Experimental study of the thermal reaming of the borehole by axial plasmatron

Purpose. To study rock spallation dynamics in the process of the borehole thermal reaming and analyze energy consumption of the borehole thermal reaming process by plasma jets of the axial plasmatron. Methods. Field experimental study of rock spallation by plasma jets is carried out with the view to measuring the thermal power of plasma, weight of rock spalls and duration of plasma jets impact on the borehole. VT-200 scales were used to measure the rock spalls weight. In the experimental study, plasma jets flow out directly into the borehole in the granite block. The borehole and plasmatron nozzle parameters are geometrically similar. Findings. Experimental data are processed in the form of a table that shows the following parameters of individual experiments: duration of the borehole surface treatment by a plasma jet; thermal power of a plasma jet; heat release of a plasma jet, weight of the rock spalls, energy efficiency of the rock spallation process; productivity of the rock destruction. Experimental data are processed in the form of the dependence of energy consumption of the borehole thermal reaming on the duration of the borehole inner surface thermal treatment. The range of thermophysical and plasmodynamic parameters of the plasma torch that allow to achieve rock spallation is determined. Originality. The linear relationship between the energy consumption in the process of the borehole thermal reaming by low temperature plasma and the duration of the reaming process is revealed, with energy consumption of the reaming process decreasing dramatically with the increase in the process duration. Practical implications. Methodology of the experimental research into the borehole thermal reaming by plasma jets rock spallation is developed. The results of the study could be applied to borehole drilling processes.Мета. Дослідження динаміки лущення гірської породи в процесі термічного розширення свердловини та енергоємності процесу термічного розширення свердловини плазмовим струменем осьового плазмотрона. Методика. В роботі виконано натурне експериментальне дослідження лущення гірської породи струминою плазми. Сутність експерименту полягала у вимірюванні теплової потужності плазми, маси сколених частинок гірської породи та тривалості впливу плазмового струменя на свердловину. Для вимірювання маси сколених частинок гірської породи використовувались ваги ВТ-200. В експериментальному дослідженні струмина плазми витікає безпосередньо в свердловину в блоці міцного граніту. Дотримано геометричну подобу параметрів свердловини та сопла плазмотрона. Результати. Виконано обробку дослідних даних у вигляді таблиці, в якій наведено наступні параметри окремих дослідів: тривалість впливу плазмового струменя на свердловину; теплова потужність плазмового струменя; теплота плазмового струменя, маса сколених частинок породи, енергоємність процесу лущення гірської породи; продуктивність руйнування гірської породи. Виконано обробку дослідних даних у вигляді залежності енергоємності процесу термічного розширення свердловини від тривалості термічної обробки внутрішньої поверхні свердловини. Наукова новизна. Виявлено лінійну залежність енергоємності процесу термічного розширення свердловин низькотемпературною плазмою від тривалості процесу розширення, при цьому енергоємність процесу розширення стрімко зменшується зі збільшенням тривалості процесу. Практична значимість. Розроблено методику експериментального дослідження термічного розширення свердловини шляхом лущенням гірської породи струминою плазми. Отримані результати впливу високотемпературних струмин плазми в процесах крихкого руйнування гірських порід можуть бути застосованими в процесах буріння свердловин.Цель. Исследование динамики шелушения горной породы в процессе термического расширения скважины и энергоемкости процесса термического расширения скважины плазменной струей осевого плазмотрона. Методика. В работе выполнено натурное экспериментальное исследование шелушения горной породы струей плазмы. Сущность эксперимента заключалась в измерении тепловой мощности плазмы, массы сколотых частиц горной породы и длительности воздействия плазменной струи на скважину. Для измерения массы сколотых частиц горной породы использовались весы ВТ-200. В экспериментальном исследовании струя плазмы следует непосредственно в скважину в блоке крепкого гранита. Соблюдено геометрическое подобие параметров скважины и сопла плазмотрона. Результаты. Опытные данные представлены в виде таблицы, в которой сведены следующие параметры отдельных опытов: продолжительность воздействия плазменной струи на скважину; тепловая мощность плазменной струи; теплота плазменной струи, масса сколотых частиц породы, энергоемкость процесса шелушения горной породы; производительность разрушения горной породы. Опытные данные обработаны в виде зависимости энергоемкости процесса термического расширения скважины от продолжительности термической обработки внутренней поверхности скважины. Определен диапазон теплофизических и плазмодинамичних параметров плазменного факела при которых достигается процесс шелушения породы. Научная новизна. Выявлена линейная зависимость энергоемкости процесса термического расширения скважин низкотемпературной плазмой от продолжительности процесса расширения, при этом энергоемкость процесса расширения стремительно уменьшается с увеличением продолжительности процесса. Практическая значимость. Разработана методика экспериментального исследования термического расширения скважины путем шелушения горной породы струей плазмы. Полученные результаты воздействия высокотемпературных струй плазмы в процессах хрупкого разрушения горных пород могут быть применены в процессах бурения скважин.The authors express their gratitude to V.P. Teplyi, Chief Project Designer at the Department of Vibropneumatic Transport Systems and Complexes of the Institute of Geotechnical Mechanics named by N. Poljakov of National Academy of Sciences of Ukraine, and to S.V. Shniakin, Chief Engineer at the Department of Vibropneumatic Transport Systems and Complexes of the Institute of Geotechnical Mechanics named by N. Poljakov of National Academy of Sciences of Ukraine, for their valuable help during the experimental studies. The authors are also grateful to L.T. Kholiavchenko, Candidate of Technical Sciences (Ph.D), Senior Researcher at the Department of Rock Breaking Problems of the Institute of Geotechnical Mechanics named by N. Poljakov of National Academy of Sciences of Ukraine, for his valuable guidelines and comments in the discussion of the results obtained through experimental and theoretical studies

Study of the plasma flow interaction with the borehole surface in the process of its thermal reaming

Purpose. Study of the plasma flow interaction with the borehole surface in the process of its thermal reaming for determination of transient temperature distribution along the borehole surface and the average coefficient of heat transfer from the plasma flow to the borehole surface. Methods. Experimental study of the plasma flow interaction with the flange union with internal lateral surface simulating the rock surface in a borehole has been carried out. The essence of the experimental study is in measuring temperature of the flange union external side while the plasma flowing inside the flange union. To measure temperature on the external surface of the flange union, a chromel-alumel thermocouple with thermoelectrodes of 1.2 mm in diameter was used. In experimental research, plasma flows out through a nozzle directly to the flange union made of copper. The parameters of the flange union and the nozzle of plasmatron are geometrically similar. Findings. Experimental data are processed as a relationship between the temperature of the copper flange union lateral surface, i.e. borehole surface, and the time of the copper flange union heating by the heat carrier. Experimental data are processed as a dependence of temperature of the tin pipe side surface, i.e. surface of the borehole, on the location of temperature measurement point along the tin pipe and the time of the tin pipe heating by the heat carrier. Originality. Physical simulation modeling of the heat carrier (low temperature plasma) flow interaction with the borehole surface simulated by the copper flange union and the tin pipe in a certain range of geometrical parameters of the copper flange union, tin pipe and the plasmatron nozzle as well as thermophysical properties of the heat carrier assumed in accordance with geometrical similarity to the technological and design parameters of the plasmatron and borehole diameter before the beginning of thermal reaming process. Practical implications. Methodology of experimental research of the heat carrier (low temperature plasma) flow interaction with the borehole surface that was simulated by the copper flange union of the tin pipe is developed. The results of the influence by high-temperature heat carrier jets on the processes of fragile rock destruction are rather useful in the borehole drilling processes.Мета. Дослідження взаємодії потоку плазми з поверхнею свердловини в процесі її термічного розширення для визначення нестаціонарного розподілу температури вздовж поверхні свердловини та усередненого коефі-цієнта тепловіддачі від потоку плазми до поверхні свердловини. Методика. В роботі виконано експериментальне дослідження взаємодії струмини плазми з фланцевим патрубком, внутрішня бокова поверхня якого імітувала поверхню гірської породи в свердловині. Сутність експерименту полягала у вимірюванні температури зовнішньої бічної поверхні фланцевого патрубка при течії плазмової струмини всередині патрубка. Для вимірювання температури на зовнішній поверхні фланцевого патрубка застосовувалась хромель-алюмелева термопара з термоелектродами діаметром 1.2 мм. В експериментальному дослідженні струмина плазми через сопло витікає безпосередньо у фланцевий патрубок, вироблений з міді. Дотримано геометричну подобу параметрів фланцевого патрубка та сопла плазмотрона. Результати. Виконано обробку дослідних даних у вигляді залежності температури бічної поверхні мідного фланцевого патрубка, тобто поверхні свердловини, від часу нагрівання мідного фланцевого патрубка теплоносієм. Виконано обробку дослідних даних у вигляді залежності температури бічної поверхні жерстяної труби, тобто поверхні свердловини, від розташування точки вимірювання температури вздовж жерстяної труби та часу нагрівання жерстяної труби теплоносієм. Виявлено залежності зміни температури бічної поверхні жерстяної труби від часу її нагрівання; розподілу температури потоку плазми за довжиною жерстяної труби в залежності від діаметру жерстяної труби та діаметру вихідного отвору сопла плазмотрона; діапазон коефіцієнтів тепловіддачі від потоку плазми до поверхні свердловини. Наукова новизна. Проведення фізичного імітаційного моделювання взаємодії потоку теплоносія, в якості якого виступає низькотемпературна плазма, з поверхнею свердловини у вигляді мідного фланцевого патрубка та жерстяної труби в певному діапазоні геометричних параметрів мідного фланцевого патрубка, жерстяної труби та сопла плазмотрона, а також теплофізичних характеристик теплоносія, які прийняті у відповідності до геометричної подоби технологічним і конструктивним параметрам плазмотрона та діаметра свердловин перед початком процесу термічного розширення. Практична значимість. Розроблено методику експериментального дослідження взаємодії струмини теплоносія, в якості якого виступає низькотемпературна плазма, з поверхнею свердловини у вигляді мідного фланцевого патрубка жерстяної труби, яка імітувала свердловину. Отримані результати впливу високотемпературних струмин теплоносія в процесах крихкого руйнування гірських порід є корисними при виконанні процесу буріння свердловин.Цель. Исследование взаимодействия потока плазмы с поверхностью скважины в процессе ее термического расширения для определения нестационарного распределения температуры вдоль поверхности скважины и усредненного коэффициента теплоотдачи от потока плазмы к поверхности скважины. Методика. В работе выполнено экспериментальное исследование взаимодействия струи плазмы с фланцевым патрубком, внутренняя боковая поверхность которого имитировала поверхность горной породы в скважине. Сущность эксперимента заключалась в измерении температуры внешней боковой поверхности фланцевого патрубка при течении плазменной струи внутри патрубка. Для измерения температуры на внешней поверхности фланцевого патрубка применялась хромель-алюмелевая термопара с термоэлектродами диаметром 1.2 мм. В экспериментальном исследовании струя плазмы через сопло вытекает непосредственно во фланцевый патрубок, выполненный из меди. Соблюдено геометрическое подобие параметров фланцевого патрубка и сопла плазмотрона. Результаты. Выполнена обработка опытных данных в виде зависимости температуры боковой поверхности медного фланцевого патрубка, то есть поверхности скважины, от времени нагревания медного фланцевого патрубка теплоносителем. Выполнена обработка опытных данных в виде зависимости температуры боковой поверхности жестяной трубы, то есть поверхности скважины, от расположения точки измерения температуры вдоль жестяной трубы и времени нагревания жестяной трубы теплоносителем. Научная новизна. Проведение физического имитационного моделирования взаимодействия потока теплоносителя, в качестве которого выступает низкотемпературная плазма, с поверхностью скважины в виде медного фланцевого патрубка и жестяной трубы в определенном диапазоне геометрических параметров медного фланцевого патрубка, жестяной трубы и сопла плазмотрона, а также теплофизических характеристик теплоносителя, которые приняты в соответствии с геометрическим подобием технологическим и конструктивным параметрам плазмотрона и диаметра скважин перед началом процесса термического расширения. Практическая значимость. Разработана методика экспериментального исследования взаимодействия струи теплоносителя, в качестве которого выступает низкотемпературная плазма, с поверхностью скважины в виде медного фланцевого патрубка жестяной трубы, которая имитировала скважину. Полученные результаты влияния высокотемпературных струй теплоносителя в процессах хрупкого разрушения горных пород будут полезными в процессе бурения скважин.The authors express their gratitude to V.P. Teplyi, Chief Project Designer at the Department of Vibropneumatic Transport Systems and Complexes of Institute of Geotechnical Mechanics named after M.S. Polyakov of the National Academy of Sciences of Ukraine, and S.V. Shniakin, Chief Engineer at the Department of Vibropneumatic Transport Systems and Complexes of Institute of Geotechnical Mechanics named after M.S. Polyakov of the National Academy of Sciences of Ukraine, for their valuable help during the experimental studies. The authors are also grateful to L.T. Kholiavchenko, Candidate of Technical Sciences (Ph.D), Senior Researcher at the Department of Rock Breaking Problems of Institute of Geotechnical Mechanics named after M.S. Polyakov of the National Academy of Sciences of Ukraine, for his valuable guidelines and comments relating to the experimental studies

Использование программных продуктов COMSOL MULTIPHYSICS®, MATLAB®, SIMULINK® и SIMSCAPE™ при решении задач гидрогазодинамики и тепломассообмена

Жовтонога, М. М. Використання програмних продуктів COMSOL MULTIPHYSICS®, MATLAB®, SIMULINK® та SIMSCAPE™ при розв'язані задач гідрогазодинаміки та тепломасообміну / М. М. Жовтонога, А. С. Попова, В. О. Перцевий ; Дніпропетр. нац. ун-т залізн. трансп. ім. акад. В. Лазаряна. — Дніпропетровськ : Ліра, 2016. — 105 с. : іл., табл. — Бібліогр.: с. 104—105. — ISBN 978-966-383-684-3.UK: Навчальний посібник присвячений застосуванню програмних продуктів COMSOL MULTIPHYSICS®, MATLAB®, SIMULINK® та SIMSCAPE™ для розв’язання задач математичної фізики. Докладно розглянуті питання коректного синтаксису диференціальних рівнянь в частинних похідних, а також граничних та початкових умов до них. Наводяться приклади стабілізації розв’язку стаціонарних та нестаціонарних задач.RU: Учебное пособие посвящено применению программных продуктов COMSOL MULTIPHYSICS®, MATLAB®, SIMULINK® и SIMSCAPE™ для решения задач математической физики. Подробно рассмотрены вопросы корректного синтаксиса дифференциальных уравнений в частных производных, а также предельных и начальных условий к ним. Приводятся примеры стабилизации решения стационарных и нестационарных задач.Міністерство освіти і науки України; Дніпропетровський національний університет залізничного транспорту імені академіка В. Лазарян

Modeling of Cooling Process of Continuously Casting Ingot by Transonic Jets of Air

Моделирование процесса охлаждения непрерывнолитого слитка трансзвуковыми струями воздуха / Ю. А. Гичев, Н. Н. Жовтонога, Т. А. Василькив, В. А. Перцевой, Я. Р. Абдуразаков // Металлургическая теплотехника : сб. науч. тр. — Д., — 2013. — С. 41—47.RU: Проведена классификация систем охлаждения непрерывнолитых слитков в зоне вторичного охлаждения.UK: Проведена класифікація систем охолодження безперервнолитих злитків у зоні вторинного охолодження.EN: Classification of cooling systems of continuously casting ingots in a zone of secondary cooling is shown.Национальная металлургическая академия Украин