本书以高压电脉冲破岩技术的电击穿过程及主要影响因素为切入点，系统开展高压电脉冲电击穿破岩机理的实验及仿真研究，分析电脉冲破岩过程的宏观和微观表现、局部电击穿的主要影响因素，以及电脉冲破岩工具参数设计和优选。基于对高压电脉冲破岩机理的基本认识，依次提出岩石电击穿过程中的概率发展模型、五场耦合的动态电击穿数值仿真模型、电脉冲热-力耦合破岩模拟方法和电脉冲-机械复合破岩模型。基于有限元-离散元方法建立花岗岩的二维和三维非均质模型，开展等离子体通道生长机理、电路参数敏感性、岩石非均质性、破岩加载参数匹配性、破岩参数敏感性、岩石物理特性参数影响及多脉冲电击穿机理研究，开展“针-针”对排型电击穿实验和电极钻头电击穿破岩实验，验证局部电击穿机理，证实其工程应用可行性，并进行电极钻头结构优选。在此基础上，进一步提出电脉冲-机械复合破岩方法并设计一种电脉冲-机械复合破岩钻头，以期拓宽电脉冲破岩技术的工程应用范围，为推进其实现工业化应用提供一定的参考。
样章试读
目录
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第1章 绪论 1
1.1 研究背景及意义 1
1.2 高压电脉冲破岩技术原理 2
1.3 国内外研究现状 6
1.3.1 脉冲电源及配套设备的研制现状 7
1.3.2 电脉冲破岩装置的研究及设计现状 9
1.3.3 电脉冲破岩过程的研究现状 11
1.3.4 电脉冲破岩数值模型研究现状 13
第2章 岩石电击穿过程及主要影响因素 18
2.1 岩石电击穿机理分析 18
2.1.1 岩石电击穿过程分析 18
2.1.2 岩石电击穿的宏观表现 19
2.1.3 岩石局部电击穿的微观分析 20
2.2 局部电击穿的主要影响因素 22
2.2.1 电极排布方式与电极结构 22
2.2.2 放电次数与频率 24
2.2.3 岩石微孔隙及其内部介质 25
2.2.4 固?液两相条件下的局部电击穿 32
2.3 电击穿绝缘材料优选 33
2.3.1 绝缘复合材料 33
2.3.2 绝缘复合材料电击穿路径比较 36
2.3.3 绝缘体电击穿失效分析 39
2.4 电击穿参数设计和优选方法 41
2.4.1 电击穿的连续工作过程 41
2.4.2 电压分区法 43
2.5 本章小结 44
第3章 岩石电击穿等离子体通道概率发展模型 45
3.1 “针?针”对排型电击穿实验 45
3.1.1 实验材料及设备 45
3.1.2 结果讨论与分析 46
3.2 岩石介质击穿模型 51
3.3 电击穿过程电路分析 53
3.3.1 电路简化与电路控制方程 53
3.3.2 电击穿过程能量转换效率 57
3.4 等离子体通道生长过程及电路参数敏感性分析 58
3.4.1 等离子体通道轨迹生成模型 58
3.4.2 二维电击穿模型建立 63
3.4.3 结果讨论与分析 64
3.5 岩石非均质性对等离子体通道生长的影响分析 73
3.5.1 非均质花岗岩建模流程和实现逻辑 73
3.5.2 基于非均质度的花岗岩建模 75
3.5.3 通道发展机制 78
3.5.4 岩石非均质度的影响 80
3.5.5 破岩效率对比 84
3.6 三维等离子体通道电击穿数值模型 86
3.6.1 三维电击穿数值模型 86
3.6.2 三维电击穿几何模型 88
3.6.3 三维电击穿模拟结果分析 89
3.6.4 液体介质对三维电击穿通道生长轨迹的影响 94
3.7 本章小结 98
第4章 多相多场耦合的动态电脉冲破岩模型 100
4.1 动态电脉冲破岩模型 100
4.1.1 电击穿过程 100
4.1.2 流固传热过程 105
4.1.3 热力膨胀过程 105
4.1.4 力学损伤过程 106
4.2 岩石非均质特性的表征 107
4.3 动态电脉冲破岩仿真模型验证 109
4.3.1 电脉冲破岩模型建立 109
4.3.2 模型参数取值与边界条件 111
4.3.3 模型正确性验证 114
4.4 电脉冲加载参数匹配性研究 120
4.4.1 脉冲电压上升时间与击穿时延的关系 120
4.4.2 完全电击穿时最小脉冲时延 121
4.4.3 多次放电达到完全电击穿时的最小放电次数 122
4.5 电脉冲破岩参数敏感性分析 124
4.5.1 脉冲峰值电压的影响 124
4.5.2 电极间距的影响 126
4.5.3 电极倾角的影响 129
4.5.4 Marx脉冲电源放电级数的影响 131
4.5.5 岩石非均质度的影响 132
4.6 本章小结 136
第5章 岩石孔隙裂隙对电脉冲破岩的影响 137
5.1 孔隙流体的电击穿强度 137
5.1.1 空气的电击穿强度 137
5.1.2 水的电击穿强度 137
5.2 孔隙岩石的电脉冲破岩特性 138
5.2.1 等离子体通道生成和通道电导率分布 139
5.2.2 岩石物理特性参数对局部电击穿的影响规律 140
5.2.3 高压电脉冲电击穿实验 143
5.3 裂隙岩石的电脉冲破岩特性 146
5.3.1 单条a型主缝隙的影响 147
5.3.2 单个不同倾角的b型裂隙影响 148
5.3.3 b型裂隙的不同裂隙度影响 149
5.4 本章小结 150
第6章 高压多脉冲破岩机理 152
6.1 完全电击穿机理分析 152
6.1.1 完全电击穿过程 152
6.1.2 完全电击穿状态下场强分布 154
6.1.3 脉冲上升时间对电击穿的影响 156
6.2 局部电击穿机理分析 160
6.2.1 局部电击穿过程 160
6.2.2 局部电击穿状态下的场强分布 163
6.2.3 峰值电压与多脉冲加载的耦合关系 165
6.2.4 单?多脉冲电击穿的失效评价 167
6.3 本章小结 170
第7章 高压电脉冲细观破岩机理 172
7.1 电脉冲热?力耦合破岩的数模方法 172
7.2 颗粒流及其热?力耦合原理 173
7.2.1 颗粒流简介 173
7.2.2 应力边界施加—伺服原理 178
7.2.3 热?力耦合原理 179
7.3 岩石试样的标定与破岩模型的建立 180
7.3.1 岩石力学参数标定 180
7.3.2 模型建立过程 182
7.3.3 参数标定 184
7.4 电脉冲热?力耦合破岩 187
7.4.1 热?力耦合模型 187
7.4.2 电脉冲热?力耦合破岩模拟 187
7.5 本章小结 196
第8章 液电冲击波破岩模型及机理 198
8.1 液电冲击波破岩模型 198
8.1.1 电磁场控制方程 198
8.1.2 岩石固体力学平衡方程 198
8.1.3 液体介质损伤控制方程 199
8.1.4 流固传热控制方程 200
8.1.5 等离子体冲击波控制方程 200
8.1.6 电路参数控制方程 201
8.1.7 液相脉冲放电相关参数发展过程 202
8.2 液电冲击波破岩几何模型 204
8.3 液电冲击波破岩参数敏感性研究 205
8.3.1 液电冲击波破岩过程 205
8.3.2 脉冲电学参数对液电冲击波破岩的影响 208
8.3.3 液体介质性质对液电冲击波破岩的影响 210
8.3.4 电极结构参数对液电冲击波破岩的影响 212
8.4 液电破岩室内实验验证 215
8.5 本章小结 217
第9章 电极钻头破岩室内实验 218
9.1 主要实验设备及材料 218
9.1.1 电脉冲破岩室内实验系统 218
9.1.2 双极性高压脉冲电源 219
9.1.3 实验材料及工具 219
9.1.4 数据采集模块 220
9.2 电脉冲破岩实验 220
9.3 实验结果讨论与分析 222
9.3.1 岩石破碎坑道形态分析 222
9.3.2 电极形状对破岩效果的影响 228
9.3.3 电压对破岩效果的影响 231
9.3.4 脉冲电压波形图分析 232
9.3.5 电极钻头形状的影响评价 234
9.3.6 大尺寸电极钻头试钻实验结果讨论 235
9.3.7 室内实验存在的问题 236
9.4 本章小结 238
第10章 电脉冲?机械复合破岩钻进数值模拟 239
10.1 电脉冲?机械复合破岩钻头 239
10.2 复合破岩模型 240
10.2.1 动态电脉冲破岩模型 240
10.2.2 PDC钻头机械破岩模型 241
10.2.3 电脉冲?机械复合破岩模型 246
10.3 结果讨论与分析 247
10.3.1 钻进速度 247
10.3.2 钻头匹配度 247
10.3.3 扭矩 250
10.3.4 机?电复合比功 251
10.4 本章小结 253
第11章 电脉冲?机械复合破岩室内钻进实验 254
11.1 复合破岩实验系统 254
11.1.1 电脉冲井下钻具 255
11.1.2 电脉冲??PDC复合钻头 258
11.1.3 电脉冲?PDC复合钻头配套装备 263
11.2 复合破岩实验设计 268
11.2.1 实验方案 268
11.2.2 评价指标 269
11.3 结果与分析 270
11.3.1 复合钻进参数 270
11.3.2 井底破碎图 271
11.4 本章小结 272
参考文献 273
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