基于SPH的超高压磨料浆体射流破岩流固耦合问题研究

The ultra-high pressure abrasive suspension jet, as an important application of water jet technology, is capable of cutting and breaking. The form of rock breaking is yet unclear due to the complicated impact of abrasive suspension jet and many other factors in the rock breaking process. This leads to the unknown coupling rules between the suspension jet and the rock and constrains the development and application of this technology. In this study, the non-linear hydrodynamics of ultra-high pressure abrasive suspension jet rock breaking is investigated from the fluid-structure interaction, the rheology rule, suspension particle and rock structure as well as breaking principles are analyzed. The smoothed particle hydrodynamics method (SPH) is constructed to conduct numerical simulation of the process of the ultra-high pressure abrasive suspension jet rock breaking. Various working condition are dynamically analyzed and the interacting mechanism of the two-phase flow in the jet flow and solid rock is revealed. The main factors and scientific evidence that affect rock breaking efficiency has been discovered for further energy exploit.

超高压磨料浆体射流作为水射流技术的一个重要分支，具有很强的切割破碎能力，但由于超高压磨料浆体射流破岩涉及的因素较多，且磨料浆体射流作用过程十分复杂，岩石的破坏形式也尚不明确，导致磨料浆体射流与岩体的相互耦合作用规律至今尚未明确，严重制约了该技术的发展和应用。本项目针对超高压磨料浆体射流冲击破岩的非线性动力学过程，从流固耦合理论出发，分析流体的流变规律、磨料颗粒的力学特性、岩体的本构关系和破坏准则，采用光滑粒子动力学（Smoothed Particle Hydrodynamics，SPH）方法构建超高压磨料浆体射流破岩的流固耦合动力学模型，研究数值求解的关键算法和边界处理，对多种工况下超高压磨料浆体射流冲击破岩的动态过程进行模拟，分析并揭示磨料浆体两相流射流和岩石固体材料在超高压冲击中的双向耦合作用机理，找到影响破岩效率的主要因素，为高效开采能源提供科学依据。

新疆具有丰富的非常规天然气（煤层气、页岩气和致密砂岩气等）资源，然而，煤层气和页岩气等多以吸附态的形式存在，其储层普遍具有低孔低渗透、非匀质性强等特点。因此，本项目针对能够大面积且有导向地碎裂储层岩体，方便煤层气和页岩气等油气资源的解吸与渗流的水力喷射压裂技术，提出研究射流冲击岩体破损动态过程的数值模拟方法，研究不同工况下岩体的破损效果及裂纹生长演化过程，分析岩体的破损规律和主要影响因素是十分必要且有意义的。.按照国家自然科学基金项目申请书的内容，本项目首先依据SPH方法的原理和流体自由表面的流动特性以及流固两相的耦合机理，建立了由统一形式连续介质力学控制方程描述的流体冲击固体的流固耦合模型；对典型自由表面流体冲击固体的流固耦合问题展开模拟研究，包括：溃坝冲击、排水问题和固体颗粒输运等相关算例，实现了SPH改进算法和流固耦合模型的验证工作；在此基础上，对射流冲击岩体的动态破损和裂纹生长演化过程进行了模拟研究，并获得与相关实验结果较为一致和相似的破损规律，实现了射流冲击破岩SPH模型的验证和完善；提出了岩体中孔隙结构的构造算法，完成了含孔隙岩体破损和裂纹生长过程的数值模拟；对影响射流破岩过程的主要因素进行研究，包括：射流速度、磨料颗粒的比例、射流的结构、岩体的孔隙率、孔隙形状和尺寸、孔隙填充物，分析总结了不同工况下岩体的破损效果和规律。.在国家自然科学基金的支持下，完成了相应的研究目标并取得了一定的成果，发表和录用论文共13篇，其中SCI检索4篇，SCI收录期刊录用2篇，EI收录期刊录用1篇，中文核心期刊3篇，中文核心期刊录用3篇，登记软件著作权2项；培养研究生6名，其中4名研究方向与本项目课题相关，正在培养研究生2名；参加学术会议9次。