【正文】 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(qiáng)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(qiáng)制性的，但屬于收斂錐形螺旋流動。設(shè)計規(guī)定，此閥在磨料罐卸壓后進(jìn)行操作。因此，閥在關(guān)閉（即截止?fàn)顟B(tài)）時，閥芯不受徑向和軸向液壓力。該截止閥要求在截止?fàn)顟B(tài)時能承受高壓，低壓導(dǎo)通時能輸送砂漿，既要有密封性又要有耐磨性。通過幾次結(jié)構(gòu)改進(jìn)，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。此閥為一兩位三通轉(zhuǎn)閥，閥的工位有兩個，一位為供砂位，用于向砂漿泵供放砂漿；另一位為供放清水位，用作灌裝系統(tǒng)的清理。為防止輸送管路堵塞，在磨料斗下部設(shè)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。使采用靜水漿化是磨料灌裝系統(tǒng)的技術(shù)創(chuàng)新點。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。針對上述情況，經(jīng)研究和多次實驗，決定采用漿體灌裝方式來實現(xiàn)磨料的裝加。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(jī)、彈簧輸送機(jī)等機(jī)械進(jìn)行磨料的裝加，其裝料效率很低。在一定的壓力下，磨料罐的壁厚與直徑成正比，因而為了制造方便，其容積的大小一般不采用增減直徑而采用增減高度來實現(xiàn)。為防止雜物落入篩砂斗內(nèi)，在篩分裝置的頂部設(shè)置了防護(hù)罩，篩分時只需將待篩分的磨料送入防護(hù)罩的加料口即可保證外部雜物不落入篩砂斗內(nèi)。篩網(wǎng)以一定的深度淹沒在水中，以保證能夠進(jìn)行濕式篩分。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。篩框的往復(fù)次數(shù)在考慮篩分效率和動載荷大小等因素的情況下，根據(jù)多次試驗的結(jié)果。為滿足可對潮濕磨料進(jìn)行高效、嚴(yán)格篩分的要求，采用了淹沒濕式篩分方式。⑵能對潮濕的磨料進(jìn)行篩分，這樣可以直接復(fù)用噴射出的磨料，減低切割成本。 淹沒式篩分裝置的設(shè)計篩分裝置的功用是將切割工件時所用的磨料進(jìn)行篩分、存儲，供灌裝使用。為此從磨料罐頂部引出一手動卸壓裝置，當(dāng)啟動高壓水泵向罐內(nèi)注水時，開啟手動卸壓裝置；在卸壓裝置出水后即可關(guān)閉，此時表明罐內(nèi)已無存留空氣。 卸壓裝置的設(shè)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。分流管路中水流量的多少決定了磨料濃度的大小。向下運動的磨料將進(jìn)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(jìn)一步完成磨料與水的混合。首先，從磨料罐底部通過分流管路引入部分高壓水進(jìn)入罐內(nèi)的局部漿化裝置，與罐底部的磨料進(jìn)行混合；由此形成磨料與水的局部漿化。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(jìn)行調(diào)控是形成前混合磨料射流的關(guān)鍵。罐口采用熱滾一次成型工藝，沒有焊封，耐壓強(qiáng)度高。 (5)具有一定的容積，可保證一定的連續(xù)作業(yè)時間。(3)磨料的供給量（磨料濃度）可以方便地進(jìn)行調(diào)節(jié)、控制。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(jìn)入混合腔，并與高壓水充分混合形成液固兩相流。 圖2 前混合磨料射流數(shù)控系統(tǒng)實物圖 Fig2 The practicality of system former mixing abrasive water jet 發(fā)生裝置應(yīng)具有的功能磨料射流發(fā)生裝置是切割機(jī)床的核心技術(shù)所在（見圖3）。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。如下圖： 2. 調(diào)壓閥 3. 混合室 4. 旁路截止閥 5. 卸壓閥 6. 磨料罐 7. 磨料截止閥 8. 高壓截止閥 9. 砂漿泵 10. 水砂輸送兩用閥 11. 磨料斗 12. 篩框 13. 旋轉(zhuǎn)錐型噴頭 14. 工件 15. 工作臺圖1 前混合式旋轉(zhuǎn)錐型磨料射流發(fā)生裝置 Fig1 The equipment former mixing whirling cone abrasive water jet圖2是安徽理工大學(xué)前混合式磨料水射流數(shù)控系統(tǒng)實物圖；這套系統(tǒng)的工作特點是：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。 課題研究的主要內(nèi)容和意義筆者通過對以往大量文獻(xiàn)的閱讀和總結(jié)，在理論上對旋轉(zhuǎn)錐型射流的基本機(jī)理及其運動規(guī)律作較為詳細(xì)的描述，并應(yīng)用計算機(jī)仿真技術(shù)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(jìn)行模擬，同時將模擬結(jié)果與大量試驗參數(shù)進(jìn)行比較，進(jìn)而獲得對旋轉(zhuǎn)錐型射流的規(guī)律性進(jìn)一步認(rèn)識，使旋轉(zhuǎn)錐型射流設(shè)備現(xiàn)場工作參數(shù)化。鉆井液射流的作用，不僅能使巖屑沖離井底，而且在一定條件下可直接破碎巖石，這一理論己被噴射鉆井的實踐所證明。噴射鉆井的一個顯著特點就是從鉆頭噴嘴中噴出強(qiáng)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。[22][23] 旋轉(zhuǎn)射流鉆井技術(shù)是高壓水射流技術(shù)在石油鉆井中的一個具體應(yīng)用。但如果使徑向水平井技術(shù)成功地應(yīng)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。徑向水平井鉆井技術(shù)通過高壓水射流破巖，在生產(chǎn)層直接鉆出多口輻射狀分布的水平井網(wǎng)，達(dá)到高效開發(fā)低滲油氣藏、改造老油田和提高原油采收率的目的，在我國東部油田開發(fā)中具有良好的應(yīng)用前景和強(qiáng)大的生命力。旋轉(zhuǎn)錐形射流鉆孔水力開采技術(shù)就是這類最有前景的開采技術(shù)之一，它是基于鉆孔技術(shù)和水力學(xué)原理之上的一種礦產(chǎn)開采新方法。所以，人類迫切需要技術(shù)含量高、低耗、高效的采礦方法來緩解這一危機(jī)。隨著世界各國經(jīng)濟(jì)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。直到80年代末，Dickson等人設(shè)計利用了多噴嘴組合鉆頭和錐形單噴嘴鉆頭，成功地進(jìn)行了水平井眼的鉆進(jìn)，才促進(jìn)了水射流鉆長連續(xù)孔眼技術(shù)的發(fā)展。但在用于長連續(xù)孔眼的鉆進(jìn)應(yīng)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(jìn)速度。[39]近年來，安徽理工大學(xué)水射流研究所對旋轉(zhuǎn)水射流進(jìn)行了大量的理論和實驗研究，初步找到旋轉(zhuǎn)射流的結(jié)構(gòu)特性及其變化規(guī)律，揭示了其獨特的破巖鉆孔機(jī)理，并成功地實驗臺上進(jìn)行了多次旋轉(zhuǎn)射流水平鉆孔的試驗，展示了旋轉(zhuǎn)水射流應(yīng)用的一個很有發(fā)展?jié)摿Φ男路较?。其研究結(jié)果主要有：噴嘴錐角增大，旋轉(zhuǎn)射流的擴(kuò)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(dǎo)向角增大，射流的擴(kuò)散角增大，基本呈線性關(guān)系。Loitsyanskii、Gortler的研究工作主要集中在旋轉(zhuǎn)射流的充分發(fā)展區(qū)域，類似于普通射流的主體段；Steiger和Bloom（1962）年將卡門積分方法應(yīng)用于軸對稱層流旋轉(zhuǎn)射流問題，假定速度分布具有特殊函數(shù)形式和旋轉(zhuǎn)速度的徑向梯度沿旋轉(zhuǎn)射流軸向保持不變，得到了可壓縮流與不可壓縮流封閉形式的非相似解；1965年Lee假定軸向速度和旋轉(zhuǎn)速度的剖面存在相似性，得到紊流旋轉(zhuǎn)射流的一個封閉式解，另外還得到軸向速度和旋轉(zhuǎn)速度軸向衰減及射流寬度變化的解；1977年，Uberoi應(yīng)用渦粘性系數(shù)概念分析了自相似的紊流旋轉(zhuǎn)射流；1978年Ross評價了積分方法在旋轉(zhuǎn)射流中的應(yīng)用。他關(guān)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。早在1953年他就研究了具有軸向、徑向壓力變化的軸對稱層流旋轉(zhuǎn)射流，得到了旋轉(zhuǎn)射流速度分量的級數(shù)解，并推廣到軸對稱紊流旋轉(zhuǎn)射流情形。射流寬度和質(zhì)量流量隨旋度增加，對于強(qiáng)旋轉(zhuǎn)射流，其擴(kuò)展寬度和卷吸率幾乎是無旋轉(zhuǎn)普通射流的兩倍。對于弱旋流、中等旋流，他們的測量結(jié)果表明，平均速度剖面、壓力剖面在4倍噴嘴直徑距離后，具有明顯的相似性；對于強(qiáng)旋流情形，在噴嘴附近產(chǎn)生一個旋渦，導(dǎo)致軸向速度最大值偏離射流軸線。1993年，余常昭采用導(dǎo)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(jìn)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(qiáng)度分布等。角。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。[20][21]獲得旋轉(zhuǎn)射流的方法有多種，如在噴嘴內(nèi)加入導(dǎo)葉，或由流體非對稱進(jìn)入噴嘴等。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。高壓水射流的水壓較高，一般為300kg/以上，高者達(dá)每平方厘米數(shù)千公斤。試驗表明，使用磨粒的磨料射流，其切割金屬的效果較好。在每一粒度號的磨料中，比基本粒徑或大或小的磨料也占一定比例。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。 以硅砂作為磨料，切割效果差，但由于硅砂價格低廉，容易獲得，用在清洗除銹作業(yè)中普遍。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。 磨料的性質(zhì)磨料射流的固相介質(zhì)是工業(yè)用磨料，磨料的類型和性質(zhì)對磨料射流系統(tǒng)設(shè)計和工作效率 有很大的影響。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。試驗中發(fā)現(xiàn)，噴頭的內(nèi)表面上，磨損最嚴(yán)重之處是在與加旋元件的配合段。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。對于導(dǎo)程相同的加旋元件，隨著流槽數(shù)的增加，系統(tǒng)的壓力降呈下降趨勢；而對于流槽數(shù)相同的加旋元件，隨著導(dǎo)程的增加，系統(tǒng)的壓力降也呈下降趨勢。由于加旋元件的存在，從上游的來流被迫收斂進(jìn)入螺旋槽內(nèi)。由于采用機(jī)械的方式對磨料射流進(jìn)行加旋會帶來難以解決的旋轉(zhuǎn)密封問題，所以必須考慮運用流體動力學(xué)的原理對射流進(jìn)行加旋。根據(jù)普通射流的水動力學(xué)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(kuò)散度較小。然而,要使不旋轉(zhuǎn)的噴頭具有連續(xù)鉆孔的能力，必須解決兩個問題：能用較小孔徑噴嘴產(chǎn)生的射流鉆出較大直徑的孔眼；避免返回流阻擋后續(xù)射流。根據(jù)近年國際! 國內(nèi)高壓水射流技術(shù)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(jìn)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。經(jīng)過10多年，耗資5000萬美元，最終的研究結(jié)果表明:最有潛力！效率最高! 且易于實現(xiàn)的新的破巖鉆孔方法當(dāng)屬高壓水射流鉆孔法，：在103MPa的工作壓力下,高壓水射流鉆井的速度是普通回轉(zhuǎn)鉆頭的2~4倍。旋轉(zhuǎn)射流出射后在周圍環(huán)境流體中的擴(kuò)展比相應(yīng)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。除了在無旋轉(zhuǎn)射流中的軸向和徑向速度分量外，旋轉(zhuǎn)速度（切向速度）使徑向和軸向產(chǎn)生壓力梯度并影響整個流場。旋轉(zhuǎn)射流又稱旋動射流，是自由射流加旋轉(zhuǎn)的一種復(fù)合流動，其流動情形較為復(fù)雜，大多處于紊流狀態(tài)。為滿足石油生產(chǎn)及徑向水平井鉆井工藝的需要，可以利用旋轉(zhuǎn)射流鉆孔直徑大的優(yōu)點來解決磨料射流鉆孔小的問題。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(shù)問題，使該項技術(shù)具備了實用性 。由于前混合磨料射流具有品質(zhì)好、效率高和能耗低等特點．因此近年來，這項技術(shù)得到了長足的發(fā)展。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。磨料罐完全脫離了流路，其內(nèi)部各點壓力的差異僅是由高度差造成的靜水力壓力。 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(shè)計出圖4所示新型前混合式磨料射流系統(tǒng)。隨后，由于磨料罐中磨料量的減小，其流動阻力逐步減小，流入到磨料罐內(nèi)的水流量增加。當(dāng)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(dá)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。磨料供給量不僅與時間有關(guān)，而且與磨料罐內(nèi)的裝料量有關(guān)。[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。三股水的流量由各支路上的節(jié)流閥來調(diào)節(jié)。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。試驗表明，對同樣的物體進(jìn)行切割或除銹，前混合磨料射流所需的工作壓力僅為后混合磨料射流工作壓力的1/7～1/10。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。經(jīng)節(jié)流閥流入混合室的高壓水流，在混合室與磨料均勻混合后， 經(jīng)管路至磨料噴嘴噴出，形成具有極高速度的磨料粒子流—磨料射流。1982年安徽理工大學(xué)高壓水射流研究所劉本立教授等人，首先設(shè)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。前混合磨料射流技術(shù)是近年來引人關(guān)注的一種新型射流技術(shù)，但由于前混合磨料射流技術(shù)的切割機(jī)理和過程還沒有被人們所完全了解，使這項新技術(shù)的潛力得不到充分地發(fā)揮，也影響了商業(yè)和應(yīng)用前景。由于后混合磨料射流具有很高的軸向速度，而磨料粒子進(jìn)入混合室時速度很低，因而磨料粒子難以進(jìn)入到射流的中心部分，導(dǎo)致切割效率較低，并且容易導(dǎo)致堵塞。圖1 后混合式磨料射流系統(tǒng)原理圖Fig1 The principle of mixing behind style abrasive water j