水環(huán)境中高壓水射流成孔的數(shù)值模擬

程樹(shù)范

(西安科技大學(xué) 力學(xué)系,陜西 西安 710054)

0 引言

射流技術(shù)因其具有安全潔凈的特性而被廣泛應(yīng)用于石油、頁(yè)巖氣、煤炭等燃料資源的開(kāi)采[1],但由于射流成孔是一個(gè)復(fù)雜的非線性動(dòng)力學(xué)過(guò)程,且涉及的影響因素較多,致使其破巖機(jī)制一直未能準(zhǔn)確確定[2]。單純解析描述的力度十分有限,難以解析描述復(fù)雜問(wèn)題,是工程上常見(jiàn)的問(wèn)題。采用高效的數(shù)值計(jì)算方法,基于較少假設(shè),模擬實(shí)際射流過(guò)程也是探索射流成孔特性的一個(gè)重要途徑。

由于巖石類材料的力學(xué)性質(zhì)復(fù)雜,沖擊成孔過(guò)程歷時(shí)短暫,試驗(yàn)難度大,數(shù)值模擬技術(shù)作為有效的輔助手段,逐漸成為重要的研究方向。雷光宇等[3]通過(guò)對(duì)射流數(shù)值模型的分析,從巖石損傷的角度研究了高壓射流成孔過(guò)程,認(rèn)為射流直徑和射流速度是影響成孔效果的主要因素。CHEN 等[4]采用有限元方法研究了射流成孔的速度的閾值問(wèn)題,發(fā)現(xiàn)射流速度低于下限閾值時(shí)無(wú)法有效成孔,達(dá)到上限閾值后成孔深度不再明顯增加。LIU 等[5]將光滑粒子流動(dòng)力學(xué)與傳統(tǒng)有限元方法相結(jié)合,分析了射流成孔特性,重點(diǎn)研究了射流角度對(duì)成孔深度的影響。除射流速度、角度因素外,王百順等[6]研究了射流噴嘴對(duì)射流效果的影響；Stoxreiter T 等[7]則研究了圍壓對(duì)成孔效果的影響。

關(guān)于射流過(guò)程的數(shù)值模擬研究較多,但其研究對(duì)象多處于空氣域中,而對(duì)于水環(huán)境條件下的射流研究很少涉及。筆者采用LS-DYNA 有限元顯式動(dòng)力分析軟件建立水環(huán)境中石灰?guī)r的水射流模型,模擬射流成孔的全過(guò)程,以論證水環(huán)境中射流成孔的可行性。分析射流速度對(duì)于成孔深度和成孔直徑的影響,并重點(diǎn)關(guān)注射流周邊巖體的應(yīng)力場(chǎng)變化。

1 水射流模型的建立

1.1 材料的選取

準(zhǔn)確地確定巖石材料的動(dòng)態(tài)本構(gòu)關(guān)系是極其困難的,但在受荷過(guò)程中巖石內(nèi)部損傷劣化特性是被廣泛認(rèn)可的,因此選取適合于大變形、高應(yīng)變率條件的巖石損傷Holmquist-Johnson-Cook(HJC)模型來(lái)模擬受沖擊巖石,其相關(guān)參數(shù)如表1所示,參數(shù)的確定方法及其物理意義可參考文獻(xiàn)[8]。同時(shí)采用屈服應(yīng)力和抗拉強(qiáng)度均為0 的完全塑性材料來(lái)模擬射流及周邊水域。

1.2 模型概況

幾何模型如圖1所示(周邊水域沒(méi)有顯示),巖石尺寸為0.9 m×0.9 m×1.4 m,射流直徑為5 mm,實(shí)際建立模型為幾何模型的1/4,采用2 mm 標(biāo)準(zhǔn)六面體網(wǎng)格劃分和流固耦合ALE 算法計(jì)算。同時(shí)為更加真實(shí)地模擬破巖過(guò)程,未預(yù)先施加任何接觸條件,巖石邊界均為無(wú)反射邊界。實(shí)際工程中由于技術(shù)和成本的限制,射流速度一般不超過(guò)500 m/s,模擬的射流速度范圍為200～550 m/s,速度級(jí)差控制為50 m/s,共建立了8 個(gè)數(shù)值模型進(jìn)行對(duì)比。

表1 石灰?guī)rHJC模型主要參數(shù)

圖1 水射流成孔數(shù)值模擬幾何模型

雖然射流破巖的機(jī)制尚不明確,但無(wú)論是拉伸—水楔理論,還是密實(shí)核—劈拉理論都認(rèn)為在成孔過(guò)程中巖石出現(xiàn)張拉破壞[2],且?guī)r石抗拉強(qiáng)度較低,因此可采用抗拉強(qiáng)度作為失效判別條件,抗拉強(qiáng)度為4 MPa。

2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

2.1 破巖過(guò)程

在高壓水射流與巖石接觸后,射流出現(xiàn)了明顯的飛濺,并迅速與周邊液體相融合,巖石表面出現(xiàn)明顯的壓縮變形,接觸初期并未出現(xiàn)破壞；當(dāng)接觸時(shí)間達(dá)到120 μs 后,在接觸區(qū)附近局部拉應(yīng)力達(dá)到限值首先出現(xiàn)裂紋并開(kāi)始延伸,可見(jiàn)高壓射流破巖存在一個(gè)能量積蓄的過(guò)程。隨后接觸區(qū)巖石逐漸失去徑向約束,由于泊松效應(yīng)也出現(xiàn)拉應(yīng)力,并很快達(dá)到抗拉強(qiáng)度,表層巖石迅速破壞,下部巖石暴露出來(lái)。在400 μs 左右形成明顯的射流沖擊坑,其直徑約為射流直徑的1.3 倍。

隨著射流距離的增加,射流速度分布產(chǎn)生一定的變化,沿軸線向外射流速度逐漸減小,在邊緣處達(dá)到最小值,從而使得射流中心區(qū)域巖石持續(xù)受壓,向外逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槭芾?隨著受拉區(qū)的破壞,射流中心區(qū)域原本受壓的巖石開(kāi)始徑向膨脹,轉(zhuǎn)而出現(xiàn)拉應(yīng)力,最終也出現(xiàn)受拉破壞。此過(guò)程不斷重復(fù),沖擊坑轉(zhuǎn)變?yōu)樯羁?當(dāng)射流速度衰減到一定程度后,成孔過(guò)程結(jié)束。根據(jù)數(shù)值模擬的結(jié)果,整個(gè)成孔過(guò)程約為2 400～4 200 μs,與實(shí)際情況相符,射流速度為400 m/s 時(shí)的成孔過(guò)程及壓力云圖如圖2所示,圖中標(biāo)尺單位經(jīng)換算后為1012Pa(模型采用mm-g-μs 單位制)。

圖2 射流成孔過(guò)程及壓力分布云圖

射流接觸到巖石,實(shí)際產(chǎn)生的Mises 應(yīng)力峰值持續(xù)穩(wěn)定在700 MPa 附近,衰減較為緩慢。射流沖擊過(guò)程產(chǎn)生的應(yīng)力波主要由孔底沿著射流軸線方向傳播,衰減速度快,對(duì)射流周邊巖體影響較小。

2.2 成孔特性

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果,可以明顯看出隨著射流速度的增加,成孔深度從最開(kāi)始的顯著增加,轉(zhuǎn)變?yōu)榫徛黾?最后穩(wěn)定在700 mm 左右。而射流速度對(duì)于成孔直徑影響不大,實(shí)際成孔直徑約為射流直徑的 1.5～1.8 倍。

當(dāng)射流速度為200 m/s 時(shí)巖石單元未出現(xiàn)破壞,即水中射流存在一個(gè)射流速度的下限閾值,當(dāng)射流速度低于該閾值時(shí)無(wú)論射流持續(xù)時(shí)間多長(zhǎng),均無(wú)法有效成孔；當(dāng)射流速度達(dá)到300 m/s 和400 m/s 時(shí)分別可以形成深度約為120 mm 的淺孔和深度達(dá)到500 mm 孔洞；隨著速度繼續(xù)增加,其成孔深度增加不大,500 m/s 和550 m/s 時(shí)成孔深度約為690 mm和700 mm,射流成孔深度變化不大。射流速度與成孔深度的關(guān)系如圖3所示。

圖3 射流成孔深度與射流速度的關(guān)系曲線

分析認(rèn)為,當(dāng)射流速度小于350 m/s 時(shí),所成孔深度較小,實(shí)際工程價(jià)值不大；而當(dāng)射流速度超過(guò)450 m/s 后,隨射流速度的增加,成孔深度變化不大,經(jīng)濟(jì)性不理想。因此射流速度為350～450 m/s 時(shí),綜合效率最高。

采取同樣的方式模擬了相同條件下空氣域內(nèi)初速度為400 m/s 的射流成孔,成孔孔徑與水域內(nèi)射流基本一致,但射流深度有所增加,約為700 mm,是水域環(huán)境下的1.4 倍。說(shuō)明水環(huán)境影響了巖石從射流中吸收動(dòng)能的過(guò)程,宏觀上表現(xiàn)為射流撞擊巖體完成能量交換后與周圍水環(huán)境融合,并于孔中阻礙了其后高速射流與孔底的接觸。

3 結(jié)論

1)在高壓水射流沖擊下,射流中心區(qū)巖石受壓積蓄變形能,射流邊界附近巖石受拉首先出現(xiàn)破壞,其后由于徑向約束的消失,中間受壓巖體向自由面膨脹,轉(zhuǎn)而受拉,最終破壞。

2)射流成孔直徑受射流速度的影響較小,實(shí)際成孔直徑約為射流直徑的1.5～1.8 倍,且沿深度方向孔徑變化不大；射流速度對(duì)成孔深度的影響則較大,隨著射流速度的增加,從最開(kāi)始的顯著增加,轉(zhuǎn)變?yōu)榫徛黾?最后趨于穩(wěn)定。

3)由于高壓射流撞擊巖體完成能量交換后與周圍水環(huán)境融合,并于孔中阻礙了其后高速射流與孔底的接觸,射流成孔的深度受到極大限制。