淹没条件下水射流破岩数值模拟

1项目背景

        人类社会的发展需要对各种各样的资源进行利用，目前陆地资源已经渐渐稀少，但海底仍然蕴含着丰富的资源，开采量只有2%左右，因此如何安全、高效、无污染地对海底资源进行开采成为了一项重要的研究课题。

        由于水射流加工开采技术具有无污染、无热反应区、反作用小、破碎钻孔效率高及对材料无选择性等优点，如今已被应用到水下工程、煤矿开采、石油钻井等方面。当采用水射流技术进行切割开采岩石时，其作用机理十分复杂，目前还未形成统一的学说。而在淹没条件下水射流冲击破碎煤岩时，由于岩石等矿产资源受地应力影响，射流受周围水体的阻碍作用及空化作用等因素的影响，以及水射流破岩过程的短暂性、岩石自身的不透明性等，采用试验的方法不能直观有效 观察岩石的破坏过程及岩石内部结构的变化。随着现代计算机技术的发展，数值模拟方法得到迅速发展，由于采用数值模拟方法具有低成本、可重复、连续、动态地观察事物的发展变化，因此，数值模拟技术成为一种新的技术被广泛应用。本文采用数值模拟的方法建立了淹没条件下水射流破碎岩石的数值计算模型，模拟得出的结果对进一步提高淹没条件下水射流破岩效率提供参考依据。

2模型建立

2.1网格模型

        高压水射流冲击破碎岩石的过程基本是轴对称的，故只选取模型的1/4进行模拟分析，淹没水射流冲击岩石的网格模型如图1所示。 深蓝色的为射流模型，绿色的为海水模型，浅蓝色的为岩石模型，射流模型与海水模型通过共节点进行连接，岩石模型与海水模型采用折叠网格模型。

图1 射流破岩网格模型

2.2 模型设置

2.2.1材料的本构方程

        海水为塑性材料，其本构方程采用Gruneisen状态方程表示；由于水射流破岩问题属于大变形、高应变率、非线性的撞击问题，所以岩石选用能较好模拟大应变、高应变率及高压效应下的 H-J-C 模型作为岩石的本构模型，其基本参数设置如下图。

2.2.2加载和边界条件设置

        由于模型采用1/4模型，所以在两个对称边界上分别设置为关于xy平面与xz平面的对称面，外边界和出口面设置为无反射边界条件，入口射流设置入口速度为300m/s。

2.2.3失效判据添加

       对于岩石模型，需要设置其失效判据，关键字为MAT_ADD_EROSION。

2.2.4流固耦合关键字设置

        对于流体和固体，需要设置其流固耦合关键字CONSTRAINED_LAGRANGE_IN_SOLID.

        NQUAD为固体单元耦合的积分点数量，设置为3；

        Ctype为耦合的方式，设置为5;

        DIREC为耦合的方向，设置为2，表示仅在压缩的法向位置耦合，这种设置比较稳定；

        Mcoup为多材料组耦合的选择，设置为0表示所有材料都参与耦合；

2.2.5求解card创建

（1）CON*TROL_ALE

        由于伞衣和流场都设置为ALE单元，所以需要设置ALE算法的控制选项；

        DCT为缺省连续体网格处理方式，流场模拟中，一般该参数选择为2，表示欧拉处理方式；

        NADV表示流体输送步间的CPU循环数，一般设置为1，表示一个循环步输送一次；

        Meth表示流体输送算法，设置为1，表示一阶精度；

        Afac为ALE的平滑因子，设置为-1，表示不考虑平滑问题；

        PREF设置为一个大气压，为施加在边界的参考压力

        对于流固耦合问题，以上参数基本适用，无需改变。

（2）CON*TROL_ENERGY

        Hgen表示沙漏的计算选项，我们设置了沙漏，所以设置为2，表示包含沙漏计算；

        其他几个参数，分别表示阻碍能、滑动接触表面能、瑞利能。将他们都设置为2，表示计算包含这三种能量，这更接近真实情况。

3计算结果分析

3.1不同时刻射流破岩效果

t=21ms	t=41ms
t=101ms	t=200ms

 

        由图可知，在射流的作用下，海底岩石可以被击穿，通过设置不同的射流直径和射流靶距，可以研究不同射流参数对破岩效果的影响。

3.2破岩过程应力图

        破岩过程中岩石的应力图如下，可以看出，在射流与岩石冲击的位置应力最大，可以取得破岩的效果。

4结论

        基于LS-DYNA，可以建立淹没条件下水射流破碎岩石的数值计算模型，模拟得出的结果对进一步提高淹没条件下水射流破岩效率提供参考依据。