基于谐振效应的自激振荡脉冲超临界二氧化碳射流最优冲击靶距研究
邓玉洁
刘勇
魏建平
沈荷莲
李翔
李海超
河南理工大学瓦斯地质与瓦斯治理国家重点实验室培育基地,河南焦作 454000;煤炭安全生产与清洁高效利用省部共建协同创新中心,河南焦作 454000
摘要：超临界二氧化碳(SC-CO2)射流在钻井工程中具有广泛应用前景,并且其破煤压力阈值低、效率高,能够提高钻井效率.但因其较高的破煤门限压力和系统能耗,限制了其推广应用.自激振荡脉冲SC-CO2 射流的高脉冲压力和谐振效应可有效降低破煤门限压力,显著提高破煤效率.基于此,开展了自激振荡脉冲SC-CO2 射流脉冲频率和脉冲压力幅值对谐振破煤的综合作用研究.采用大涡模拟分析了射流流场结构,明确了流场轴向上脉冲频率和脉冲压力幅值的变化规律;通过脉冲特征测试实验研究了靶距对射流冲击频率和冲击压力的影响,并通过冲击破煤实验研究了脉冲特征对破煤的综合影响,得到了以下结论:自激振荡脉冲SC-CO2 射流脉冲频率和压力幅值在射流轴向处并不会保持不变,随着靶距的不断增大均呈现逐渐减小的趋势.仅考虑脉冲频率并不能将谐振效应最大化,需要综合考虑脉冲频率和压力幅值对谐振效应的影响.采用位移响应振幅表征谐振效果,能够反映频率和幅值对谐振的综合影响.靶距较小时,即 0～15 mm,位移响应振幅的主要影响因素为脉冲压力幅值;靶距较大时,即 15～30 mm,其主要影响因素转变为脉冲频率.减小脉冲频率并增加压力幅值能够有效提高位移响应振幅.不同喷嘴结构条件下,位移响应振幅主要影响因素的转变位置不同,同时最优靶距也并不相同.该研究中,喷嘴a的最优靶距是22 mm,此处的位移响应振幅最大,破煤效果最好,而喷嘴b的最优靶距是26 mm.
关键词：自激振荡脉冲SC-CO2射流靶距脉冲频率压力幅值位移响应振幅
分类号：TD712(矿山安全与劳动保护)
资助基金：国家自然科学基金(52374193)国家自然科学基金(52174170)国家自然科学基金(52374192)
论文发表日期：2024-07-28
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：14( 3129-3142 )
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