随着经济发展,陆地不可再生资源日益减少,海洋矿产开采价值日益凸显。开发海洋矿产就要求在水下环境中完成岩石的破碎,本文针对机械刀具破岩方式存在的破岩效率低、刀具磨损严重等问题,提出了水下浆料射流-截齿联合破岩方法,运用流体力学、流固耦合理论与岩石破碎理论,以数值模拟与试验相结合的方式,从水下浆料射流流动特性、水下浆料射流破岩机理、水下浆料射流-截齿联合破岩性能三个方面,开展水下浆料射流-截齿联合破岩性能研究,旨在揭示水下浆料射流-截齿联合破岩性能、高效破岩规律,为相关科研试验、实际生产活动提供指导。首先,为获得高聚物水溶液在不同剪切速率下的黏度特性、为建立水下浆料射流数值模型提供材料参数依据、为水下浆料射流破岩试验提供指导以及分析依据,根据高分子流变学,试验研究聚丙烯酰胺水溶液的黏度特性,以幂律模型构造其本构函数;在此基础上,结合流体动力学构建基于LES/RANS的水下浆料射流仿真模型;获得了水下环境中不同条件下浆料射流流场的流动特性。其次,为探究水下浆料射流破岩机理、不同工况参数对其截割性能的影响规律,建立了基于ALE方法、罚函数耦合算法的水下浆料射流破岩数值模型,并在同种工况下,开展岩石截割试验验证了数值模型的准确性;结合数值模拟揭示岩石裂纹扩展形态、岩石应力分布特征;为定量分析不同工况对破岩性能的影响,搭建浆料射流系统,开展水下浆料射流破岩正交试验,研究表明对水下浆料射流破岩能力影响程度从大到小的因素依次为:横移速度、系统压力、靶距、磨料浓度、PAM浓度;为定量地探究横移速度、系统压力对截割能力影响程度,分别实施空气、水下环境的单因素浆料射流破岩试验,得到空气中与水环境中不同横移速度、系统压力下,截割深度、最大失效靶距的回归预测模型;这些变化规律可为开展水下浆料射流破岩研究、生产提供参考。最后,为研究水下浆料射流-截齿联合破岩性能,建立数值仿真模型,定性阐明水下浆料射流-截齿联合破岩破岩过程;为获得水下联合破岩性能表现,研制水下单齿截割试验装置,与浆料射流系统一起,组建水下浆料射流-截齿联合破岩试验系统;试验研究了水下浆料射流-截齿联合破岩过程,获得空气、水下环境中截割阻力随截割深度的变化规律;获得水下截齿破岩、水下浆料射流-截齿联合破岩截割阻力、破岩效率与截割深度间变化关系。所得结论可为水下破岩作业提供技术指导。该论文有图79幅,表14个,参考文献112篇。