基于CFD-DEM耦合方法的非牛頓磨料漿體射流特性研究

劉昭輝，王治國，梁治國，劉 陽

(1.西安石油大學機械工程學院，陜西 西安 710065；2.咸陽市特種設備檢驗所，陜西 咸陽 712000)

磨料射流是由固體顆粒（金剛砂、石英砂、陶粒等）與高速流動的水流或高壓水流相互混合而形成的液固兩相介質射流[1-2]。磨料射流切割和破巖技術已經廣泛應用于機械加工、石油、煤炭等工業領域[3-6]。以非牛頓流體作為磨料載液可以形成磨料漿體射流，具有低摩阻、高攜沙的優點，在磨料水射流射孔、鉆井等領域已廣泛應用[7-9]。其中，胍膠是具有高攜砂能力的非牛頓流體，已經廣泛應用于油田射孔及壓裂作業[10]。非牛頓流體和牛頓流體的攜砂能力存在差異，因此迫切需要研究非牛頓流體中顆粒的運移規律。

目前，國內外學者針對牛頓流體和基于牛頓流體的多相流環境下顆粒加速行為的研究較多。Ma等人[11]研究了不同磨料濃度和速度的巖石在破巖過程中的損傷和變形特征。Umberto Prisco[12]對磨料水射流中空氣-水流動的形成和射流過程進行了數值模擬，獲得了磨料水射流在不同部位和出口處的速度和壓力的分布情況。由于方程模型自身的局限性，傳統的CFD方法在解決固液兩相流問題時，對固體顆粒的特性顆粒粒徑分布、運動軌跡等不能完全地體現出來。計算流體力學-離散單元法耦合可以對連續介質中固相的運動狀態計算分析，能夠得到目前實驗手段難以獲得的信息。章文峰等人[13]和徐啟文[14]利用CFD-DEM耦合的方法，分別對不同參數下磨料射流顆粒的加速情況進行了數值模擬，模擬結果與實驗結果的誤差很小，得到了與實驗數據更加吻合的模擬結果。……