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.     

喷嘴孔径对PDC钻头井底流场影响的研究

PDC钻头在实钻过程中井底流场非常复杂,而优化其水力学参数是提高钻头钻井能力的有效手段。根据实际钻头结构,建立了不同孔径的四喷嘴PDC钻头井底流场模型并对之进行了数值模拟,分析了流场的总体特点,得出了在相同出口射流速度和相同流量条件下喷嘴孔径对PDC钻头井底流场的各种影响,并通过试验进行了验证,为PDC钻头的水力学设计提供了一定的指导。     

近钻头平衡钻井井底流场的计算机模拟

以PDC钻头为模拟对象，充分考虑钻头三维、旋转和喷嘴对称性等因素的影响，借助于CFD软件CFX5.6对近钻头平衡钻井井底的流场进行了模拟分析，并利用软件的后处理方式对井底的速度场分布作了精细的描述。对钻头的设计以及井底流场的真实情况的分析有着重要的指导意义。     

矩形光液耦合喷嘴的流场特性分析

设计了用于紫外光诱导纳米颗粒胶体射流技术的多种矩形光液耦合喷嘴,基于仿真结果比较了棱柱矩形喷嘴与圆锥矩形喷嘴的射流速度分布曲线,分析了矩形出口长宽比系数θ对射流特性的影响以及矩形喷嘴冲击射流在工件表面的压力分布和速度分布特性。结果表明,棱柱矩形喷嘴的射流速度分布均匀,当长宽比系数θ大于0.075小于0.3时矩形喷嘴的射流性能最为优异,冲击射流时工件材料的去除区域主要集中在矩形出口的宽度方向。     

多孔式射流钻头流场数值模拟研究

多孔式射流钻头是应用于径向水平井技术的一种新型射流钻头。本文建立了多孔式射流钻头流场计算模型,采用RNGk-ε湍流模型进行数值计算,分析了射流钻头内外不同区域的流场分布情况和局部流动特性。模拟计算结果表明:多孔式射流钻头有效扩大了井底冲击区,有利于扩大成孔直径;反向射流冲刷井壁,可以进一步扩大孔径,其反推力平衡了正向射流的反推力,有利于轨迹控制;反向射流的附壁作用,增大了喷嘴局部阻力系数。射流钻头入口及环空的压力和流量的数值模拟结果与试验测试结果一致。     

PDC钻头切削破岩机理及数值模拟研究

由于PDC钻头几何外形、岩石材料以及井底钻井工况的复杂性,PDC钻头切削破岩机理的研究一直都是难点问题。基于单齿切削机理,引入岩石比功ε,推导出钻井钻压W、扭矩t和切削厚度d之间的关系,建立切削比功E与钻井强度S的二维图;同时结合接触摩擦分量,分析并阐述了破岩过程的概念模型;通过有限元方法建立全尺寸PDC钻头动态破岩的非线性动力学三维仿真模型,开展PDC钻头切削破岩机理的研究,进一步分析PDC钻头破岩过程的响应规律。结果表明:岩石损伤与应力云图可直观反映钻井过程岩石损伤剥落形成井眼及井底应力分布状况;PDC钻头钻进方向的位移、加速度和扭矩响应规律与理论分析相一致,并揭示了PDC钻头钻进过程中的"进尺台阶"现象,亦佐证了破岩过程的概念模型。     

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。     

基于CFD的钻头喷嘴水力特性分析

喷射钻井的实践和理论研究表明,喷射钻头不仅靠牙轮进行机械破岩,钻头喷嘴还是一个水力机械,高速射流的水力能量不仅能净化井底的岩屑,还具有直接破碎岩石的冲蚀作用.文中以基础流体力学理论和流场模拟来分析喷嘴的水力性能,建立不同结构喷嘴的CFD模型,对比分析各型喷嘴的水力性能,为牙轮钻头上喷嘴的选用与设计提供了理论依据.     

冰粒气射流喷丸喷头流场数值模拟

基于射流的湍动特性,应用FLUENT对冰粒气射流喷头内流进行数值模拟。分析了射流压力对内流连续相轴向速度和轴向动压强及射流压力和粒径对弹丸轴向速度的影响。结果表明,当射流压力增大时,气体喷嘴出口处和弹丸喷嘴出口处的轴向动压强也随着增大;当射流压力增大时,气体喷嘴出口处和弹丸喷嘴出口处的轴向速度也随着增大;粒子速度随着射流压力的增大呈现先增大后减小的趋势,随着粒径的增大呈现减小的趋势,但最大值均出现在磨料喷嘴出口处。     

围压下自振喷嘴空化起始能力试验及应用研究

开展喷嘴空化起始能力研究,对增大射流破岩效果,提高深井钻井的速度具有非常重要意义。利用瞬态流和水声学原理设计研制了自振空化喷嘴,通过试验研究了该喷嘴的空化起始能力,并与锥形喷嘴进行了比较,结果表明在更深的井底或更高的围压条件下,自振空化喷嘴比普通锥形喷嘴具有更大的起始空化数和更强的空化起始能力,最大起始空化数达1.67,而锥形喷嘴最大值仅为0.54。现场试验也证实了自振空化喷嘴钻头在增加进尺、提高机械钻速方面有更显著作用。     

基于CFD的喷嘴结构对高压水射流反推特性的影响

喷嘴作为无人机新型射流反推弹射的重要元件,其结构参数对无人机弹射动态特性具有重要影响。以圆柱形、圆锥形和余弦形结构的喷嘴为研究对象,基于CFD建立不同结构喷嘴射流流动的数学模型,采用VOF多相流模型和k-ε湍流模型等对不同结构喷嘴射流流态进行数值模拟,获得不同结构喷嘴内外壁面的压力场、速度场分布,对比分析喷嘴结构特征和几何参数对高压水射流反推特性的影响规律。结果表明:相比圆柱形喷嘴,圆锥和余弦形喷嘴射流反推特性更好;当喷嘴入口压力由15 MPa增至30 MPa时,射流速度增幅有下降趋势,当入口压力为25 MPa时,余弦形喷嘴相比圆锥形喷嘴的射流反推力要高18.1%;喷嘴出口内径增大对射流速度影响不大,但会显著增加射流反推力,与圆锥形喷嘴相比,同直径的余弦形喷嘴的射流反推力要高约7.9%。     

自振喷嘴空化起始能力实验研究

利用瞬态流和水声学原理设计研制了自振空化喷嘴,实验研究了该喷嘴的空化起始能力,并与锥形喷嘴进行了比较。结果表明,在更深的井底或更高的围压条件下,自振空化喷嘴比普通锥形喷嘴具有更大的起始空化数和更强的空化起始能力,最大达1.67,而锥形喷嘴的最大起始空化数仅为0.54。现场试验证明,自振空化喷嘴钻头对提高机械钻速具有更显著的作用。     

多孔射流钻头破岩钻孔规律试验研究

利用自行研制的射流破岩系统,对淹没和围压条件下多孔射流钻头的破岩钻孔规律进行了试验研究,重点考虑了水力参数(冲蚀时间、射流压力、围压、喷距)和结构参数(孔眼数量和侧向孔眼扩散角)对破岩效果的影响,结果表明:随着冲蚀时间的增加,破岩效果先增加,后趋于平缓;随着射流压力的增大破岩效果随之增大;随着围压的增加破岩效果随之减小;随着喷距的增加破岩效果呈先增大后减小的趋势,存在最优喷距范围;随着孔眼数量的增多,破岩成孔形状越来越圆整;随着侧向孔眼扩散角的增大,破岩效果呈先增大后减小趋势,存在最优扩散角范围。试验结果可为多孔射流钻头水力参数选择和结构参数设计提供依据。     

自激振动空化射流振动分析试验

从提高喷射喷嘴的设计效率和射流冲蚀与清洗效率角度出发,在理论分析自激振动空化喷嘴工作原理的基础上,设计不同尺寸组合的风琴管自激振动空化喷嘴,测量风琴管自激振动空化喷嘴喷射时喷嘴及射靶的振动,通过对振动信号的比较分析,研究自激振动空化射流振动特性及频率特性。结果表明,自激振动空化喷嘴振动频域图中的高频成分是谐振腔内空化泡破裂撞击导致的高频振动,自激振动空化喷嘴振动频域图中存在调制频率,即喷嘴谐振腔内自激振动的谐振频率。实测值与理论计算值相符。给出风琴管自激振动空化喷嘴的主要结构参数喷嘴直径、谐振腔长对喷嘴产生自激振动空化效果的影响规律,得出给定试验系统中自激振动空化喷嘴的最佳结构参数。振动分析试验研究与仿真研究结果一致,为自激振动空化喷嘴的优化设计提供了有效方法。     

偏转板伺服阀射流放大器结构参数优化研究

介绍了偏转板射流伺服阀的结构和工作原理。射流放大器是阀中重要部位,而喷嘴、接收孔、导流口的参数对阀性能影响较大。当喷嘴和接收孔为矩形时,改变矩形导流口长度,利用Fluent分析阀压力特性并从中得到一组最佳参数,保持矩形导流口面积不变,改变导流口形状为圆形和方形,分析上述3种导流口下的压力及流量特性。通过MATLAB/Simulink进行建模与仿真,验证了Fluent分析的正确性,为该类型伺服阀的结构优化提供了参考。     

An experimental study of supersonic dual coaxial free jet

A supersonic dual coaxial jet has been employed popularly for various industrial purposes, such as gasdynamic laser, supersonic ejector, noise control and enhancement of mixing. Detailed characteristics of supersonic dual coaxial jets issuing from an inner supersonic nozzle and outer sonic nozzles with various ejection angles are experimentally investigated. Three important parameters, such as pressure ratios of the inner and outer nozzles, and outer nozzle ejection angle, are chosen for a better understanding of jet structures in the present study. The results obtained from the present experimental study show that the Mach disk diameter becomes smaller, and the Mach disk moves toward the nozzle exit, and the length of the first shock cell decreases with the pressure ratio of the outer nozzle. It was also found that the highly underexpanded outer jet produces a new oblique shock wave, which makes jet structure much more complicated. On the other hand the outer jet ejection angle affects the structure of the inner jet structure less than the pressure ratio of the outer nozzle, relatively.