文摘

磨料气射流技术是有效的和有益的,广泛用于钻金属和玻璃基板。当进口压力增加,气体喷射可以强大到足以打破岩石。他们有潜在用途在煤层气勘探和开采由于其独一无二的流体喷射钻井,避免水侵和井眼坍塌。提高岩石破碎的效率使用研磨气体喷射未来煤层气勘探是一个重要的先决条件。喷嘴结构是至关重要的流场和侵蚀率。此外,优化喷嘴结构提高岩石破碎的效率是至关重要的。通过结合空气动力学和修复钻头喷嘴的状况,我们初步设计四种类型的喷嘴。侵蚀率的四个喷嘴由数值模拟计算,使我们能够得出这样的结论:一个喷嘴3马赫最多能诱发侵蚀时是25 MPa的压力。更高的压力不能提高侵蚀率,因为屏蔽效应降低能量的影响。较小的压力不能加速侵蚀率,因为短的气体膨胀波和低速度飞机。 An optimal nozzle structure is promoted with extended expansion waves and less obvious shield effects. To further optimize the nozzle structure, erosion rates at various conditions are calculated using the single-variable method. The optimal nozzle structure is achieved by comparing the erosion rates of different nozzle structures. The experimental results on rock erosion are in good agreement with the numerical simulations. The optimal nozzle thus creates maximum erosion volume and depth.

1。介绍

高压气体射流高效开采和切割金属和玻璃。它被广泛用于钻几十年来(硬脆材料1- - - - - -3]。到目前为止,研究人员利用岩石或煤破碎技术在煤层气勘探4- - - - - -6]。流体入侵飞机,气体射流避免井眼坍塌,这主要是由水入侵与高压水射流辅助钻井期间(7- - - - - -9]。像超临界有限公司₂,气体射流辅助钻井潜力巨大和穿孔在煤层气勘探10]。高压气体射流的假设是足够强大和有效打破岩石和煤。有很多方法,提高研磨气体喷射的影响力量。最重要的方法是优化喷嘴结构。

对于可压缩流体喷射,喷嘴结构决定了出口速度和流场结构11]。有许多喷嘴类型(例如,直喷嘴,拉伐尔喷嘴,渐缩喷嘴)可用于岩石破碎。幸运的是,许多研究提供了必要的指导。棕褐色等人提出的拉伐尔喷嘴将放大的速度和消除不稳定的气流场。他们还推测,拉伐尔喷嘴最佳装备高速和稳定的流场12]。李等人发现,生成的流拉伐尔喷嘴出口速度较高附近的喷嘴,而喷嘴。因此,拉伐尔喷嘴比直线更高效。流产生的拉伐尔喷嘴也不收敛,和速度沿径向梯度比直线更温和的喷嘴(13),根据流动特性。拉伐尔喷嘴被认为是一个更好的选择对于岩石和煤破碎。Alkhimov等人研究了喷嘴结构和粒子的最后出口速度之间的关系,找到一个优化结构和substream长度(14]。黄等人研究了喷嘴结构对岩石的侵蚀比较收敛和拉瓦尔喷嘴。他得出结论,拉伐尔喷嘴增强岩石侵蚀,根据压力和温度条件。此外,从喷嘴喷射的光滑的内轮廓一直侵蚀能力大于拉瓦尔断了线内部配置文件(15]。

喷嘴结构影响出口压力的原因是,它决定了气体射流的扩张状态。扩张状态的比例取决于静态压力和出口之间的气氛,等于的喷嘴出口和进口之间的部分16]。扩张状态对流场具有重要意义,这是实质性的磨料加速和研磨速度影响材料(17]。格雷戈里奥调查压缩性影响的超声速湍流射流喷嘴出口马= 1.5马赫。结果表明,过度扩张飞机比其他条件提出了更大的传播。立即盲目扩张飞机的特点是强烈的冲击下游的喷嘴出口,诱导速度减速马= 1.1。完全展开状态被轻微的超压值对环境条件,提出列车疲弱的扩张和斜激波。underexpanded喷气显示极端马赫波动由于强大的扩张和冲击波18]。underexpanded飞机提供最好的状态转换高气体速度。此外,马赫盘是一个明显的障碍获得流场和高气速,岩石和煤破碎所必需的。因为扩张状态与进口和出口的比例压力,进气压力应该认真调查。棕褐色等人的研究表明,天然气的最大值飞机进口压力的增加而增加。因此,震荡,伴随着的形成压缩波在超音速区域入口压力大于15 psi。仿真表明,拉伐尔喷嘴影响气流场通过增加气体喷射速度的最大值,通过消除压缩波在特定的预期值的压力入口(12]。

而早些时候调查澄清喷嘴结构和天然气喷流的关系,最好的类型的喷嘴结构适用于加速磨料磨具已经很少了。磨料磨具的天然气喷流的运动非常复杂,没有统一的理论有一个磨料加速或磨料侵蚀机制。这样的机制会影响气体压力、磨料浓度、研磨大小、磨料密度等。19- - - - - -25]。最终,唯一重要的是这个属性增加气体射流的冲蚀速率。因此,我们启发估计喷嘴结构基于侵蚀率。

优化喷嘴结构的气体射流对岩石和煤破碎,我们设计了一个初步的结构结合空气动力学和安装一个钻井工程喷嘴。此外,各种收敛的影响角度,拉伸比的喉咙,发散角,等的侵蚀率是通过数值模拟获得的,并且提供预估最优喷嘴结构。此外,数值模拟的结果验证了侵蚀实验。最后,优化喷嘴结构岩石和煤破碎诱导磨料气射流。

2。初步的喷嘴结构设计

拉伐尔喷嘴是缩放喷嘴,古斯塔夫的帕特里克•德拉瓦尔在1888年发明的蒸汽机应用程序产生一个超音速流在不同的部分,直接窒息后和声波流条件最窄的喷嘴。因为他的论文集中在气体射流的冲蚀速率,研磨速度是最相关的岩石破碎。研磨速度很大程度上取决于气体速度及其收益。气流速度达到音速比例在最窄的时候,它从收敛部分转换为不同的部分。(即延长最窄的部分。,throat section) prolonged the sonic and abrasive acceleration times, promoting the higher initial abrasive velocities at the entrance of divergent section and the higher impact velocities on the rock and coal. Thus, the Laval nozzle with a throat section was used to erode the rock, as shown in Figure1。因为研磨速度得到了主要来自天然气、喷嘴的气体状态和速度应先清除。

假设流动状态是绝热无摩擦,微分方程的一维稳定流动喷嘴如下。

连续性方程是 在哪里是体积,是一个截面积,是密度。

动量是

能量是 在哪里是温度和定压比热。

状态方程是

动量方程可以写成 在哪里是当地声速。

通过把(1)和(5)在一起,我们得到的 在哪里马赫数。

动力也可以写成

通过把(6)和(7)在一起,我们得到的

堵塞(8)(1),我们得到

第二个能量方程可以写成 和插入(6),这样

很明显,热力学参数(例如, , ,和 )气体的喷射取决于喷嘴部分的变化。因此,这些参数可以计算喷嘴部分面积的基础上(8),(9)和(10)。优化喷嘴结构,喷嘴部分面积的比值应该首先找出影响热力学参数。连续性方程可以写成 在哪里临界密度,是临界体积,是关键的截面积。

由于等于和声音的临界速度,(11)可以写成

前四项的右侧(12)可以被替换为一个常数相关熵方程 。第五项= 。因此,(12)可以写成

根据(13之间的关系),喷嘴出口马赫数和截面积的比值。的截面积可以证实通过设置喷嘴出口马赫数和喷嘴入口截面积。岩石和煤的侵蚀,在喷嘴出口马赫数越大,越好气体射流侵蚀岩石和煤,并在喷嘴出口截面积越大。然而,它是不可能扩大截面积无限,因为煤层气的固定位置是有限的。喷嘴的允许的最大长度是40毫米,和喷嘴入口和出口的最大截面积是4毫米和10毫米,分别基于钻头的大小。结合热力学方程和固定位置的大小的钻头,四个初始喷嘴结构设计。他们的出口速度马赫数2、3、4和5,如图2。

3所示。进一步优化拉伐尔喷嘴

四个拉伐尔喷嘴,讨论部分2,与出口速度不同。此外,喷嘴马赫5出口速度是高效的能源转换。然而,它不能告诉时磨料模式最好的加速侵蚀的岩石和煤,因为磨料加速不仅涉及气体速度还要气体密度、粘度、温度、压力梯度等。26- - - - - -29日]。此外,进口压力对磨料加速度和速度至关重要,因为它决定了气体射流的扩张状态。此外,收敛角、发散角和拉伸比的喷嘴喉节显著影响膨胀状态。因此,拉伐尔喷嘴应该特别设计的。我们使用ANSYS-FLUENT作为一种高效的气体射流的流场分析。其离散相模型(DPM)可以精确地解决研磨运动。它提供了一个侵蚀模型来计算目标材料的侵蚀率。因此,本节的重点是影响各种初始流利的条件和结构的岩石的侵蚀率。

3.1。数值模拟模型

根据腐蚀参数(例如,喷嘴参数),对峙距离100 mm时,数值模拟几何模型设计如图3。结构化网格用于网格划分和网格数量是17240,基于网格敏感性分析。入口压力入口边界;出口压力出口边界;墙面是一个中性的墙。而进气温度都是300 K,出口压力都是0.1 MPa,石榴石磨料3500公斤/米³,直径是180μm。气体和固体阶段计算基于连续和离散相模型。气相的收敛性和稳定性,DPM模型计算研磨剂的参数(如速度和空间位置)。

为气相,RNGk- - - - - -ε湍流模型可以模拟高雷诺数流动的飞机。气体被认为是理想气体。RNG的控制方程k- - - - - -ε湍流模型中描述(30.]。 在哪里

是密度;湍流动能;耗散率的 ; 是时间;笛卡尔坐标;和速度组件以及和 ; 天然气粘度;涡流粘度;是一代的湍流动能, ,产生的平均速度梯度;是一代的湍流动能浮力;是可压缩湍流脉动的扩张的影响总耗散率;和和有效的普朗特数的倒数为湍流动能和耗散率。是动荡普朗特数; , ,和经验常数;重力加速度的组件吗方向,热膨胀系数,声速。

气相的连续性方程

气相n - s方程 在哪里气体体积分数;气体密度,公斤/米³;是时候,年代;气体速度矢量,m / s;压力,kPa;流体粒子相互作用力,N;是气相应力张量;和重力加速度是矢量,m / s²。

粒子的DPM阶段是作为在26,31日]: 在哪里是阻力单位粒子质量。 在哪里是一个额外的萨夫曼升力引起的加速度。压力梯度粒子速度,是流体的速度,重力加速度,是粒子的密度,是粒子的直径,是阻力系数,是相对的雷诺数。

流利提供侵蚀模型分析目标材料的侵蚀率。其中,McLaury侵蚀模型是最优为研究岩石的侵蚀研磨气体喷射,由于粒子速度,形状、直径等被认为是(32,33]。 在哪里是目标侵蚀;是材料的布氏硬度;F_年代是颗粒形状系数;是恒定的;和F_年代= 1.0(角),0.53为semi-rounded,或0.2萨伦伯格的沙子。Morsi和亚历山大使用两个函数形式的角度依赖性,匹配条件应用于一些中间的角度, 。撞击角的依赖, ,在(21)[34]。 在哪里 ,和是经验常数。

3.2。验证拉伐尔喷嘴出口速度的

方程(13)表明,喷嘴出口马赫数的只与截面积的比值之间的进口和出口。进口压力不能影响马赫数但可以影响的比例出口压力和大气之间的静压。验证初步喷嘴结构和数值模拟模型中,数据提取的马赫数射流轴向和图所示4。喷嘴出口马赫数的反映了理论分析。因此,初步喷嘴结构和数值模拟模型在本研究中是可用的。

3.3。压力对腐蚀速率的影响

进气压力可以显著影响膨胀状态,决定流场结构和磨料加速。当喷嘴结构不改变,每个喷嘴都有自己的最佳压力侵蚀岩石最大限度。它是必要的,那么,找到最好的岩石破碎研磨气体喷射压力。如果进气压力太小,磨料不能加快的速度足够高,导致一个较小的侵蚀率。但是,如果进口压力太大,研磨速度可以加快极高,但它使喷嘴的磨损,缩短服务时间。找到最好的进口压力的四个喷嘴和喷嘴结构,侵蚀率计算当入口压力10 MPa, 15 MPa, 20 MPa, 25 MPa, 30 MPa, 50 MPa。最常用的磨料的石油和天然气钻井与直径80目石榴石,反映了初始参数的数值模拟的固相。好钻孔的对峙距离通常是0 - 100毫米。此外,对峙距离越大,冲击力和速度越小,研磨时,对峙距离超出最优值。最优对峙距离取决于潜在的气体射流的核心。 To rid the effect of optimal stand-off distances and potential cores, confusing the comparison of erosion rate at the different initial condition, the initial stand-off distance is 100 mm of the numerical simulation.

我们提取每个数值模拟的最大侵蚀速率情况下,如表所示1。类似的结论部分2,最好每个喷头都有自己的压力,创造最大的侵蚀率。因此,喷嘴的最大侵蚀马赫2是7.92×10⁻⁶公斤/米²·年代25 MPa的压力。最大的侵蚀率数值模拟1.26×10⁻⁵公斤/米²·s 25 MPa压力时,喷嘴类型3马赫。图5显示的结果喷嘴3马赫与各种压力,导致不同的侵蚀率,由于压力变化。

因为气体喷射速度取决于气体射流流场,我们应该清楚地定义压力如何影响气体射流流场。当气体出口喷嘴,喷射流场的比例取决于之间的静压气体喷射和大气。当进口压力10 MPa,出口静压为0.28 MPa。因此,气体不完全膨胀。气体膨胀不断流出喷嘴后,压缩空气的边界。这导致形成一个膨胀波,导致气体射流在径向方向上扩张,增加潜在的射流核心。此外,气体在轴向方向上的速度进一步加快。同时,气体的静压喷射与气体射流的扩张逐渐减少。气体喷射时停止扩大静态压力小于大气,和气体喷射速度达到最大。波不断扩张反映了飞机的边界和覆盖,导致压缩波的形成。 The gas ceases to expand in a radial direction and begins to compress in the axial direction, shrinking the boundary of the potential core and decreasing the gas velocity. However, the density and static pressure of the gas jet increase with the formation and propagation of the compression wave. When the static pressure increases to 0.19 MPa, the gas jet has enough internal energy to expand. Then, the compression wave reflects the boundary and begins to expand again. By comparing the first expansion wave, the static pressure of the second expansion wave is smaller. The reflected angle of the expansion wave will be small, and the wavelength will be short. The expansion and compression waves propagate forward, alternatively in this fashion.

进口压力越大,出口静压越大,导致增加了膨胀波和减少压缩波。延长扩张浪潮创造更高的气流速度,良好的和必要的磨料加速。然而,当30 MPa的压力,盾牌和阻塞性磨料侵蚀效果明显。盾牌压力增加时效果更明显。此外,当压力达到50 MPa,旁边有一个马赫盘喷嘴出口。众所周知,当静态压力和大气之间的比率是足够大,气体射流会盲目扩张,导致马赫盘。而马赫盘前气流速度是最大的,气体速度创建了马赫盘后显著降低。盾的效果是最明显的,导致侵蚀率大大降低。与其他流场相比,当进口压力25 MPa,流场最扩展膨胀波和最微妙的屏蔽效应。最延伸扩张浪潮导致磨料加速到最高速度。 The most subtle shield effect causes the impact energy of abrasive to transfer most efficiently into the breakage energy of rock. These are the two primary causes giving sufficient explanation to the best erosion rate of 25 MPa.

4所示。精炼喷嘴结构

磨料加速不仅取决于气体流场的一个免费的飞机还在喷嘴的流场。最好的自由射流流场特性高速度和一个不明显的保护效果,应该完全取决于膨胀比和进气压力的比值。完善内部喷嘴结构(例如,收敛角,发散角,收缩比,和拉伸倍数)仅仅是与喷嘴的流场。像节3,我们不关注详细的喷嘴结构如何影响流场。我们不是法官侵蚀率。

4.1。收敛角对腐蚀速率的影响

收敛角决定的收敛范围部分的直径入口和喉咙被常数。当气体流经部分融合,它将首先压缩,然后释放达到音速。然后高速燃气射流作用于磨料因此磨料加速。然而,为了达到一个优秀的磨料加速,收敛角需要优化。具体来说,太大收敛角在更短的收敛结果部分不稳定非均匀和气体喷射,削弱了磨损。然而太小收敛角不仅负面影响磨料加速喷嘴制造也带来了困难。根据空气动力学的经验,14°之间的收敛角是建议范围和60°。进一步确定收敛角如何影响冲蚀速率,岩石的侵蚀过程模拟与八个不同的角度在以下范围:14°28°,36°、45°,51°,53°,55°,和60°。其他有影响力的参数是固定的模拟。结果呈现在图6和表2。结果表明,不同角度冲蚀速率有剧烈的影响。与日益发散角,侵蚀率增加,然后降低。最大侵蚀速率为1.27×10⁻⁵公斤/米²发散角是53°时·s。当收敛角小于45°,目标中心的侵蚀率非常小。收敛角越小,侵蚀率越低。通过利用图5,较小的收敛角会导致一个更明显的保护效果,弱势群体的侵蚀率。更高的收敛角导致难以加速和气体喷射流场变得不稳定,导致侵蚀率下降。

4.2。收缩系数对腐蚀速率的影响

收缩比是指喷嘴入口半径的比值喉道半径。收缩比小于3时,气体射流的流场将是连续的,分不开的。内收缩比是设计为1.5,2、2.5、3、3.5、4,而其他结构参数保持不变,除53°的收敛。岩石的侵蚀率在不同收缩的拉伐尔喷嘴使用相同的数值模拟计算方法。结果如表所示3和图7。类似于图6收缩比= 2时,屏蔽效应是最不明显的,是最大的侵蚀率的主要原因。当收缩系数小于2.0或太大,盾效应降低入射气体喷射的冲击能量,使墙上喷射太遥远的从目标中心和诱导减少侵蚀率。高侵蚀率将导致更深的蚀坑的岩石,和一个低腐蚀率将导致更广泛的岩石的侵蚀坑。

4.3。发散角对腐蚀速率的影响

发散角是一个主要因素影响状态,气体射流的速度扩张。因此,它是至关重要的磨料加速和岩石侵蚀。当发散角是5°和30°之间,气体射流的流场改善。基于收敛角和收缩系数对腐蚀速率的影响,拉伐尔喷嘴的结构进一步精制通过调整发散角在5°,7°,10°,12°15°和30°。拉伐尔喷嘴的参数表中列出4。数值模拟的结果如表所示5和图8。最好的侵蚀率是1.53×10⁻⁷公斤/米²·s。发散角是10°时,腐蚀速率达到最大。屏蔽效应是微妙的发散角时重置5°至15°。如果发散角太大(例如,30°),屏蔽效果明显,不利于岩石侵蚀。

4.4。喉咙的比例对侵蚀的影响率

拉伐尔喷嘴的长宽比是指喉道长度和直径之间的比率。气相的速度达到音速,在喉咙部分保持不变。喉咙的长度与气体速度。对于固相,喉咙的长度是重要的磨料加速,因为它决定了磨料的加速时间。因此,侵蚀率可以提高的长宽比的喉咙调整。调查比对侵蚀率的影响方面,计算岩石的速度侵蚀长宽比为0时,2、3、4、5和7。与此同时,收敛角是53°,收缩比是2,发散角是10°。结果如表所示6和图9。随着喷嘴喉部的长宽比,侵蚀率增加,然后降低。长宽比为0时,喉咙的长度为0,侵蚀率最小化。喉咙的存在是至关重要的磨料加速和侵蚀率。侵蚀率达到最大,153×10⁻⁷公斤/米²·年代,长宽比是3和长度是6毫米。

4.5。最优喷嘴结构

从部分3,我们看到,喷嘴3马赫创建一个相对最大侵蚀速率。喷嘴结构进一步完善,通过分析不同的收敛角的影响,收缩比率,发散角,纵横比侵蚀率。单一变量法用于优化结构参数,得到最优喷嘴岩石破碎。最优喷嘴结构参数的收敛角53°,收缩比为2,10°,发散角和长宽比3。

5。岩石侵蚀实验

检查喷嘴结构是否最优,岩石侵蚀实验诱导通过比较相对良好的喷嘴的冲蚀速率,基于最优喷嘴设计,如图10。图10 ()给出了最优喷嘴。基于收敛的影响角度冲蚀速率,第二最好收敛角是60°。我们改变收敛角60°,保持其他喷嘴参数不变,标记为喷嘴b图10 (b)。使用相同的方法,我们可以把喷嘴c和发散角的过渡(10°)发散角(7°),如图10 (c)。我们也可以获得喷嘴d与转型相关的长宽比3方面比5,如图10 (d)。数值模拟,磨料是石榴石网80年,进口压力25 MPa,对峙的距离是100毫米,和侵蚀时间是10秒。

5.1。实验系统

高压气体射流冲蚀实验系统用于实验,由高压空气压缩机,高压气瓶、数字压力计,压力控制阀,磨料罐,闸阀,操作箱。高压空气压缩机有40 MPa的最大压力和最大进气的2 m³/分钟,而高压气瓶展品40 MPa的最大允许压力。系统设备连接如图11和12。拉伐尔喷嘴,使用的喷嘴的结构参数与喷嘴用于数值模拟。在实验之前,高压气体存储在高压气瓶,和出口压力调整调压阀。入口压力范围介于0到40 MPa,而出口压力范围在0和25 MPa之间。可调节出口压力精度为0.1 MPa,压力调节阀可以准确地控制喷射压力,从而确保恒定射流压力在实验中以满足实验需求。精确地控制研磨剂的质量流率,高压闸阀是安装在磨料罐。门适用于控制在高压条件下固体颗粒的流动。在实验之前,闸阀尺度对应于不同的磨料磨具的质量流量取决于校准。

石灰石用于侵蚀。确保侵蚀石灰岩的机械和物理性质是相同的,50×100岩石样本准备通过取心在同一岩体。两个岩石样本选择和使用MTS进行力学性能测试,和这项研究的结果发表在表7。在执行侵蚀实验之前,油箱中的气体压力增加到35 MPa,磨料罐充满了相应的磨料,和闸阀的位置调整,以确保质量流量满足实验条件的要求。提高实验结果的准确性,我们为每个喷嘴做了一个平行实验。我们使用每一个喷嘴侵蚀三种岩石样本在同一实验条件。详细的实验过程如表所示8。

5.2。实验结果

侵蚀体积和腐蚀深度的两个主要参数反映的侵蚀影响气体射流等于侵蚀率。侵蚀体积的结果如表所示9。喷嘴创建的最大侵蚀率14.89毫升,这是在良好的协议与数值模拟。喷嘴c创建最小侵蚀率为9.38毫升,发散角最显著影响侵蚀率。我们得到了同样的结论与实验结果的侵蚀深度。喷嘴的最大腐蚀深度47.29毫米,如表所示10。喷嘴c使最小深度为40.13毫米。喷嘴的冲蚀坑c也具有最低口直径,如图13。坑的口的直径由喷嘴是第二个最低侵蚀,略大于喷嘴c。部分的结论3所示。3告诉这口的直径很小如果屏蔽效应是微妙的。的差异侵蚀体积和喷嘴之间的深度和c主要是由磨料加速引起的。因此,发散角的变化导致气体射流的速度减少。同意这个观点的结论部分4.3。侵蚀的主要原因减少体积和深度与喷嘴b和d是屏蔽的效果。收敛角和长宽比的变化导致气体射流的速度增加和屏蔽效应增强,这是不利于磨料加速和岩石侵蚀。这些结论部分吻合较好4.1和4.4。因此,喷嘴是最优的,因为它可以产生更好的流场和不明显的保护效果。

5.3。进一步的实验验证

喷嘴还改变实验条件后最优喷嘴吗?即喷嘴是否仍然可以达到最大侵蚀速率时磨料和气体压力的类型发生了变化。澄清这个问题,不同的磨料磨具和气体压力被用于侵蚀实验。(1)磨料类型。目前,常用的磨料磨具包括石英砂、石榴石、棕刚玉和碳化硅。每个喷嘴使用四磨料磨具岩石侵蚀。通过比较侵蚀参数,分析各种磨料磨具是否可以影响的结论。实验压力25 MPa,目标距离100 mm,侵蚀时间是10秒,研磨剂的数量是80网。实验结果如表所示11。可以看出,无论哪一个使用磨料,喷嘴的最大腐蚀深度。因此,最优喷嘴结构可以进一步确定。(2)气体的压力。气体压力的关键因素之一是确定侵蚀效果。因为空气压缩机的压力应用于工程并不是很高,实验的气体压力是10 MPa, 15 MPa, 20 MPa, 25 MPa。四种压力被用来测试每个喷嘴的侵蚀。通过比较侵蚀参数,分析了气体压力的变化是否会影响的结论。实验80目石榴石磨料,目标距离100 mm,侵蚀时间是10秒。实验结果如表所示12。可以看出,气体压力会影响侵蚀深度,和影响逐渐随气体压力的增加而减小。然而,每个实验条件下,喷嘴的最大腐蚀深度。结合不同磨料侵蚀的试验结果,可以得出结论,喷嘴的最佳结构。

6。结论

因为喷嘴结构对侵蚀率至关重要,它是必要的和重要的设计最优喷嘴支持高度磨料气射流对岩石破碎在煤层气勘探。结合空气动力学和固定喷嘴条件下,四种类型的喷嘴的设计。喷嘴的侵蚀率使用数值模拟计算,表明Mach 3喷嘴与25 MPa的进气压力,更好的和最佳的磨料在80目石榴石。最优喷嘴结构具有更多的扩展膨胀波和微妙的屏蔽效果。

为了进一步优化喷嘴结构,侵蚀率在不同条件下计算使用单变量方法。因此,收敛角、收缩比、发散角和长宽比改变每次获取侵蚀率。最优喷嘴结构是通过比较不同喷嘴结构的侵蚀率。因此,入口直径4毫米,收敛角是53°,收缩比是2,发散角是10°,长宽比是3,出口直径是4.1毫米。岩石侵蚀实验的结果表明,它是在良好的协议与数值模拟。最优喷嘴可以侵蚀的最大体积和深度。

数据可用性

论文的数据指的是数值模拟和实验。他们列出了计算方法和结果。即数据用于支持本研究的结果包括在本文中。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

作者透露收到以下金融支持研究,作者,和/或出版这篇文章的:本文联合资助的中国国家重点研发项目(2017 yfc0804207),中国国家科学基金会(51704096,51704096,51604092),项目创新研究团队在大学(IRT_16R22),河南大学的科学研究基金(J2018-4),和科学研究国家重点实验室培育基地天然气的基础地质和气体控制(WS2017A02)。