天然气水合物又称“可燃冰”是一种高效清洁的新型能源,实现天然气水合物的有效开采和利用是首要问题。为解决传统水合物开采的弊端,针对我国南海海底的天然气水合物无盖层、无致密性、弱胶结的特点,周守为院士首先提出了海底原位机械破碎采掘的固态流化开采技术。在此基础上,考虑到机械破碎的范围和局限性,本文提出采用水射流破碎水合物矿体的开采方式进行采掘,并以我国南海海底水合物为原型,对水射流破碎的采掘工具和影响水射流破碎性能参数展开研究,通过单喷嘴射流流场仿真、射流破碎数值模拟以及水射流破碎水合物模拟试样实验得到了相关工程应用的工况参数。本文主要研究工作如下:(1)基于单喷嘴破碎性能影响因素,采用了 FLUENT流场仿真方法,分析了不同单喷嘴流道结构和尺寸条件下的流场射流速度,以射流速度为主要参考,确定了带扩散角喷嘴结构。在此基础上,优化了单喷嘴收缩角度、喷嘴圆柱段长径比、喷嘴扩散角度、总长度等关键参数。(2)基于ALE算法,结合LS-DYNA显示动力学分析程序,对水射流破碎水合物进行数值模拟研究,分析水合物水射流破碎的过程中,射流速度、喷距对破碎效果的影响规律,研究得到了射流速度是影响射流破碎深度体积的关键因素,在喷距为5mm时,射流速度从50m/s增加到150m/s,其射流破碎深度和破碎体积相应增大3倍。(3)基于高压水射流岩土破碎理论,采用高压水射流实验装置,开展了单喷嘴水射流破碎水合物模拟试样实验。实验研究验证了数值模拟的有效性,同时得到了在不同单喷嘴直径、射流压力条件下的射流破碎深度、体积和时间对射流破碎效果的具体影响规律和曲线。同时通过实验观察射流破碎坑的形状及变化规律。(4)在单喷嘴结构优化的基础上,通过合理布置设计了一种组合喷头工具。结合实际工程应用需要,开展了组合喷头的水合物试样射流破碎实验。研究了在组合喷头工具作用下,影响射流破碎效率的重要工况参数,得到了包括速度、射流压力、排量等不同参数条件下,影响采掘效率和破碎孔眼直径的实验数据,为未来水合物试采工况参数提供一定的实验参考依据。本文通过开展对水合物射流破碎的理论和实验研究,初步建立了一套水射流破碎水合物矿体的工具的设计思路和实验方法。为实际工况下水射流破碎海底水合物矿体的工况参数提供一定的参考依据和实验数据。因此本文的研究对实际工程应用中的水合物射流破碎具有重要意义,为水合物射流破碎相关工艺参数提供了参考依据。