高压水射流技术

当 P -- MPa,Q -- cm3 /s, ρ -- g/cm3 时，喷嘴直径为：
d
4
2.22 * 10 10 Q 2 2C 2 P
(1 10 )
此时喷嘴直径 d 单位为 cm。
五、射流水功率
W = PQ 其中，W -- 射流水功率，w； Q -- 射流流量， cm3 /s； P -- 射流压力，MPa。 六、射流冲击力 F = 102Q2/A 其中， F --射流冲击力，KN； Q -- 射流流量， cm3 /s； ρ -- 射流介质密度，g/cm3； A -- 喷嘴出口截面积，cm2。 (1-12) (1-11)
一、加长喷嘴牙轮钻头 研究淹没非自由钻井射流动力学 和井底能量衰减规律，建立了优 选井底水力参数的新模式和新程 序，解决了喷射钻井长期未解决 的一个重要理论问题。
根据该理论成果研 制成功加长喷嘴牙 轮钻头(第一代钻头)， 在相同泵压条件下， 井底水功率提高30-40%，井底动压力提 高90--110%，压力 梯度提高1.5 倍。推 广应用3000多只， 平均提高钻速20-30%，提高进尺40-50%。
2. 应用 (Applications)
主要五个方面: 1. 工业切割; 2. 挖掘, 开采, 钻探; 3. 岩石切割掘进; 4. 表面清洗，除垢; 5. 材料破碎。 十多工业部门： 煤炭 炼油 交通 冶金 土木 军工 医疗 石油 化工 铁道 机械 建筑 航天 医学 矿业 电力 船舶 轻工 民用 核工
第二章 石油工程水射流技术
§2-1 §2-2 §2-3 §2-4 §2-5 §2-6 §2-7 §2-8 提高射流井底效率 新型高效射流研究 水力和机械联合破岩 超高压射流基础研究 旋转射流钻径向水平井 旋转射流处理近井地层 高压水射流深穿透射孔 高压水射流清洗油管除垢
§2-1
提高射流在井底工作效率
脉冲射流水击压力 P0 > 连续射流滞止压力 Pi。
3. 空化射流 在流体中形成一个压力低于当地蒸汽压力的区域，从而在 射流流束中产生空化气泡的连续射流。 1972年，Conn推导出空化射流冲击压力： P = Pi /6.35 [ exp ( 2/3α )] 其中, P -- 空化射流冲击压力，MPa； Pi -- 连续射流滞止压力，MPa； α -- 射流介质中气体含量。 (-3)
Pi =ρ V2/2
(1-1)
其中， Pi -- 射流冲击滞止压力，MPa； ρ -- 射流介质密度，g/cm3； V -- 射流速度，m/s。
2. 脉冲射流
非连续射流，产生方式：聚能骤放，或称“水炮”； 压力挤出； 流量调节，又叫“水击”。 射流性能取决于：脉冲频率，水击长度/直径，水击能量。 脉冲射流作用机理：水击压力, P0： P0 = ρ CV 其中， P0 -ρ -C -V -(1-2) 脉冲射流水击压力，MPa； 射流介质密度，g/cm3； 射流流体中的声速，在水中 C≈1500m/s； 射流速度，m/s。
四、水射流系统与参数
1. 系统组成
（1） 压力源: 高压泵、增压器、水炮等; （2） 执行和控制机构: 阀、管路、喷嘴、传动机构 （3） 工件（靶物)。
2. 射流基本参数
• 流体参数 – 射流压力
– – – – – – 喷嘴直径 喷嘴型式 射流功率 流速 流量 流体性质 射流反冲力
• 工况参数
– 进给速度
§1-3 水射流类型及作用机理
一、射流类型 实际射流可分为三种类型：连续射流（纯水或磨料） 脉冲射流（振动、冲击、水炮） 空化射流（Cavitating Jet) 1. 连续射流 最常见型式，连续射流束速度可达900m/s，压力400MPa. 大多用于清洗切割，作用原理是射流冲击滞止压力，Pi :
4. 中国劳动保护学会水射流技术专业委员会： 全国水射流技术研讨会，1979--1999，10届。
二、水射流分类
1、按驱动压力 压力等级 低压 中压 高压 超高压 压力范围 (Mpa) 0.来自百度文库 ~ 20 20 ~ 70 70 ~ 140 140 ~ 400 泵类型 离心泵, 柱塞泵 柱塞泵, 增压器 柱塞泵, 增压器 增压器, 水炮
(1 6)
三、射流流量
Q = VA = (d2 /4) V (1-8) 其中， Q -- 射流流量， cm3 /s； V -- 射流速度，cm/s； A -- 喷嘴出口截面积，cm2 ； d -- 喷嘴出口直径，cm. 四、喷嘴直径
d 4Q 4Q V C 2 P (1 9)
高压水射流种类很多，分类方法也多种多样，常用的以下几种：
2、按射流介质 牛 顿 流 体: 水, 空气； 非牛顿流体: 聚合物 (CMC, PAM), 泥浆。 3、按环境介质 淹 没 射 流: 在水中或其他液体中喷射； 非淹没射流: 水在空气中喷射。
4、按射流水力学特性 稳 定 射 流: 各断面流力特性不随时间变化，仅随位置变化；
2. 发展概况 50’s～60 ’s: 探索和实验阶段
50年代，人们从水力采煤和高速飞机的雨蚀现象 中认识到，提高射流压力和速度能够冲蚀较坚硬物料， 并显著提高落煤效果，从而开始了较高压力设备的研 制和较高压射流的实验。
60’s～70 ’s: 基础设备研制和水力清洗
60年代初，随着较高压力柱塞泵和增压器的问世， 开始研究射流动力学特性和喷嘴结构。 水力清洗受到重视。
三、水射流特性与应用
1. 特点（Feature)
优点：1. 水源丰富，成本低； 2. 冷却、灭尘、润滑； 3. 精密切割、切口平整； 4. 水切削、排屑； 5. 工作参数（P、Q）易调； 6. 遥控：危险恶劣环境； 7. 可移动。 缺点：1. 功率消耗大； 2. 水溅、 潮湿; 3. 高压部件: 泵、密封、喷嘴、管、阀寿命.
• 学术机构和活动
1. 国际水射流技术协会 (International Society of Water Jet Technology)： International Symposium on Jet Cutting Technology, BHRA, 1972--2000, 15届。 2. 美国水射流技术协会 (Water Jet Technology Associ.)： American Waterjet Conference, 1981-99, 10届。 3. 日本水射流技术学会 (Water Jet Technology Society of Japan)： Pacific Rim International Conference on Water jet Technology, 1987--2000，6届。
二、组合喷嘴改善井底流场
§2-2 新型高效射流
根据瞬态流和水声学理论建立了流体自激振动调制机理和喷 嘴设计理论模型，研究成功了新型高效自振空化射流，研究得出
了各参数影响规律，脉动幅度高24%-37%，破岩效果高1-3倍。
D0
D0
L KN * d MSd
Ds 2 D 2 KN＝F N , D , d
七、射流反推力 T = 0.0445 Q P1/2 其中，T -- 射流反推力，N； (1-13)
Q -- 射流流量， cm3 /s； P -- 射流压力，MPa。
八、管路压力损失 Δ P = 71.24 Q2 / D5 R1/4 其中，Δ P --管路压力损失，MPa/m； (1-14)
Q -- 射流流量， cm3 /s； D -- 管路内径，mm； R -- 雷诺数，R = 21115 ( Q/D )。 管路压力损失与流量平方成正比，与管路内径5次方成反比。
当α = 1/6 ∼1/10 时，P = (8.6 ∼ 124) Pi
即在相同排量下，空化射流冲击压力是连续射流滞止压力 的8.6 ∼ 124倍。
§1-4 水射流动力学计算
一、基本方程式 （1）伯努利方程
V12 P2 V22 1 2 2 2 P 1 (1 5)
其中，P -- 压力，V-- 速度。 （2）连续方程 1V1 A1 2V2 A2 二、射流速度 V = C (2P/)1/2 其中，V -- 射流速度，m/s； C -- 流速系数； P -- 射流压力，MPa； ρ -- 射流介质密度，g/cm3 （1-7）
– – – – – –
靶距（喷距） 流道数 入射角 切深或切宽 切割体积 比能
• 磨料参数
– 磨料类型
• 靶件参数 – 靶件强度
– 靶件硬度 – 靶件孔隙度 – 靶件渗透率
– 磨料流量 – 磨料粒度 – 混合管直径
§1-2 淹没射流结构特性
初始段：轴心速度保持初始速度，Um = U0 基本段：轴心速度小于初始速度，Um < U0 等速核：各点速度等于初始速度的区域，Ui = U0 内边界：射流速度保持初始速度的界限，Ux边 = U0 外边界：速度等于零的边界，Ux边 = 0 混合区：内外边界之间的区域。 极 点：射流外边界延伸线的交点，虚拟射流源。
70’s～80 ’s: 工业试验和应用
60年代末70年代初，美国国家科学基金资助了 一项庞大的研究计划，旨在寻求一种高效的切割破 岩方法（Maurer,1980），研究人员提出并试验了25 种新方法，如电火花、电子束、激光、火焰、等离 子体、高压水射流等，最后专家们一致公认最可行 有效的是高压水射流破岩方法，后来也只有这种方 法得到了实际应用。进入70年代，各国开始大力研 究高压水射流技术，使该技术进入了迅速发展的新 阶段。这期间，研究的重点是水射流破岩机理、脉 冲射流特性及水射流在切割、破岩、清洗上的应用， 开始出现了水力辅助机械破岩、空化射流、磨料射 流、间断射流等新型射流技术。
§1-1 绪 论
一、水射流技术原理与发展概况
高压水射流技术是近二、三十年来发展起来的一 门新技术，目前正越来越广泛地应用于煤炭、石油、 化工、冶金、船舶、航空、交通、建筑等工业部门， 用以清洗、除垢、切割、破岩等，显著提高工效，降 低成本，减轻劳动强度，改善工作环境。
1. 基本原理
高压水射流，是以水为介质，通过高压发生设备 增压获得巨大能量，经一定形状的喷嘴喷出的一股能 量集中的高速水流。
80’s～现在: 新型高效射流，迅速发展
进入80年代以来，随着激光测速、高速摄影、流 体显形、数值模拟等先进测试和研究手段的进步，高 压水射流技术研究和应用得到更迅速发展。磨料射流、 空化射流、脉冲射流、水力辅助机械破岩技术和基础 理论、切割机理、影响因素研究和分析进一步深入， 并出现了气水射流、液态金属射流、液态气（空气、 氮气、二氧化碳气）射流、冰粒射流等特种射流，其 应用范围也由当初的采矿、破岩、钻孔、清洗、除垢 发展到金属和超硬材料切割、表面处理、研磨等应用 领域涉及煤炭、石油、冶金、化工、船舶、航空、建 筑、电力、纺织、交通、市政医学等十几个工业部门 及核废料、海洋等危险恶劣工作环境，自动化程度切 和切割精度有了显著提高。
石油工程高压水射流技术
Water Jet Technology in Petroleum Engineering
李 根 生
石油大学（华东）石油工程学院
主要内容
第一章 射流动力学基础和计算
第二章 石油工程水射流技术
第三章 水射流技术工业应用
第四章 结论和前景展望
第一章 射流动力学基础和计算
§1-1 绪论 §1-2 淹没水射流结构特性 §1-3 水射流类型与作用机理 §1-4 水射流动力学计算
不稳定射流: 各断面流力特性不仅随时间变化，且随位置变化。 5、按固壁条件 自 由 射 流: 无固壁限制； 非自由射流: 有固壁约束。
6、按施载方式 连续射流: 开始峰值，后稳低； 冲击射流: 短时峰值； 混合射流：二者之间。
7、按介质相 单相射流：水，PAM+Water；
多相射流：Gas-Liquid, Solid-Liquid.
D
D
2N 1 4 ＝ N 2
2 Ds 2 1 和 D 1 D d 2 Ds 2 1 但 D c D d