自振空化射流利用瞬态流和水声学原理调制射流流场,诱导空化的发生,能极大的增强射流的冲蚀能力,提高破岩效果。然而,围压下自振射流流场中空化发生机制不清楚,空泡溃灭冲击材料的能量大小不明确,空化冲击的空间分布模式及影响因素有待深入研究。为此,本文通过理论计算、数值模拟和室内实验等方法,对围压下自振空化射流空化发生及冲蚀机理开展了研究,取得了以下主要成果:1.利用大涡模拟研究了围压下射流湍流场结构特征,考察了自振效应对射流剪切层涡环结构的影响规律。研究发现,自振效应能增强涡环的稳定性和拟序性,涡环中心压力降提高幅度可达38%,能有效促进围压下射流流场空化发生能力。2.以空泡动力学方程为基础,考虑空泡与周围流体的传热和传质特征,建立了围压下自振空化射流流场中空泡随外部压力动态变化的计算模型,并编译了MATLAB程序对模型进行计算求解,得到了空泡溃灭过程中温度和压力变化规律。研究结果表明:在射流速度140 m/s,围压5 MPa条件下,空泡溃灭温度的数量级为10~4 K,溃灭压力的数量级为10~4 MPa,空泡壁溃灭速度可达5.5个马赫数;空化强烈的冲蚀能力取决于第一次剧烈溃灭;自振效应使空泡溃灭压力峰值提高9.7%,峰值持续时间增加28.8%;空泡溃灭强度随射流速度增加而增强;一定射流速度条件下,存在最优的围压值,使空化破坏能力达到最大;在本文计算中所选取的射流速度140m/s,自振效应系数1.24条件下,最优围压为7MPa左右;空泡溃灭强度随流体密度的增加而降低,受流体粘度和表面张力的影响较小。总体而言,流体物性对空泡溃灭强度的影响较弱,而水力参数则是主要的影响因素。3.建立了围压下空化冲击强度有限元反演计算模型,结合空化冲蚀坑形貌特征分析,得到了不同喷距下空化射流中空化冲击场强度及其分布规律。结果表明:空化射流在喷距较小的冲击面上形成圆环形空化冲击分布,在喷距较大的冲击面上形成圆形分布;冲击射流流场中的滞止区和回流区是影响空化冲击分布的主要因素;单位时间内空化冲击数量随着喷距的增加而减小;空化冲击强度的主要控制参数存在优势分布区间,其中冲击压力峰值的优势分布区间为1.0~1.8 GPa,冲击直径的优势分布区间为20~40μm,冲击力的优势分布区间为0.5~1.5 N,冲击能量的数量级为10~-44 mJ。4.对自振喷嘴出口结构进行了优化设计,以进一步提高喷嘴在围压下的空化发生能力;利用空泡运移计算模型,研究了空泡的运移效率及其变化规律;通过空化射流冲蚀实验,得到了热处理对不锈钢喷嘴材质抗空蚀性能的影响规律。结果表明:收缩-扩张型出口结构具有较强的空化发生能力,其最优扩张角为20°,扩张段长度为4倍吼道直径,收缩角为13.5°,吼道长度为1倍吼道直径;在一定围压下,存在将空泡运移出喷嘴的最小排量;在480℃~620℃范围内,不锈钢SUS630型材料的抗空蚀能力随时效温度的增加而降低;材料的抗空蚀性能与其屈服应力、弹性比能、硬度存在幂次相关性。本研究阐明了空化效应提高围压条件下水射流冲蚀性能的机理,进一步夯实了自振空化射流技术的理论基础,研究成果可为提升该技术在现场的应用效果提供理论指导。