（机械设计及理论专业论文）水射流对钴结壳的破碎研究.pdf

、o ：ji ： 原创性声明 l i i ii i ii t li11 11i 1 11 1i y 1719 5 4 4 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：闺么垦 日期：么4 l 年j 月且日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：应墨新签鳓期：业年盖月监日 ， 摘要 随着陆地矿产资源的日趋枯竭和人类对海洋认识的目益深化， 许多国家越来越重视海洋资源的开发和利用。深海钴结壳是大洋底 部最具吸引力的矿产资源之一，产出在水深8 0 0 - - - 3 0 0 0 m 的海山、岛 屿斜坡上，其平均厚度仅为4 - 6 c m ，富含钴、铂、镍、锰、铜、 铁、磷、钛、锌、铅、铈等战略物质。由于其巨大的战略意义和经 济价值，深海钴结壳开采技术与装备的研究已成为国内外研究的一 个热点。 钴结壳开采研究的第一个难题和关键问题，就是如何从高低不 平的海底基岩上将薄薄的一层钴结壳破碎剥离下来。钴结壳射流破碎 方案为国际上推荐的两种可能开采方法之一，本文对该方案进行了 基础研究，主要研究内容和研究结果如下： ( 1 ) 建立了适用于破碎作业的高压水射流喷嘴的流体动力学仿真模 型。 ( 2 ) 对深海环境下喷嘴水射流的内、外部流场进行了数值仿真分 析，得到了5 m p a ，1 0 m p a 和1 5 m p a 三种典型围压环境下喷嘴内部 射流压力、速度的变化规律和射流离开喷嘴后的压力、速度变化规 律，并与非淹没状态下喷嘴射流的性能进行了对比研究。研究结果 表明：随着海水围压的增加，喷嘴出口的最大速度相应下降，仿真结 果与理论计算结果吻合，验证了选取的仿真计算方法基本合理；深海 围压的大小对射流性能基本没有影响，不同围压下的喷嘴射流形成的 等速核外形和最优靶距基本相同，深海最优作业喷距约为3 倍喷嘴 直径；与非淹没环境相比，淹没状态下喷嘴射流沿轴向速度衰减迅 速，其等速核长度缩短约4 0 。 ( 3 ) 针对水的粒子特性，对水射流冲击破碎钴结壳和钴结壳模拟料 建立了s p h 粒子耦合有限元( f e a ) 模型，通过对不同系统压力下 破碎结果分析：在相同条件下，钴结壳和钴结壳模拟料的成坑大小、 成坑深度随射流速度增大相应增大。通过射流破碎钴结壳过程的观 察，分析了射流破碎钴结壳的机理。 ( 4 ) 通过2 5 m p a 以下系统压力产生的水射流对钴结壳模拟料进行 破碎实验得出：在非淹没环境下，随着系统压力的增加，破碎成坑大 小和破碎成坑深度相应成增加趋势；钴结壳模拟料成坑深度随喷距的 增大而减少，而成坑直径随喷距的增大而增大。在淹没环境下，破 碎效果与非淹没条件下相比除了成孔孔径增大外，其他破碎效果基 本一致。 关键字：钴结壳；水射流；等速核；s p h i i a bs t r a c t d e e ps e am i n i n gi saf i e l do fm i n i n gw h i c ha t t r a c t sm o r ea n dm o r e a t t e n t i o nf r o ma l lo v e rt h ew o r l d i ti sc o n s i d e r e da sa ni m p o r t a n tm e a n s t om e e tt h e c h a l l e n g eo ft h eg r a d u a l l ye x h a u s t i o no fl a n dm i n e r a l r e s o u r c e s c o b a l t - r i c hf e r r o m a n g a n e s ec r u s t s ，w h i c hg r o w si nt h es e a m o u n t 、s l o p eo f i s l a n d sr a n g e df r o m8 0 0t o30 0 0 mi so n eo ft h em o s ta t t r a c t i v em i n e r a l r e s o u r c e si nt h ed e e ps e ab e d i t s a v e r a g et h i c k n e s si so n l y4t o6 c e n t i m e t e r s ，a n di ti sr i c hi ns t r a t e g i cr e s o u r c e ss u c ha sc o b a l t ，p l a t i n u m ， n i c k e l ，m a n g a n e s e ，c o p p e r ，i r o n ，p h o s p h o r u s ，t i t a n i u m ，z i n c ，l e a da n d c e r i u me t c b e c a u s eo fi t s p r a c t i c a ls t r a t e g y ，e c o n o m i ca n dp o l i t i c a l s i g n i f i c a n c e ，c o b a l t r i c hf e r r o m a n g a n e s ec r u s t sh a sb e c o m eag r e a t c o n c e mi no c e a nr e s o u r c ee x p l o i t a t i o ni ne v e r yc o u n t r y t h ef i r s tp r o b l e mo fm i n i n gc o b a l t r i c hf e r r o m a n g a n e s ec r u s t si s h o wt oc r u s ht h et h i nl a y e ro fc o b a l t r i c hf e r r o m a n g a n e s ec r u s t sf r o m f l u c t u a n ts u r f a c eo fb e d r o c k o n eo ft w o p o s s i b l em i n i n gm e t h o d r e c o m m e n d e di ni n t e r n a t i o n a lo fm i n i n gc o b a l t r i c hf e r r o m a n g a n e s e c r u s t si sh y d r o je t i nt h i sp a p e r ，t h eb a s i cr e s e a r c hw a sc a r r i e do u tf o rt h e p r o g r a m ，t h em a i nc o n c l u s i o n so ft h ep a p e ra r es h o w e da sf o l l o w s ： ( 1 ) h i g h - p r e s s u r en o z z l e sf l u i dd y n a m i c ss i m u l a t i o nm o d e lw h i c h s u i t a b l ef o rb r e a kw o r ki se s t a b l i s h e d ( 2 ) t h ei n t e m a l ，e x t e r n a lf l o wf i e l da n dt h ep e r f o r m a n c eo fw a t e rj e t s o fn o z z l ew h i c hw o r ki nd e e p s e ai sc a r r i e do u ti nt h en u m e r i c a l s i m u l a t i o n ，i n t h r e e t y p i c a lc o n f i n i n gp r e s s u r ee n v i r o n m e n t5 m a ， lo m p aa n dl5 a ，w a t e rj e t s p r e s s u r ea n ds p e e do fn o z z l ei n t e r n a l c h a n g e si nl a w sa n dw a t e rj e t sp r e s s u r ea n ds p e e dc h a n g e si nl a w sa f t e r l e a v i n g t h en o z z l ew e r e o b t a i n e d ，a n dn o n s u b m e r g e dw a t e rje t s p e r f o r m a n c eo fn o z z l ei sc o m p a r a t i v e l ys t u d i e d t h es i m u l a t i o nr e s u l t s s h o wt h a t ：w i t hc o n f i n i n gp r e s s u r ei n c r e a s i n g ，t h el a r g e s te x p o r ts p e e do f n o z z l ed e c l i n e sc o r r e s p o n d i n g l y , t h es i m u l a t i o nv a l u ec o i n c i d e s 、析t ht h e t h e o r e t i c a lv a l u e ，w h i c hv e r i f yt h es i m u l a t i o nm e t h o do fs e l e c t e di sb a s i c i i i r a t i o n a l ；t h e s i z eo fc o n f i n i n gp r e s s u r eu n d e rs u b m e r g ee n v i r o n m e n t d o e s n ta f f e c ti t sp e r f o r m a n c e ，t h ef o r mo fn o z z l ew a t e rj e t s i s o k i n e t i c c o r ei ss i m i l a ra n dt h eo p t i m a ld i s t a n c ef r o mt h et a r g e ti st h es a m ea t d i f f e r e n tc o n f i n i n gp r e s s u r e ，o p t i m a ls p r a yd i s t a n c ei sa b o u t3t i m e so f t h en o z z l ed i a m e t e r ；t h ea x i a lv e l o c i t yo fs u b m e r g e dje td e c a yr a p i d l y t h a nn o n s u b m e r g e dw a t e rje t ，w h o s el e n g t ho ft h ei s o k i n e t i cc o r ei s a b o u t6 0 o f n o n - s u b m e r g e d ( 3 ) f o rt h ep a r t i c l e sc h a r a c t e r i s t i co fw a t e r , t h es p h p a r t i c l e sc o u p l e d f i n i t ee l e m e n t ( f e a ) m o d e lf o rt h ec o b a l t - r i c hf e r r o m a n g a n e s ec r u s t s a n dt h es i m u l a e dc o b a l t - r i c hf e r r o m a n g a n e s ec r u s t sm a t r i a l sw a sb r o k e n b yt h ew a t e rj e tw a se s t a b l i s h e d t h eb r e a k i n gr e s u l t sa r ea n a l y z e du n d e r t h ed i f f e r e n ts y s t e m sp r e s s u r ea sf o l l o w s ：u n d e rt h es a m ec o n d i t i o n s ，t h e c r a t e rs i z ea n dc u td e p t ho fc o b a l t - r i c hf e r r o m a n g a n e s ec r u s t sa n dt h e s i m u l a t e dc o b a l t r i c hf e r r o m a n g a n e s ec r u s t sm a t e r i a l si n c r e a s i n gw i t h t h e i n c r e a s i n g o fw a t e rj e t v e l o c i t y t h ep r o c e s s o fc o b a l t - r i c h f e r r o m a n g a n e s ec r u s t sw a sb r o k e nb yt h ew a t e rje tw a so b s e r v e d ，t h e m e c h a n i s mo fc o b a l t - r i c hf e r r o m a n g a n e s ec r u s t sw a sb r o k e nb yt h e w a t e r j e tw a sa n a l y z e d ( 4 ) t h es i m u l e dc o b a l t r i c hf e r r o m a n g a n e s ec r u s t sm a t e r i a l sw a s b r o k e nb yt h ew a t e rj e t g e n e r a t e d u n d e r2 5 m p ap r e s s u r e i nt h e n o n s u b m e r g e de n v i r o n m e n t ，t h ec r a t e rs i z ea n dc u td e p t ho fc o b a l t r i c h f e r r o m a n g a n e s ec r u s t si n c r e a s e sc o r r e s p o n d i n gt ot h ei n c r e a s i n go f c r u s h i n gp r e s s u r e t h e c u t d e p t h o ft h es i m u l a e dc o b a l t r i c h f e r r o m a n g a n e s ec r u s t sm a t e r i a l sd e c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s i n go fs p a r y d i s t a n c e b u tt h ec r a t e rs i z ei n c r e a s e sc o r r e s p o n d i n gt ot h ei n c r e a s i n go f s p a r yd i s t a n c e i nt h i se x p e r i m e n t ，w i t ht h ee x c e p t i o no ft h ec r a t e rs i z e i n c r e a s i n g ，t h ec r u s h i n g e f f e c tb e t w e e n s u b m e r g e d c o n d i t i o n sa n d n o n s u b m e r g e dc o n d i t i o n si sb a s i c a l l yt h es a m e k e yw o r d s ： c o b a l t r i c hf e r r o m a n g a n e s ec r u s t s ；w a t e rj e t ；t h e i s o k i n e t i cc o r e ；s p h i v 目录 摘! 要i a b s t ra c t i i i 目勇专v 第一章绪论1 1 1 引言1 1 2 钴结壳破碎及水射流切割破碎技术的研究现状2 1 2 1 钴结壳破碎的研究现状2 1 2 2 射流切割破碎技术的研究现状5 1 3 论文研究的目的、意义8 1 4 课题的提出及主要研究内容9 1 4 1 课题的提出一9 1 4 2 本文主要内容9 第二章射流破岩理论研究1 1 2 1 引言。一11 2 2 喷嘴射流流体数学模型1 1 2 3 射流冲击破碎岩体理论14 2 4 钴结壳岩体的模型特征1 7 2 4 1 钴结壳岩体的本构模型1 7 2 4 2 三轴应力条件下岩体损伤统计本构方程18 2 5 射流冲击破碎钴结壳的机理的推想一1 9 2 6 本章小结2 0 第三章射流性能数值仿真一2 1 3 1 引言21 3 2f l u e n t 简介：2 1 3 3g a m b i t 简介2 2 3 4 喷嘴型式的选用2 2 3 5 喷嘴流场仿真及结果分析一2 3 3 5 1 喷嘴内腔网格划分2 3 3 5 2 喷嘴流体在f l u e n t 求解过程2 4 3 6 本章小结3 7 第四章射流冲击钴结壳数值仿真3 8 v 4 1 引言3 8 4 2 仿真方法3 8 4 2 1 仿真环境简介3 8 4 2 2s p h 方法的选用3 9 4 2 3s p h 方法简介3 9 4 2 4s p h 方法基本理论4 0 4 2 5s p h 算法在l s - d y n a 3 d 中的计算过程4 1 4 3 建模与仿真4 1 4 3 1 材料的选取与模型建立4 1 4 3 2 射流侵彻钴结壳数值模拟结果4 4 4 3 3 射流侵彻钴结壳模拟料数值模拟结果4 8 4 3 4 射流侵彻钴结壳机理分析5 0 4 4 本章小结51 第五章实验研究5 2 5 1 实验内容和目的5 2 5 2 钴结壳模拟料的制备5 2 5 3 实验系统的搭建5 2 5 4 非淹没条件下实验数据采集和分析5 5 5 4 1 不同压力下的冲蚀试验结果5 6 5 4 2 不同喷距下的冲蚀试验结果5 8 5 4 3 射流对花岗石和大理石的冲蚀试验结果5 8 5 5 淹没条件下实验结果分析一5 9 5 6 本章小结6 0 第六章总结与展望6 l 6 1 全文总结6 1 6 2 工作展望6 2 霉| 【谢6 8 攻读学位期间主要的研究成果目录6 9 v i 主直太堂亟堂焦途塞签= 童绫诠 第一章绪论 随着现代工业的发展，人类对能源、原材料的需求与日俱增，陆地资源日趋 枯竭，已不能满足人类的需求。因此，以西方为首的发达国家早已将注意力从陆 地转向海洋，在海洋中寻找资源，开发和利用海洋资源是人类社会发展需求新资 源的必然趋势【l 】。海洋占地球总面积的7 1 ，其中蕴含了丰富的矿藏，可以说海 洋是人类拥有的巨大资源宝库【2 l 。据保守估计，整个大洋底锰、钻结核储量高达 3 万亿吨，太平洋中的储量大约1 7 万亿吨，其中含有镍1 6 4 亿吨，铜8 8 亿吨， 钴5 8 亿吨，锰4 0 0 0 亿吨，这些金属可供人类使用几百年以上【3 ，4 ，5 ，6 1 。海洋中高 品位、高密度的矿藏吸引着越来越多的国家对这个资源宝库进行开发和利用，开 发利用海洋资源已经成为各国的基本国策，许多著名的政治家、经济学家都推测， 二十一世纪必将是“海洋经济时代”【7 ，8 ，9 l 。 大洋富钻结壳是在大洋多金属结核之后探测到的又一重要的发现，除包含 m n ，f e ，n i ，c u 等常见的金属外，还富含c o 及n 等各种稀有贵重金属，富钴 结壳是海洋中最具吸引力的矿产之一 1 1 , 1 2 j 。 海洋中钴结壳的贮量目前为止还没有完全调查清楚，然而在2 0 世纪8 0 年代， 以美国、德国和日本等国的发达国家的调查结果已表d ) j 1 3 , 1 4 , 1 5 ，在广阔的太平洋、 大西洋和印度洋中都分布有丰富的钴结壳矿藏。其中，在太平洋西部火山构造隆 起带上，就储藏着数亿吨的钴结壳，夏威夷群岛一约翰斯顿环礁专属经济区内有 钴结壳3 亿吨以上，同样也储藏着大量的钴结壳资源的包括中太平洋海山、马绍 尔群岛、南太平洋法属波利尼西亚群岛、莱恩群岛、库克岛等群岛。与此同时， 我国科学家也对深海钴结壳资源的分布进行了勘探和调查研究，调查结果表明 【1 6 】：在我国的专属海洋经济区域内水深为1 0 0 0 - - 一2 5 0 0 m 的海山斜坡上，也依贮 存着丰富的钴结壳资源。 钻结壳与多金属结合的开采方法在很多方面相似，但在某一些方面却存在很 大的区别。多金属结核大多松散地分布在海底，采集结核关键是要控制好行走在 海底松软泥沙上的收集器的方向，同时避免收集器陷入松软的泥沙中。因此，与 钴结壳的采集相比，多金属结核的采集相对来说是容易的。由于钴结壳牢固地粘 附在下层的岩石上，要将它从岩石上剥离下来比较困难。所以，有效采集到钴结 壳的同时又不会使所采的钻结壳贫化是成功开采钻结壳的关键和核心所在【1 7 , 1 8 。 近些年来，高压水射流技术得到了迅速的发展，它的应用领域也越来越广泛 【l 踞叭。目前在多种表面附着物清除和多种金属及非金属材料切割、破碎等众多领 域的运用已经非常成熟。随着当今科学技术的飞速发展，新型的切割加工工具的 种类越来越多，如激光束、电子束、等离子体等，但它们都属于热切割加工的范 畴，只有高压水射流切割加i 技术与众不同，是唯一的一种冷切割加工方式。对 于材料的切割加工，高压水射流具有诸多优点。首先，它对所加工的材料没有特 殊要求；其次，加工过程中材料不发生热变形和热变质，而且作用力很小、加工 柔性高，因此它不会破坏材料内部的组织；第三，高压水射流能进行异形切割和 三维曲面切割；第四，高压水射流切割容易实现计算机的自动化控制。基于上述 特点，高压水射流切割技术已经成为了现代切割加工中的主流技术之一，在易燃、 易爆、热敏、压敏、有毒、危险或者深水下等不方便接近的场合下被广泛采用。 高压水射流切割技术，是利用高速射流束具有很大能量的特点来进行工作 的，属于高能束加工范畴【2 l j 。切割材料的作业过程中，高压水射流在其工作区 域的作用力始终聚合在射流喷射方向，而在横向上的分力却特别小。所以，在对 材质很软和多层组合材料进行精密切割时，可以得到的切口非常平整，而且没有 机械刀具切割时产生的切口变形也没有分层现象。由于具有能量集中、清洁、精 度高、低材料损耗等诸多优点，其应用范围也越来越广，而且已不局限于传统的 机械加工、煤炭、食品、水利等领域，在弹、塑性材料、合金、高分子化合物、 航空材料加工领域等也开始广泛使用。 1 2 钴结壳破碎及水射流切割破碎技术的研究现状 目前对于钴结壳的剥离破碎，国、内外主要采用纯机械的方法，而射流切割 技术主要应用于钻井、采矿、材料加工等领域。以下将对国内外钴结壳破碎及射 流切割技术的研究现状分别进行介绍。 1 2 1 钻结壳破碎的研究现状 明确钴结壳的各种物理参数是进行钴结壳的剥离破碎技术研究的基础于前 提。以往各国的勘查表明，中太平洋海山富钴结壳赋存区，存在一片钴结壳含量 较高、覆盖面积大并且丰度也较大的远景矿区。在这片矿区中，结壳一般依附在 硬质基岩上，大多为斑块状，少数也呈现不规则球状、盘状、块状、板状和瘤壳 状，壳厚一般为4 6 c m ，厚处可达1 毗0 c m ，主要分布在8 0 0 n 1 5 0 0 m 的深水中。 中南大学邱长军博士论文里在总结了国内外对钴结壳物理参数研究结果和对我 国调查区实测数据结果的基础上得出了如表1 1 所示钴结壳及基岩参数瞄】。 2 表1 - 1 我国调查区内矿样物理力学性能参数与资料公布的其它区域样品参数的对比 目前钻结壳及基岩剥离破碎的纯机械方法主要有拖头切削、螺旋滚筒式截齿 切削、盘刀式轧削、冲击钻冲击破碎等，而且这也是各个国家目前在钴结壳开采 方面所采用的方法。 日本所采用的c l b ( 连续绳斗法，c o n t i n u o u sl i n eb u c k e t ) 2 3 , 2 4 2 5 ，2 6 】是一种典型 的拖头切削方法。它从多金属结核开采技术中演化而来的，是集破碎、集矿和运 输于一体且不需要行走机构支撑的集约式方法。富钻结壳的c l b 开采法的水下机 械设备机构简单，花费少，在海面以下无电气部分。2 0 世纪末，日本科学家进行 了多次拖斗切削海试试验，证明了c l b 法能成功采集钴结壳。但是c l b 开采法有 很多不足之处，首先，由于无法有效控制桶斗的运动轨迹，对复杂的海底地貌和 结壳厚度的变化适应性不强，资源浪费严重，回采率低；其次，过多地铲取海底 岩层和沉积物，不仅破坏海底生态平衡，而且增加贫化、运输量和选矿量；第三， 由于可能出现空斗或浅斗，使生产能力波动从而无法保证满足设计要求，采集效 率低；此外，拖网式桶斗中还存在大量泥沙，在船上和陆地上都将产生大量废弃 物。因此，与水下采矿车( 采矿机器人) 相比，在用于大面积商业开采时显然不适 用。日本对c l b 法开采钴结壳进行了大量的研究，但是他们的研究并没有考虑如 3 何保证最大的采集率和较低的废石混入率，而相关参考文献中也未涉及到整个采 集过程的能耗问题。 德国是当今世界上对深海矿产资源调查研究最活跃的国家之一，从1 9 8 1 年到 1 9 8 5 年实施了为期5 年的中太平洋锰钴结壳调查计划。济根大学的施瓦兹教授 等与印度合作进行了多次海底多金属结核采集试验，并取得了成功【2 7 1 ，同时他 们还在扬矿管道、提升系统等方面做了大量的仿真与研究，这些成果都可以在钴 结壳的开采研究中作为很好的借鉴。南非研究出了一种钴结壳采矿车，并申请了 美国专利u s 6 0 0 3 9 5 2 z s l ，如图1 1 所示。 ， 1 l i p _ 图1 1 南非申请的海底采矿车机构示意图 图中所示采矿车的切割头为滚筒式，可开采钴结壳的最大厚度为几十厘米。 尽管是为采集海底沉积物而设计，但是切割头的设计方式和思想可以借鉴到钴结 壳采矿中去。 1 9 9 0 年，日本人k a t s u y u k ia o s h i k a 针对钴结壳和基岩的物理特性，成功地研 制了钴结壳模拟料，采用铣刀切削和滚筒切削等5 种不同的方法对该模拟料进行 了的切割破碎试验，经比较分析发现5 种破碎方法中效率最高是滚筒切削 2 9 1 ； 1 9 9 5 年，美国人j o h neh a l k y 莉在试验基础上【3 0 】，对相关资料进行整理后，在“海 洋工程及其环境 国际会议上，提出了在大洋开采深海富钴结壳的采矿车设计方 案以及采矿头设计问题，他推荐使用由一组相互独立的螺旋滚筒切割头组成的采 矿头。 目前国内虽然在深海钴结壳开采技术以及采矿设备的研究方面还处于起步 阶段，但是在深海锰结核的集矿设备研究方面已经取得了一定的成果。长沙矿山 研究院在复合式集矿方式和自行履带行走装置的基础研究和原理试验方面取得 了突破性进展，并成功地研制出了自行履带复合式集矿模型机，它对于研究深海 钴结壳的开采设备具有一定的借鉴作用。 中南大学的卜英勇教授和他的博士们通过大量实验，对大洋钴结壳螺旋滚筒 切削法采掘头设计理论与虚拟可视化进行了研究【3 1 1 ，其研究成果对滚筒参数的 4 谭， ；， 、：o 优化设计有一定的参考价值，图1 。2 所示为实验装置。 图1 2 螺旋滚筒式破碎实验装置 中南大学袁碧华、何清华等人对振动式螺旋滚筒切削头进行了研究1 3 2 1 ，并 在自行设计的试验台上对钴结壳模料进行了振动加载切削破碎试验，探寻了钴结 壳模料在振动切削过程中个参数之间的相互匹配关系，最后验证了振动切削破碎 剥离钴结壳的效果和可行性。 1 2 2 射流切割破碎技术的研究现状 射流切割技术是从射流技术的基础上发展而来的，射流技术的研究从二十世 纪初开始，但由于射流问题的研究非常困难，所以到目前为止其理论的研究主要 是建立在实验的基础上。尤其是紊动射流的研究，由于情况非常复杂，只建立了 半经验的理论。研究最初是从实验开始的，通过量纲分析的方法整理实验数据求 得经验公式进行分析。1 9 1 5 年，t r u p e l 首先对圆形自由射流等几种最基本的射 流形态进行了实验【3 3 1 。后来z i m m 和g o t t i n g e n 分别于1 9 2 1 年和1 9 2 3 年进行了 相同实验0 4 1 ，得到了轴对称射流的速度场情况。通过对实验数据进行整理和分 析可以得出以下几个结论： ( 1 )射流的速度主要集中在纵向上，横向上的速度很小，处理工程问 题时，一般认为流体是平行的，在射流初始段核心区内横向速度 几乎为零，整个射流的速度特性完全取决于轴向的速度。 ( 2 )自由射流的特性是距喷嘴越远射流轴心速度越低，射流越厚。 ( 3 )在射流的任何一个阶段，只要选择合适的尺度，使流动物理量如 速度等和坐标无量纲化处于不同断面上，这种无量纲分布相同， 具有相同的分布函数关系，称为射流各断面速度分布相似性、自 保存性、自模性。 5 ( 4 )在自由射流中距离喷嘴越远边界层越厚。 1 9 2 6 年t o l l m i e n 对无限平面平行射流边界层进行了研刭耶j ，但是只局限于 理论研究。t o l l m i e n 的研究是建立在1 9 2 5 年p r a n d t l 提出的混合长度半经验理论 的基础之上，特别是关于横向尺度远远小于纵向尺度，射流中有两种速度不同的 流体，它们之间的断面最终发展成了一种类似于边界层的流动。根据流动中的自 相似性原理，可求解紊流附面层方程。求解湍流射流边界层偏微分方程时，通过 相应的相似变换得到可分析求解或者比较简单的数值积分常微分方程，分析后总 结出了射流在轴线方向上轴心速度的变化规律以及断面速度在轴心线方向上的 分布情况。 在实际工程问题当中大多数射流为紊动射流，因此有必要对射流的紊动特性 进行研究。1 9 4 2 年g o r t l e r 运用了p r a n d t l 提出的紊流半经验理论作为自由紊流的 切应力分工对紊流的附面层进行分析，通过偏微分方程求解方法，对平面平行射 流边界层与平面射流问题也有所涉及【3 6 1 。1 9 6 8 年s c h l i c h t i n g 借鉴g o r t l e r 的方法 研究了圆形断面射流问题1 3 7 j 。r e i c h a r d t 通过实验分析计算后得到实验曲线，并 分别与t o l l m i e n 和g o r t l e r 圆形平面射流理论的计算结果进行比较，g o r t l e r 理 论计算结果不仅简单而且与实验曲线更加接近。 求解紊流边界层微分方程被认为是研究紊流射流的最重要方法，不同科学家 对其他射流问题的研究也都是通过这一途径。研究分析的过程中，可以采用的基 础理论包括p r a n d t l 的紊流半经验理论，t a y l e r 的涡量传递理论以及引用k s 方 程直接对射流流场等 3 8 】。由于射流流动存在对称性以及参数分布渐进性，射流 在轴心及边界上纵向梯度为零。 俄罗斯科学家于1 9 6 0 年提出了一种动量积分的研究方法【3 9 1 ，并采用这种方 法对紊动射流的初始段、主体段边界及射流沿轴心线方向上速度的变化规律进行 了研究。由于各断面流速分布的相似性得到了实验的验证，可以通过实验或者理 论分析得到断面上流速的分布规律和模式并事先设定，从而可以计算出射流流过 动量沿流程的变化规律。实验和理论分析相结合，由于在各断面上动能守恒，可 按单位宽度考虑写成积分形式对射流问题进行求解。为此还必须对射流边界条件 作出一个假设，即假定射流的厚度变化是线性扩展的，或者假定射流从侧边卷吸 周围流体流量和边界上的流速。由于采用的研究方法和参考实验资料不同，而射 流断面上的流速分布函数也不相同，因此所得到的关系式也会稍有不同。求解那 些最简单最基本的射流所得到的结果与实验结果相比还是比较接近的。 作为- - 1 7 新兴学科，高压水射流切割技术近年来得到了飞速的发展，作为唯 一的一种冷切割加工方式，它的应用越来越广泛【4 0 】。目前已在清除多种表面附 着物以及切割、破碎多种金属和非金属材料成功应用，比如高压水射流破碎方法 6 在钻油井钻进装置上和陆上采矿设备上的应用，而且都取得了很好的效果 【4 1 , 4 2 , 4 3 1 。发达国家如美、英、日、德等，都越来越重视其研究和应用，几乎在所 有的汽车和飞机制造厂都有应用。水射流切割技术和射流发生设备在最近十多年 里有了很大的进步，其应用也深入了工业生产和人们生活等各个方面。国际上许 多公司、工厂以及各高校科研单位竞相研究开发，一大批高压水射流切割机、采 煤机、打桩机相继出现，不同用途、不同形式的水射流清洗机、表面处理设备投 入市场。目前，3 0 0 0 多套高压水射流切割设备已在数十个国家几十个行业中被 成功应用，而且设备年增长率超过2 0 ，新产品也趋于高端化，如b h r a 、 w o m a 、e s a b 等公司已成功研制出两维和多维全自动高压水射流切割设备，并 被应用于不同领域。 高压水射流切割技术主要经过了四个阶段的发展的发展脚】。第一阶段为二 十世纪六十年代初期的探索试验阶段，主要是低压水射流在采煤技术中的推广应 用。第二阶段为六十年代初至七十年代的基础设备研制和攻关阶段，高压泵、增 压器和高压管件等设备成功研制，并开始推广高压水射流清洗技术，当时生产的 4 0 0 m p a 以上的柱塞泵和1 7 0 0 m p a 以上的增压器产品，极大地促进了高压水射流 技术的研究和发展。第三阶段为七十年代至八十年代初为工业试验及工业应用阶 段，这一阶段的主要特点是研制成功了高压水射流采煤机、切割机、清洗机，并 且对这些设备进行了工业试验，应用范围也由采矿工业扩展到其他领域，比如航 空、医疗、市政工程等。第四阶段为八十年代以来的高压水射流迅速发展阶段， 这一阶段的特点是研究进一步深化，已不局限于单一的提高水射流压力，而更多 的是考虑提高水射流的总体冲击效果如冲蚀量、打击能量等，同时也出现了许多 新型水射流，如磨料射流、空化射流和自激振荡射流等。 在水射流中加入一定量的磨料微粒，可提高水射流的冲击破碎能力，同时有 效地切割破碎靶体物料【4 5 1 。我们把混有研磨材料的水射流称为磨料射流。美国 是世界上最先研究和使用磨料射流的。b o b o ，在六十年代初应用磨料射流钻油 井，大幅度提高了钻井速度，并且也于1 9 6 3 年取得了这种方法钻井装置专利权。 七十年代末，国际上开始了对磨料射流大规模地的研究和应用，八十年代磨料射 流得到了迅速发展。由于其具有以下三种优点：1 、系统简单，2 、成本低廉，3 、 切割效率比相同条件下高压水射流高8 - - 1 0 倍，使得这种技术在接下来的十多年 中，广泛应用于清洗、除锈、切割和破碎岩石作业中。 早在二十世纪七十年代后期，西方发达国家就开始研究高压水射流技术在深 海领域的应用并进行了相关实验，现已开始了产品的研发，甚至已经开发出来了 一些海底切割装置系统【2 2 j 。1 9 7 8 年p h i h p 、k r o c k w e l l 等人研究应用水射流技术 在海底开挖埋设电缆和管道的沟渠，并做了淹没条件下粘土的切割实验，来验证 7 喷嘴射流的切割能力。目前，整套的射流切割装置系统已完成开发，并进入到商 业化量产阶段，而且在机器人领域的应用当中也取得了成功，这一系统还将应用 于海上平台的拆装、海底光缆的埋设以及深海岩石、矿产切割等领域。 近些年来国内科学家也进行了相应的研究并取得了较多的成果，以下对国内 的研究成果进行介绍。 中国石油大学廖勇教授比较系统地研究和分析了围压环境条件下，磨料水射 流的切割原理和模型。首先建立了在高围压环境条件下喷嘴磨料水射流切割的 a n f i s 模糊模型结构，然后在自行设计的高围压环境条件模拟实验装置上进行 模拟实验，比较系统的得到了高围压环境条件下磨料水射流切割性能与各参数变 量之间的关系和变化规律，以及在不同围压下，磨料水射流切割性能的变化情况。 四川省水利厅的潘超、姚勇t 4 6 j 采用多物质流固耦合算法与a l e ( 任意拉格朗 日欧拉) 算法，结合显示动力学有限元程序对上述复杂过程进行数值模拟，对射 流冲击破碎岩石的破碎过程中流体与固体之间的相互作用以及岩石的破碎动态 扩展过程进行了分析，并研究和比较了连续射流冲击与脉冲射流冲击对岩石的切 割效果，其结果表明两种射流在破岩初始阶段情况类似，但总体上连续射流的破 岩能力较强。 同济大学李万莉、徐宝富等对水射流侵蚀破碎水泥路面的微结构损伤模型进 行了仿真研究【4 7 j 。提出了在水射流作用下水泥混凝土路面的破碎机理。在细观 损伤力学理论的基础上对水射流作用下水泥路面碎裂的微结构损伤数学建模，采 用有限元方法求解该模型，得到了水泥混凝土表面在不同速度和压力的射流作用 下所产生v o n - m i s e s 等效应力；总结出了破碎混凝土路面所需射流的各种参数，为 水泥混凝土路面破碎探索了一种新方法。自行设计实验系统进后，通过反复的实 验，验证了混凝土破坏模型和破坏准则的正确性，并得到了有效破碎混凝土路面的 射流参数和混凝土的临界破坏点。 重庆大学卢义玉、冯欣艳等人对高压空化水射流破碎岩石进行了试验研究 【4 8 】，研究目的在于得到高压空化水射流的冲蚀能力与水力参数之间的相互关系， 通过优化这些参数得到最佳效果，从而提高破岩效率