双空化射流中心体结构优化及破煤岩特性
涂翊翔
樊辰星
钱亦楠
王晓笋
康勇
李登
武汉大学水射流理论与新技术湖北省重点实验室,湖北武汉 430072;武汉大学动力与机械学院,湖北武汉 430072
摘要：水射流割缝造网技术是增加煤层透气性、提高煤层气开采效率的有效途径.与普通水射流相比,空化射流因空泡溃灭产生的强大冲击具有更高的破岩效率.为进一步增强空化射流破煤岩能力以促进煤层气开发,分别利用中心体和高低压射流产生绕流空化与剪切空化来提升空化效应,提出了新型的非淹没双空化射流.基于多相流Mixture模型和RNG k-ε输运方程,对不同嵌入深度与不同形状中心体下的流场进行了数值模拟,分析了射流流场气含率和轴线速度分布特征,得到了双空化射流中心体结构的最优参数.随后,结合群泡溃灭动力学理论,将最优中心体结构下双空化射流的压力与气含率作为边界条件,利用多物质流固耦合算法与ALE(任意拉格朗日-欧拉)算法对双空化射流冲击煤岩进行了耦合求解.探究了煤岩破碎过程中流体与固体的相互作用特征及煤岩的破碎过程,并对比分析了双空化射流与普通水射流的破岩效果.研究结果表明,在中心体嵌入深度l=0.5 mm时,双空化射流的含气区域最大,在距中心体末端10 mm位置处气含率可达0.9,空化效果最好;中心体AB端均为90.锥角时,双空化射流的集束性与空化效果同时最优.由双空化射流破煤岩的流固耦合结果可知,其对煤岩的冲蚀深度和孔径明显大于普通射流,在100 μs时双空化射流对煤岩的冲蚀深度和孔径分别为普通水射流的2.4倍和1.3倍.随着时间的延长,冲蚀孔径不再明显增加,而冲蚀深度不断增大,且与冲蚀时间呈线性关系.研究结果证明双空化射流具有更强的空化效果,破煤岩能力更强,因而可在一定程度上促进煤层气的开采.
关键词：煤层气空化射流结构优化空泡溃灭流固耦合
分类号：P618.11(矿床学)
资助基金：国家自然科学基金(52175245)国家自然科学基金(51805188)湖北省自然科学基金资助项目(2021CFB462)
论文发表日期：2022-09-28
在线出版日期：2025-08-15（本平台首次上网日期，不代表文献的发表时间）
页数：10( 3250-3259 )
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