新型旋转射流多孔喷嘴流场的分析

设计了一种适用径向水平井技术的旋转射流多孔喷嘴。其前端面均布3个不同切向倾角15°、30°、45°的孔眼。利用数值模拟方法,采用RNG k-ε湍流模型对该喷嘴流场特征进行了研究,并与试验破岩结果进行了对比。结果表明,15°孔眼轴向速度较大,扩散性差,衰减缓慢,类似直射流,破岩效果适中;30°孔眼轴向、径向、切向速度均较大,扩散性适中,衰减较慢,其破岩效果最佳;45°孔眼虽具有较高切向、径向速度,但扩散性较强,衰减较严重,可形成较大破岩面积,但破岩深度有限;3个孔眼破岩面积在径向存在重叠,当喷嘴旋转时,可轨道扫描式完成联合破岩;不同倾角破岩效果不同,本试验中30°倾角的孔眼破岩效果最佳。流场数值模拟结果与实际破岩效果基本一致。     

径向水平井自进式旋转射流钻头流场特性分析

为解决径向水平井钻进过程中破岩效率和自进能力的问题,设计了一种自进式旋转射流钻头。运用数值模拟方法,采用RNG k-ε湍流模型对所设计射流钻头的内外流场进行了三维流动特性分析,并分析了射流钻头结构参数对喷嘴流场特性的影响规律,进一步优化了自进式旋转射流钻头。结果表明,自进式旋转射流喷嘴外流场的轴心速度在喷嘴中心线上的速度最大,随着径向半径的增大,轴向速度迅速减小;切向速度沿喷嘴径向呈现出经典的"N"形分布,有利于增大射流破碎岩石的深度和破碎面积;径向速度呈轴对称分布,存在明显的漫流层,有助于岩屑的脱离;自进式旋转射流钻头导向叶轮的螺距和导叶数量,对射流速度有着重要的影响;喷嘴直径对射流流场特性的影响较大。经过优化,得到射流钻头的叶轮螺距16mm,导叶数为2,喷嘴直径为1mm。     

水力喷射径向水平井射流钻头优选试验研究

射流钻头的破岩性能对井眼深度和大小有重要影响。本文对径向水平井常用的2种射流钻头——多孔喷嘴和混合射流喷嘴采用室内试验的方法对它们的破岩规律和破岩性能进行了分析和对比。结果表明,冲击时间、喷嘴压降、喷距和围压对2种喷嘴破碎效果的规律基本相同,混合射流喷嘴的最优喷距不明显,多孔喷嘴的最优喷距为5～6倍喷嘴当量直径,多孔喷嘴的破岩性能要优于混合射流喷嘴,同时混合射流喷嘴在破碎孔径大小方面优于多孔喷嘴。本文可以为水力喷射径向水平井射流钻头的选择提供试验依据。     

两段式喷嘴淹没空化射流流场数值模拟

为了研究两段式喷嘴结构对空化射流效果的影响,建立了两段式喷嘴的数学模型与物理模型,对两段式喷嘴进行了模拟。以蒸汽气相体积分数为判断空化效果的主要依据,分析了第一喉部直径、第二喉部直径和连接处直径对两段式喷嘴空化性能的影响,并与角形喷嘴进行对比研究。结果表明：两段式喷嘴的结构参数对空化效果产生显著的影响。空化程度随着第一喉部直径的增加先增强后减弱;第二喉部直径取值越小,空化程度越高,空化程度随着第二喉部直径的增加先增加后减小;随着连接处直径的增大,空化效果逐渐增强。但当连接处的直径大于4 mm时,连接处直径取值对空化效果几乎没有影响;当两段式喷嘴的第一喉部直径为1.5 mm,第二喉部直径为1.0 mm,连接处直径为4 mm时,具有良好的空化效果。     

旋转钻头非自由多股淹没射流的计算分析

为了研究非自由淹没多股射流流场的运动规律，了解非自由射流固壁及射流方式对流场结构的影响，利用计算机模拟了三维多股射流的几种情况，通过分析，揭示了流场的结构形成过程与运动规律。     

射流泵流场三维数值模拟

采用商用CFD软件-FLUENT,通过选取Realizable κ-ε双方程紊流模型。Quick离散格式对射流泵内部流场进行数值模拟。该方法的计算结果与现有的实验值基本吻合。表明本计算方法是可行的,可用于射流泵的结构设计及优化。     

深海原位取芯金刚石钻头孔底流场数值模拟分析

应用FLUENT软件离散相模型对深海原位取芯金刚石钻头孔底流场进行数值模拟分析,将离散相体积浓度作为钻头孔底流场排屑效果的评价参数,研究钻头机械钻速、转速、冲洗液量等钻进参数对排屑能力的影响.分析结果表明:机械钻速提高,不影响孔底流场排屑能力;冲洗液流量增大,孔底流场排屑能力提高;当冲洗液流量较大时,提高转速对孔底流场...     

定向喷嘴布置对PDC钻头井底流场影响研究

定向喷嘴布置的方式对PDC钻头的井底流场将有很大的影响,尤其是能改变PDC钻头的水力性能,因而研究定向喷嘴布置具有重要的意义.本文分析了喷嘴的不同布置方法,并通过数值方法模拟其对PDC钻头井底流场的影响.结果表明:在不完全对称布置方案的冲击区,在射流刚开始从喷嘴处流出去,但还未接触井底,各喷嘴射流处于衰减地带之内,这样的话将对钻头的清洗和携带岩屑离开井底非常有效果;在漩涡区,喷射角大、距钻头中心远的喷嘴射流则对清洗和携带井壁附近的岩屑起主要作用,喷射角小、距钻头中心近的喷嘴射流则对清洗和携带井底中心的岩屑起主要作用;在刀翼上的附面层由于周围喷嘴的影响,刀翼切削面低速区明显减少,剪应力增大,更好地预防、清除PDC钻头的泥包.最终达到提高机械钻速的效果.     

旋转磨料射流喷嘴叶轮参数优化设计

为增强旋转磨料射流在硬岩地层高效破岩效果,喷射破岩形成较大孔径径向水平井井眼,对喷嘴叶轮参数展开了优化设计。对径向水平井井下工况旋转磨料射流流场进行模拟,研究了叶轮扭转角、长度、直径、叶片厚度和叶片数量等参数对流场速度的影响。结果表明：叶轮扭转角度为影响流场旋流强度的主要因素;减小叶轮直径或增加叶片厚度会缩小流道的过流面积,增加射流的旋转强度,直径影响最大切向速度相差15.1%,厚度影响相差44.6%;叶片数量较多会降低射流冲击速度。在本文条件下,给出了建议性优化喷嘴叶轮结构参数：叶轮扭转角度为630°,长度为30 mm,直径为18 mm,叶片厚度为4 mm,叶片数量为3。所得结果可为径向井旋转磨料射流喷嘴优化设计提供依据。     

前混合磨料射流喷嘴内流的数值模拟研究

基于多相流动的拉格朗日离散相模型，应用FLUENT软件对前混合磨料射流出口带圆柱段的圆锥收敛形喷嘴内部等温、不可压缩、稳态、液固湍流进行了数值模拟。连续相采用三维不可压缩稳态雷诺时均N-S方程，湍流模型采用标准的肛￡模型，代数方程组采用分离解方法，通过SIMPLE算法求解压力速度耦合；离散相采用拉格朗日方法追踪颗粒运动轨迹；收敛残差为10^-4。给出了颗粒初始位置对颗粒的运动速度和运动轨迹的影响规律，数值模拟结果对前混合磨料射流喷嘴的优化设计和工程应用具有很好的指导意义和参考价值。     

脉冲空化多孔射流钻头的结构设计研究

在多孔射流钻头的基础上,设计了脉冲空化多孔射流钻头,分析了其工作原理:当流体冲击叶轮高速旋转时,可对侧向孔眼入口处的流场产生有规律性的扰动,形成脉冲射流;同时,高速旋转的叶轮可以降低叶轮附近流体的局部压力,可产生许多微小空泡,夹杂在射流中形成空化射流。同时形成的2种射流进而耦合成脉冲空化射流。并利用流体力学和机械设计理论对射流钻头本体、叶轮轴和叶轮的结构参数进行了研究,研究结果可为脉冲空化多孔射流钻头结构设计提供依据。     

自进式多孔水射流钻头钻孔规律的试验研究

针对现有侧钻水平井技术成本高,工作周期长和经济性差等难题,该文设计了一种采用高压水力射流为破岩主要动力的自进式高压水射流钻头,并对钻头进行了淹没条件下的试验研究,系统分析了在不同射流工作压力、涡轮叶片数目、射流作用时间等条件下自进式高压射流钻头的钻孔特性,给出了射流钻头最适宜钻孔的结构参数。试验结果表明:自进式高压射流钻头与普通射流钻头相比,具有钻孔深,孔径大而规则,工作时稳定性高等优点。同时,在一定范围内,射流工作压力越大,钻孔效果越好;随着涡轮元件叶片数目的增加,钻孔直径呈线性减小,而钻孔深度近似二次曲线增加。考虑到叶片的制造难易程度,叶片数目以4最为合适。该文的研究工作为径向水平井中射流钻头的优化设计提供了科学依据,对提高径向水平井钻孔效率和降低钻井生产成本等有重要的工程实际意义。     

充型过程流场数值模拟研究

对充型过程进行分析,确立了充型过程数值模拟的数学模型。利用计算机数值模拟技术对充型阶段的流动过程进行了计算。在此基础上开发了流场模拟软件,并对铸件进行了模拟,结果证明所建立的数学模型及开发的程序是正确的。     

双腔室自振脉冲喷嘴空化射流数值模拟

以风琴管喷嘴为基础,串联一个谐振腔形成双腔室自激振荡脉冲喷嘴,利用Fluent对其流场进行数值模拟,分析射流靶距、二级谐振腔腔长比、腔径比的变化对空化射流流场的影响。结果表明：谐振腔尺寸过大或过小均会影响涡环结构的形成,进而影响空化效果。当谐振腔腔长比为0.77、腔径比为2.6时,谐振腔内涡环结构对称性好,轴向含气率高,射流速度较高,该结构利于清洗效率的提高。靶面滞止压力可对空化效果产生影响。当射流靶距较小时,在滞止压力的作用下二级谐振腔无涡环结构产生,轴向含气率较低。当靶距增加到18 mm时滞止压力产生的影响减小,轴向含气率明显提高,因此清洗靶距应至少为18 mm。但靶距的增加会降低射流到达靶面的动能,因此最佳靶距应取18 mm。     

螺杆泵腔室内流场的数值模拟研究

在SolidWorks软件中建立了螺杆泵定子与转子模型,并成功地进行装配,运用Fluent提供的UDF功能建立描述螺杆泵转子运动的动网格;运用Fluent求解器对螺杆泵腔室内的非定常流动进行数值模拟,得到流场的速度分布、压力分布和应力场;分析流体粘度、转子转速以及螺杆泵偏心距对流场的影响。计算结果表明:当转子要离开定子的两端面时,泵内流场总会出现十分明显的涡流;粘度仅影响速度、压力和应力数值的大小,而对分布规律的影响不大;转子转速对速度分布影响比较大,流场速度随转子转速的增大而增大;此外,偏心距对流场有较大的影响,且偏心距越大流场参数变化幅度越大,这表明偏心距对螺杆泵的稳定性影响很大。     

新概念车外流场数值仿真研究

使用Yakhot等的新版RNGk-ε湍流方程，首次对菱形新概念车车体气动特性进行了数值仿真。仿真中由于考虑了地面移动边界条件和轮胎转动对流场的影响（这与现实的物理环境基本上一致），因而具有较高的数值精度。对新概念车外流场进行数值仿真研究，揭示了新概念车车身的低阻气动特性的原因，为今后进行具有良好气动特性的车身设计提供参考思路。     

双腔室自激振荡脉冲喷嘴空化射流外部流场的数值模拟

以单腔室自激振荡脉冲喷嘴为基础,采用串联方式建立双腔室自激振荡脉冲喷嘴,应用FLUENT软件对其外部流场进行数值模拟,分析入射压力、靶距、腔长比、腔径比的改变对外部流场的影响。结果表明:当入射压力在1.1 MPa～4.4 MPa间变化时,空化程度随着压力增大而减小,同时压力每增加一倍时,靶面处最大速度增长约20～76 m/s;当靶距在100 mm～400 mm范围内变化时,空化程度随靶距增大而增大,但当靶距达到400 mm时,会因靶距太远气泡在空中溃灭空化程度骤减;当腔长比为0.67时或腔径比为1.2时,腔室内的涡环结构对称性好,有利于脉冲和空化的产生;同时具有较高的动能,当腔长与腔径同时取最佳值时,脉冲性最佳具有较好的清洗效果。     

壅塞管空化器空化流场特性的数值模拟研究

基于水力空化相关原理和壅塞管的特性,对壅塞管空化器空化流场特性进行数值模拟研究,确认影响空化器空化效果的因素。通过研究确认,入口压力与入口直径对壅塞管空化器的空化强度有决定性影响。入口压力增大,空化器内压力梯度增大,表明入口压力越大,壅塞管空化器空化效果越好。入口直径增大,壅塞管内最大含气率升高,可在更大范围水体内产生空化泡,进而加强空化效果。在壅塞管空化器内产生比较均匀的气液混合两相流时,沿轴心线方向,从壅塞管中部位置至壅塞截面位置,气液两相流动的马赫数缓慢增大,在压力梯度到达极值时马赫数达到最大,为0.97,接近于1。     

径向喷射规整旋流器内部流场研究

为了揭示径向喷射规整旋流器(RJC)的高效分离机理,在非稳态下采用雷诺应力模型(RSM)对其内部气相流场进行了数值模拟。与Stairmand型旋风分离器(SC)对比发现,RJC的流场更具有轴对称性,切向速度值更大,短路流量更小,更有利于细小颗粒的分离,但是RJC的压降较大。对比"圆柱"型内筒和"圆锥"型内筒2种情况下RJC的短路流量发现,内筒为"圆锥"时,RJC的短路流量更小。