與矢量方向相平行方向上的變形合成為加速度、彎曲度和剪切變化率三部分，將與矢量方向相垂直方向上的變形合成為旋轉(zhuǎn)(扭矩)和收斂一發(fā)散兩部分。 超流線是環(huán)繞張量場中某一特征向量的有限大小的流管，截面積的大小由與此特征向量正交的另兩個正交特征向量的拉伸量聯(lián)合決定。超流線沿軌跡完整顯示張量數(shù)據(jù)。（9） CFD可視化的進一步研究以上研究的都是在一幅圖像上顯示單一流場(即單一變量)的情況，我們稱之為單變量數(shù)據(jù)顯示。如果在一幅圖像上同時顯示多個流場，則稱之為多變量數(shù)據(jù)顯示。在二維域上，兩變量數(shù)據(jù)顯示很容易，如在表現(xiàn)溫度場的二維圖像上疊加上等值線表現(xiàn)壓力等，但要同時表現(xiàn)三個標量或在三維域上表現(xiàn)一個以上變量，由于視覺混淆這種方法不再適用，因此多變量數(shù)據(jù)顯示絕對不是單變量顯示圖像的簡單疊加，必須開發(fā)相應(yīng)的專用技術(shù)。我們認為，如在一個點上顯示多變量信息，開發(fā)基于圖符(Glyph)的表示是一種理想的選擇。如在一條線上顯示多變量數(shù)據(jù)，我們已經(jīng)找到了一種顯示一個矢量場和一個標量場的方法，用流場管表示矢量場，但流場管的截面積是隨著標量場變化的，如在流場面上顯示多變量數(shù)據(jù)，可采用簡單疊加，但這些方法僅適于兩變量，要顯示更多變量的信息恐怕也只能借助于更抽象的圖符表示。除了多變量數(shù)據(jù)顯示之外，還要顯示多變量之間的依賴關(guān)系，如壓力怎樣隨著速度和密度而變化，這種顯示肯