环空流体强化自激脉冲淹没水射流调制与破煤特性.pdf

安全科学与工程环空流体强化自激脉冲淹没水射流调制与破煤特性刘彦伟1,2，龙丽群1，左伟芹1,2，李怀珍1，韩红凯1,2，史进3，李运强1，苗健1,4，贾浩杰1(1.河南理工大学安全科学与工程学院,河南焦作454000；2.河南省煤矿安全与职业危害防治国际联合实验室,河南焦作454000；3.密歇根大学文学、科学和艺术学院,密歇根安娜堡48109；4.山东管理学院智能工程学院,山东济南250357)摘要：针对下向孔淹没水射流卸压增透技术的瓶颈问题，即冲击力弱、破煤效率低、冲割煤量少、适应性差等，提出了环空流体强化自激脉冲水射流下向孔破煤增透思想和原理，以破除孔底压持效应和水垫增阻效应，提高淹没状态水射流的冲击力和破煤效率。采用大涡模拟、打击力测试和冲击釜破煤实验等研究方法，研究了淹没条件下环空流体强化自激脉冲水射流的高效调制和破煤特性。首先建立了适用于煤矿下向孔增透的环空流体强化自激脉冲喷嘴物理模型，优化了喷嘴结构参数；然后研制了淹没脉冲射流高频打击力测试系统和环空流体强化自激脉冲水射流喷嘴，量化分析了环空流体强化自激脉冲喷嘴在淹没环境中的打击力和流场特性；最后研发了淹没水射流破煤实验系统，开展了淹没水射流破煤实验，揭示了环空流体强化自激脉冲水射流的破煤特性。研究结果表明：在煤矿下向孔工程条件下，由两侧带有自吸口的亥姆赫兹型自激脉冲喷嘴能够有效产生环空流体强化自激脉冲水射流，最优喷嘴结构参数为上喷嘴直径 d1=3mm、壁面碰撞角=120、下喷嘴直径 d2=3.6mm、振荡腔腔长 L=10.5mm、振荡腔腔径 D=27mm、引入口直径d3=4.2mm，泵压为 10MPa 时卷吸环空水量最大值为 0.28L/s，平均 0.19L/s；泵压相同时环空流体强化自激脉冲水射流与自激脉冲水射流主频相近，环空流体强化自激脉冲水射流的主频为253285Hz，而自激脉冲水射流的主频为 251282Hz；环空流体强化自激脉冲水射流的峰值打击力分别为自激脉冲水射流、连续射流峰值打击力的 1.051.08 倍和 1.631.89 倍，平均打击力是自激脉冲水射流的 1.091.16 倍，反映了环空流体强化自激脉冲水射流在淹没状态下能够持续产生较大的打击力，具有良好的脉冲射流特性；相同泵压和靶距条件下，环空流体强化自激脉冲水射流比自激脉冲水射流、连续水射流对煤样的破坏效果更强；环空流体强化自激脉冲水射流具备良好的冲蚀煤体破坏效果，约 88.65%的煤渣粒度在 8mm 以下，当泵压为 10MPa，靶距为10d1时，冲蚀时间为 10s，射流对煤样的冲蚀作用最佳，冲蚀深度 47.32mm，冲蚀体积 15.7cm3。研究成果不仅可破解煤矿下向孔水射流增透的瓶颈问题，同时具有少掘岩巷、节省成本的优势，有望替代和超越上向孔水射流卸压增透，在煤矿瓦斯灾害防治和煤层气开发领域，具有广阔的应用前景。关键词：自激脉冲射流；喷嘴结构；卸压增透；流场特性测试；破煤实验中图分类号：TD712文献标志码：A文章编号：02539993(2023)09339312Modulation of annular fluid enhanced self-excited pulsed water jet and its coalbreaking characteristics收稿日期：20220729修回日期：20221102责任编辑：王晓珍DOI：10.13225/ki.jccs.2022.1120基金项目：国家自然科学基金资助项目(52174173，52274188)；中国工程科技发展战略河南研究院战略咨询研究资助项目(2023HENZDB05)作者简介：刘彦伟(1975)，男，河南新郑人，教授，博士生导师。E-mail：通讯作者：左伟芹(1984)，男，湖北仙桃人，副教授，硕士生导师。E-mail：引用格式：刘彦伟，龙丽群，左伟芹，等.环空流体强化自激脉冲淹没水射流调制与破煤特性J.煤炭学报，2023，48(9)：33933404.LIUYanwei，LONGLiqun，ZUOWeiqin，etal.Modulationofannularfluidenhancedself-excitedpulsedwa-terjetanditscoalbreakingcharacteristicsJ.JournalofChinaCoalSociety，2023，48(9)：33933404.第48卷第9期煤炭学报Vol.48No.92023年9月JOURNALOFCHINACOALSOCIETYSep.2023LIUYanwei1,2,LONGLiqun1,ZUOWeiqin1,2,LIHuaizhen1,HANHongkai1,2,SHIJin3,LIYunqiang1,MIAOJian1,4,JIAHaojie1(1.School of Safety Science and Engineering,Henan Polytechnic University,Jiaozuo454000,China;2.Henan International Joint Laboratory of Coal MineSafety and Occupational Hazards Prevention and Control,Jiaozuo454000,China;3.College of Literature,Science,and the Arts,University of Michigan,Ann Arbor,Michigan48109,United Sates;4.School of Intelligent Engineering,Shandong Management University,Jinan250357,China)Abstract:Therearesomebottleneckproblemsinthepressurereliefandantireflectiontechnologyofsubmergedwaterjetinadownwardhole,suchasweakimpactforce,lowcoalbreakingefficiency,lesscoalcuttingandpooradaptability.Inthisstudy,theideaandprincipleofcoalbreakingandantireflectionofself-excitedpulsedwaterjetindownwardholestrengthenedbytheannularfluidwereputforwardinordertobreakthepressureholdingeffectatthebottomoftheholeandthedragincreaseeffectofwatercushion,andimprovetheimpactforceandcoalbreakingefficiencyofthesubmergedwaterjet.Thehigh-efficiencymodulationandcoal-breakingcharacteristicsofself-excitedpulsedwaterjetenhancedbyannularfluidwerestudiedbyusinglargeeddysimulation,impactforcetestandimpactkettlecoalbreakingexperiment.Firstly,thephysicalmodelofanannularfluid-enhancedself-excitedpulsenozzlesuitablefortheanti-reflectionofdown-wardholesincoalmineswasestablished,andthenozzlestructureparameterswereoptimized.Thenahigh-frequencyim-pactforcetestsystemofasubmergedpulsedjetandannularfluid-enhancedself-excitedpulsedwaterjetnozzlewasde-veloped,andtheimpactforceandflowfieldcharacteristicsoftheannularfluid-enhancedself-excitedpulsednozzleinthesubmergedenvironmentwerequantitativelyanalyzed.Finally,thecoalbreakingexperimentsystemofsubmergedwaterjetwasdeveloped,andthecoalbreakingexperimentofsubmergedwaterjetwascarriedout,whichrevealedthecoalbreakingcharacteristicsoftheannularfluid-enhancedself-excitedpulsedwaterjet.Theresultsshowthatundertheengin-eeringconditionofadown-holeinthecoalmines,theself-excitedpulsewaterjetenhancedbyannulusfluidcanbeeffect-ivelygeneratedbytheself-excitedpulsenozzlewithself-primingHelmholtzresonancecavitystructureonbothsides.Theoptimalnozzlestructureparametersareasfollows:thediameteroftheuppernozzled1=3mm,theangleofcollapsewall=120,thediameterofthelowernozzled2=3.6mm,thelengthoftheoscillationcavityL=10.5mm,thediameteroftheoscillationcavityD=27mm,thediameteroftheinletportd3=4.2mm.Whenthepumppressureis10MPa,themaximumamountofentrainmentannuluswateris0.28L/s,withanaverageof0.19L/s.Whenthepumppressureisthesame,thedominantfrequencyoftheannularfluid-enhancedself-excitedpulsedwaterjetisclosetothatoftheself-excitedpulsedwaterjet.Thedominantfrequencyrangeoftheannularfluid-enhancedself-excitedpulsedwaterjetis253285Hz,whilethatoftheself-excitedpulsedwaterjetis251282Hz.Thepeakimpactforceoftheannularfluid-enhancedself-excitedpulsedwaterjetis1.051.08timesand1.631.89timeshigherthanthatoftheself-excitedpulsedwaterjetandthecon-tinuousjet,respectively.Theaverageimpactforceis1.091.16timeshigherthanthatoftheself-excitedpulsedwaterjet,whichreflectsthattheannularfluid-enhancedself-excitedpulsedwaterjetcancontinuouslygeneratealargeimpactforceinthesubmergedstateandhasgoodpulsedjetcharacteristics.Undertheconditionofthesamepumppressureandtargetdistance,thedamagingeffectofannularfluidenhancedself-excitedpulsedwaterjetisstrongerthanthatofself-excitedpulsedwaterjetandcontinuouswaterjetoncoalsamples.Theannularfluidenhancedself-excitedpulsedwaterjethasagooderosioneffectoncoalbody,andabout88.65%ofthecoalslagparticlesizeisbelow8mm.Whenthepumppressureis10MPa,thetargetdistanceis10d1,andtheerosiontimeis10s,thejethasthebesterosioneffectoncoalsamples,withanerosiondepthof47.32mmandtheerosionvolumeof15.7cm3.Theresearchresultscannotonlysolvethebottleneckproblemofadownwardholewaterjetinthecoalmines,butalsohavetheadvantagesoflessexcavationandcostsaving.Itisexpectedtoreplaceandexceedthepressurereliefandpermeabilityenhancementoftheupwardholewaterjet.Ithasbroadapplicationprospectsinthegasdisasterpreventionandcoalbedmethanedevelopmentofcoalmines.Key words:self-excitedpulsedjet；nozzlestructure；pressurereliefandantireflection；flowfieldcharacteristicstest；coalbreakingexperiment水射流卸压增透(包括冲孔、割缝、切槽、造穴)技术是深部低渗煤层增透及区域瓦斯治理的关键技术。其中下向孔水力化措施在顶抽巷、石门揭煤等工程中应用广泛，作为典型的淹没水射流卸压增透技术，3394煤炭学报2023年第48卷下向孔水力化措施排水排渣问题从技术研发层面可以解决，且已得到改善1-5。这些技术保障了下向孔内在瓦斯抽采过程中无水渣，甚至通过注气降低水锁效应2，但水射流冲割过程中钻孔内仍不可避免存在煤水，受孔底压持效应和水垫增阻效应等影响，传统淹没水射流存在冲击力低、破煤效率低、冲割煤量少、适应性差等瓶颈问题。为了提高淹没水射流的冲击力和破煤岩效果，磨料射流6-7、脉冲射流8-9、空化射流10-11和气液两相射流12-13等被用来强化射流。自激脉冲射流因为结构简单、能耗较低在各行各业都得到了广泛的应用，而自吸环空流体式自激脉冲射流利用射流卷吸作用、自激振荡腔内反馈负压区及环空流体液柱压力，无需外加运动部件条件下可以产生优于自激脉冲射流的脉动效果14-16，为下向孔淹没水射流破煤提供了新思路。当前对于自吸环空流体式自激脉冲射流的研究主要集中于石油开采领域，应用于井底岩屑清洗与井下破岩方向17-18。廖荣庆等19首先在淹没条件下采用腔室侧面开孔的方式引入环空流体进行测试，研究表明某些条件下引入环空流体可以改善脉冲射流的振荡特性。唐川林等20阐述了引入扰动剪切流动对自激脉冲射流激励作用的机理，推导了有效激励的条件，并通过室内实验表明引入扰动后的射流体积冲蚀率相较自激脉冲射流有所提高。熊继有等21-22专门设计了一种可以有效利用井底液柱压力的水力自增流量装置，在淹没条件下开展实验，研究表明装置设计合理时可自增流量 30%，且环空流体激励下的脉冲射流出口动压比普通自激脉冲射流明显增强。随后，倪红坚、杜玉昆23-24等采用数值模拟对自吸环空流体式自激脉冲射流喷嘴结构进行了优选设计，并结合破岩实验进行验证，研究表明吸入环空流体强化脉冲射流具有可行性且射流性能和破岩效果均优于自激脉冲射流。WANGRuihe 等25的研究表明自吸流量和射流动压的高低均受喷嘴结构的影响，喷嘴结构是环空流体激励作用和射流冲击效果的关键。陈祎26验证了环空流体强化脉冲射流喷嘴能够引入粒子形成脉冲粒子射流，并试制喷嘴进行了现场实验，实验效果明显。在煤矿开采领域，张欣玮等27设计了基于引射原理的自吸式喷嘴并通过破煤实验验证了破煤效果。综上所述，自吸环空流体增强自激脉冲射流冲击性能具备可行性，对射流冲击性能有显著的提高，有望解决水垫增阻效应和孔底压持效应，且在石油开采领域开展了室内及现场实验验证。但油气井与煤矿井下下向孔的孔径结构和环空流体等工程条件存在较大差异，喷嘴相关结构参数亦不适用，喷嘴不同则环空流体卷吸流量、射流冲击性能等也将发生变化，需要对喷嘴进行优化设计，开展射流性能和破煤效果方面的研究。此外，石油井下应用喷嘴主要用于岩屑清理与辅助破岩，而煤矿井下破煤时对喷嘴的依赖性更强。因此，为了提高下向孔淹没水射流的打击力和破煤效率，笔者提出环空粒子强化自激脉冲射流破煤的设想，并基于此开展环空流体强化脉冲射流调制及破煤特性的研究，建立了环空流体强化自激脉冲喷嘴(以下简称环空自吸喷嘴)物理模型，采用大涡模拟和极差分析法优化了喷嘴结构参数，获取了最优喷嘴性能参数，使用自行研发的水力化增透技术综合测试平台进行流场特性测试，验证了环空流体强化自激脉冲水射流的性能参数，最后开展淹没水射流破煤实验研究了环空流体强化自激脉冲水射流的破煤特性，研究结果有望解决水垫增阻效应和孔底压持效应，并为引入煤岩屑粒子进一步提高下向孔淹没射流打击力及破煤效率奠定了射流调制理论与装备基础。1基于大涡模拟的喷嘴优化设计1.1仿真模型建立与边界参数设置基于自激振荡脉冲喷嘴的优越性，依据前期研究成果一种基于空气振谐的脉冲喷嘴的原理12及自吸式环空流体在石油钻井领域的应用21-22,28，笔者提出环空流体强化自激脉冲水射流破煤的设想，以此来提高下向孔淹没水射流打击力及破煤效率。当具有一定速度的连续射流经上喷嘴流入亥姆赫兹型自激振荡腔后，射流在腔内碰撞与摩擦形成不同尺度的涡漩，经扰动放大后自激振荡腔中心两侧区域会形成一定的负压区，在腔室的上游区域由于紊动射流强烈的卷吸作用，以及在负压区与喷嘴外部环空流体液柱压力的作用下，环空流体被吸入到自激振荡腔内部，与主射流混合。混合后的流体若有合适的相位关系或匹配的激振频率，就经下喷嘴形成环空流体强化脉冲水射流，如图 1 所示。环空自吸喷嘴的主要结构参数包括上喷嘴直径d1、下喷嘴直径 d2、引入口直径 d3、壁面碰撞角、自激振荡腔腔径 D 和腔长 L。结合现场实际情况和前人研究结果25，上喷嘴直径 d1取 3mm，选择锥形碰撞壁，壁面碰撞角取 120。采用 Fluent 软件中的 DesignModeler 模块进行环空自吸喷嘴与外流场计算区域的几何建模，并在该模块中对整个几何模型进行网格划分，将上喷嘴入口和引入口边界设为压力入口，外流场计算域的出口边界第9期刘彦伟等：环空流体强化自激脉冲淹没水射流调制与破煤特性3395设为压力出口，其他边界设置为 wall。经过网格无关性验证，综合考虑求解精度和计算耗时，选用四面体非结构化网格，尺寸为 0.25mm，最终得到的网格轴面如图 2 所示。选用大涡模拟(LES)对流体域进行求解，亚格子模型选择壁面自适应局部涡黏模型(WALE),在淹没条件下，流体介质与环境介质均设为清水，且为不可压缩流体，不考虑热量交换；考虑到室内淹没水射流流场特性测试和破煤实验条件，取入口压力为 10MPa；煤矿井下下向钻孔垂距一般为 1020m，本文围压取值为 0.1MPa 即表示 10m 垂距，因此将引入口和喷嘴出口压力均设为 0.1MPa；壁面条件采用壁面函数法，设置为绝热无滑移；压力速度耦合方式选择 SIMPLE算法；运行求解的时间步长设为 105s。1.2模拟结果分析与喷嘴结构参数优化PvmaxPvmax喷嘴结构对脉冲射流的冲击力及破煤效果至关重要，故借鉴了石油钻井领域22的研究方法，以出口峰值动压作为优选指标，通过改变下喷嘴直径(d2)、腔长(L)、腔径(D)、引入口直径(d3)4 个参数来优选环空自吸喷嘴结构，且每个参数为 4 个水平，选用L16(44)正交表进行模拟实验，16 种工况结构参数配比及模拟结果见表 1。通过极差分析法对表 1 中的进行分析，确定了各因素的影响顺序及最优方案，见表 2。连续射流引入流体脉冲射流自激振荡腔d1d2d3DL图1喷嘴物理模型Fig.1Physicalmodelofnozzel(a)(b)(c)(a)(b)(c)外流场腔体图2网格划分Fig.2Gridpartition表 1 喷嘴结构优选正交模拟Table 1 Nozzle structure optimization orthogonal simulation编号d2/d1L/d1D/d1d3/d1d2/mmL/mmD/mmd3/mmPvmax/MPa10.8(1)2.5(1)6.0(1)0.3(1)2.4(1)7.5(1)18(1)1.0(1)8.2720.83.0(2)9.0(2)0.8(2)2.49.0(2)27(2)2.4(2)8.6730.83.5(3)12.0(3)1.2(3)2.410.5(3)36(3)3.6(3)8.7140.84.0(4)15.0(4)1.4(4)2.412.0(4)45(4)4.2(4)8.5851.0(2)2.59.01.23.0(2)7.5273.69.4761.03.06.01.43.09.0184.29.5171.03.515.00.33.010.5451.09.4981.04.012.00.83.012.0362.49.3391.22.512.01.43.6(3)7.5364.29.69101.2(3)3.015.01.23.69.0453.69.43111.23.56.00.83.610.5182.410.08121.24.09.00.33.612.0271.09.65131.4(4)2.515.00.84.2(4)7.5452.48.92141.43.012.00.34.29.0361.07.98151.43.59.01.44.210.5274.29.68161.44.06.01.24.212.0183.69.56注：(1)、(2)、(3)、(4)代表4种水平。3396煤炭学报2023年第48卷由表 2 可知，喷嘴的 4 种结构参数对出口动压的影响顺序为 d2Ld3D，确定优选方案为 d2=3.6mm、L=10.5mm、D=27mm、d3=4.2mm。1.3优选喷嘴性能分析根据优选喷嘴结构参数建立模型并开展大涡模拟，对其射流性能进行分析。1.3.1脉冲射流形成过程分析为了观察环空流体强化自激脉冲水射流形成过程，按时间顺序提取了 0.2、2.0、3.6ms 三个时刻的速度脉动云图，如图 3 所示。在 0.2ms 时，可以明显观察到振荡腔两侧漩涡区的生成，在 2.0ms 时，腔室内的涡漩区开始逐渐变大，外流场出现了一股脉冲射流，并随着时间的推移逐渐趋于稳定，在 3.6ms 时脉冲射流在腔室内完成了自激振荡，外流场形成了周期性高速脉冲射流。速度/(ms1)166.800150.120133.440116.760100.08083.40066.72050.04033.36016.68000.2 ms2.0 ms3.6 ms图3喷嘴内外速度脉动云图Fig.3Changesofvelocitycloudinsideandoutsidethenozzle1.3.2环空流体引入过程分析喷嘴内部静压分布如图 4 所示，射流进入振荡腔体后，高速射流进入振荡腔体后，涡量扰动经剪切层放大、碰撞壁撞击及扰动反馈，在腔体两侧形成了负压涡漩区，涡环结构会对射流产生周期性阻抗进而产生脉冲射流，同时该负压区与腔内紊动射流的卷吸效应及环空流体液柱压力共同作用引入环空流体。压力/MPa7.5976.7855.9725.1604.3483.5362.7231.9111.0990.2860.526图4优选喷嘴内部静压分布云图Fig.4Staticpressuredistributionclouddiagraminsidepreferrednozzle为了进一步分析环空流体引入过程，对喷嘴内部速度矢量进行分析，如图 5 所示，受大尺度涡环结构的影响引入口能够卷吸周围水体激励射流，将其卷入主射流束内部，与主射流混合。对引入口进行监测，得到引入口的卷吸流量随时间的变化如图 6 所示，最大卷吸流量为 0.28L/s，平均卷吸流量为 0.19L/s。速度/(ms1)168.900126.67584.45042.2250图5优选喷嘴的内部速度矢量Fig.5Internalvelocityvectordiagramofpreferrednozzle1.3.3出口动压变化分析环空流体强化自激脉冲水射流出口动压变化如图7 所示，最大动压为11.86MPa，最小动压为7.57MPa，平均峰值为 11.02MPa，平均谷值 8.16MPa，比正交模拟表里最大的出口峰值动压 10.08MPa 提高了大约10%，进一步证明了优选喷嘴性能的优越性。另外，动压变化曲线表现出明显的振荡特性，具有良好的脉动效果，表明其能在淹没条件下持续产生冲击力并降低水垫增阻效应的影响，从而提高破煤效率。表 2 各结构参数极差分析Table 2 Visual analysis of structural factors因素A(d2)B(L)C(D)D(d3)K134.230036.350037.420035.3900K237.800035.590037.470037.0000K338.850037.960035.710037.1700K436.140037.120036.420037.4600k18.55759.08759.35508.8475k29.45008.89759.36759.2500k39.71259.49008.92759.2925k49.03509.28009.10509.3650极差R1.15500.59250.44000.5175影响顺序ABDC优选方案A3B3D4C2R=maxk1,k2,k3,k4mink1,k2,k3,k4注：Ki为水平数为i时的实验结果之和；ki为任一列因素取水平数i时的实验结果算术平均值，ki=Ki/i，极差R为ki的最大值与最小值之差，。第9期刘彦伟等：环空流体强化自激脉冲淹没水射流调制与破煤特性3397121110987出口动压/MPa024时间/ms6810图7出口动压变化Fig.7Exportdynamicpressurechange2淹没水射流流场特性测试2.1喷嘴结构采用数值模拟优化的自激振荡脉冲喷嘴结构参数，其 d1=3 mm、=120、d2=3.6 mm、L=10.5 mm、D=27mm、d3=4.2mm。根据该研究结果加工了环空自吸喷嘴，其主体结构由上喷嘴、亥姆赫兹型自激振荡腔、锥形碰撞壁、下喷嘴及引入口结构 5 个部分组成，实物图及内部结构如图 8 所示。上喷嘴选用圆锥收敛型喷嘴(以下简称普通喷嘴)，该喷嘴直径为 3mm、直线段长度为 5mm、收敛段长9mm、收缩角为 14，具体结构如图 9 所示。2.2实验系统与实验方案淹没水射流流场特性测试采用了自研水力化综合测试平台的淹没脉冲射流高频打击力测试系统，其主要由控制柜、水箱、高压水泵、打击力测试釜、电子计算机组成，如图 10 所示。其中自研的打击力测试釜通过消除气垫效应很好地解决了压力传导衰减大和传导时间延迟的问题，再配合 1MHz 的高频采集卡和高频压力传感器，能够较为准确地获取脉冲射流的打击力。使用以上设备进行打击力测试，围压保持在0.1MPa，测试靶距为 30mm。测试环空自吸喷嘴在不同泵压下的射流特性，并与脉冲喷嘴及普通喷嘴进行比较。实验方案见表 3。2.3数据处理与结果分析将环空自吸喷嘴产生的环空流体强化自激脉冲水射流记作 a，自激脉冲喷嘴产生的自激脉冲水射流记作 b，普通喷嘴产生的连续射流记作 c。图 11 为不同泵压下 3 种射流的打击力时域变化对比。从图 11可知，射流 a 与射流 b 存在明显的脉冲波动，波动幅值较大。射流 c 受三柱塞泵等外部条件影响存在小范围的压力波动。另外，也可以从图 11 看出相同泵压下射流 a 的打击力波动幅值比射流 b 略大，在一定0.300.280.260.240.220.20卷吸流量/(Ls1)0.180.160.140.1200.51.01.5时间/ms2.02.53.0图6优选喷嘴的卷吸流量曲线Fig.6Curveofentrainmentflowofpreferrednozzle(a)实物(b)内部结构图8环空流体强化自激振荡脉冲喷嘴Fig.8Annularfluid-enhancedself-excitedoscillationpulsednozzle95314图9圆锥收敛型喷嘴Fig.9Conicalconvergentnozzle水箱高压泵打击力测试釜控制柜电子计算机图10水射流打击力测试系统Fig.10Testingsystemofwaterjetimpingingpresure3398煤炭学报2023年第48卷程度上可以说明优选的环空自吸喷嘴能够增大射流打击力。为了分析环空流体强化自激脉冲水射流的自激振荡脉冲特性，对射流 a 和射流 b 在泵压 10MPa 下的打击力时域图进行快速傅里叶变换，进而得到打击力频域变化，如图 12 所示。从图 12 可以看出，射流a 的主频为 285Hz，射流 b 的主频 282Hz，主频频率相近。同样，对泵压 2、5、8MPa 时射流 a 与射流 b的时域图进行傅里叶变换，如图 13 所示。由图 13 可知，泵压相同时射流 a 与射流 b 主频相近，射流 a 的主频为 253285Hz，而射流 b 的主频为 251282Hz。为了进一步分析环空流体对自激脉冲水射流的强化作用，提取不同泵压下打击力峰值进行对比，如图 14(a)所示。随着泵压的增大，射流的峰值打击力也随之增加，射流 a 的峰值打击力分别为射流 b、射流 c 峰值打击力的 1.051.08 倍和 1.631.89 倍。这反映了环空流体强化脉冲水射流在淹没条件下能够持续产生较大的打击力，具有良好的脉冲射流特性。对不同泵压下射流 a 和射流 b 平均打击力进行对比(图 14(b)，由图 14(b)可知，射流 a 的平均打击力是射流 b 的 1.091.16 倍。除此之外，通过对环空自吸喷嘴入口和出口的流量分别进行监测，发现出口流量相比入口增加 7%左右，显然环空流体的吸入增大了主射流的流量，对自激脉冲射流的出口脉动起到强化作用，从而提高了射流的打击力。3淹没水射流破煤实验3.1实验系统与实验方案淹没水射流破煤实验系统采用河南理工大学水力化增透综合测试平台的破煤岩模块，系统主要装置表 3 打击力测试实验方案Table 3 Test plan for impinging presure test实验编号喷嘴类型泵压/MPa1环空自吸喷嘴225384105自激脉冲喷嘴265788109普通喷嘴2105118121000.20.40.60.81.00.631.261.892.520.791.582.373.163.951.32.63.95.21.83.65.47.29.0时间/s打击力/MPa打击力/MPa打击力/MPa打击力/MPa射流a射流b射流c(a)2 MPa00.20.40.60.81.0时间/s射流a射流b射流c(b)5 MPa00.20.40.60.81.0时间/s射流a射流b射流c(c)8 MPa00.20.40.60.81.0时间/s射流a射流b射流c(d)10 MPa图11打击力时域变化对比Fig.11Comparisonoftimedomainchangeofimpactforce第9期刘彦伟等：环空流体强化自激脉冲淹没水射流调制与破煤特性3399由可视化破煤岩釜、高压泵、喷嘴、水箱等组成，如图 15 所示。破煤岩釜在筒体水平方向有对开的和顶部的共 3 个视窗观察口，可视部分 30mm150mm，并安装有靶距调节装置，调节范围 450mm，筒体下侧设有围压进液口和出液口(接背压阀)。冲蚀效果是对环空自吸喷嘴性能的直观验证，通过对比煤样冲蚀坑的冲蚀体积、冲蚀深度来进行评价。冲蚀时长为 10s，煤样选用胜利煤矿褐煤，尺寸为 50mm100mm，坚固性系数为 0.96，实验用喷嘴为环空自吸喷嘴、脉冲喷嘴及普通喷嘴，喷嘴结构如图 9、10 所示。通过改变靶距和泵压开展淹没条件下不同喷嘴的水射流破煤实验，实验方案见表 4。3.2实验结果与分析破煤实物如图 16 所示。当处于同一工况(泵压相同、靶距相同)时，射流 a 较之射流 b 及射流 c 在破0.300.250.200.150.100.050幅值/MPa100(285,0.161)200300400500频率/Hz(a)射流a0.300.250.200.150.100.050幅值/MPa100(282,0.158)200300400500频率/Hz(b)射流b图12泵压 10MPa 打击力频域变化对比Fig.12Comparisonoffrequencydomainvariationof10MPapumppressureimpactforce300290280270260250240射流主频/Hz2射流a射流b46810泵压/MPa图13不同泵压下射流主频对比Fig.13Comparisonofjetmainfrequencyunderdifferentpumppressures10875421369峰值打击力/MPa2射流a射流b射流c46810泵压/MPa(a)峰值打击力对比4.53.53.02.01.50.501.02.54.0平均打击力/MPa2射流a射流b46810泵压/MPa(b)平均打击力对比图14峰值打击力和平均打击力对比Fig.14Peakimpactforceandaverageimpactforcecomparison水箱围压加载水泵破煤岩釜排水沟射流冲孔水泵图15淹没水射流破煤实验系统Fig.15Submergedwaterjetcoalbreakingexperimentalsystem3400煤炭学报2023年第48卷煤深度和破煤体积上有明显的提升，能显著提升破煤效果。为研究在淹没条件下环空自吸喷嘴不同工况下的破煤效果，根据表 4 实验方案进行了 16 组不同工况下的环空流体强化自激脉冲水射流破煤实验，其结果如图 17 所示，由图可知，靶距为 10d1时，煤样的破坏程度最大。为了量化比较不同工况的破煤效果，冲蚀体积利用填盐法进行测定，冲蚀深度利用游标卡尺进行测量，根据冲蚀体积与冲蚀深度做出柱状图，如图 18所示。由图 18 可知，当靶距小于 10d1时，随着靶距的增大，射流对煤样的破坏作用越强，在靶距为 11d1时，射流对煤样的破坏作用减弱。根据学者们29-30在淹没条件下开展的自激脉冲射流冲蚀岩石实验研究结果，破岩性能随靶距增大呈现先增大后减小的趋势，存在使得冲蚀能力最好的靶距范围，这就造成存在最优靶距 10d1，使得综合破煤作用最大。当泵压小于 10MPa