１ 模拟过程
１ ． １ 分析模型 根据径向水平井井底流场和旋转射流钻头的基本结构 ， 建立的分析模型如图 １ 所示 ： 流体经钻杆流 入导流叶轮加旋 ， 然后进入喷嘴收缩段加速 ； 离开喷嘴出口后射向井底 ， 撞击井底平面 ； 最后由钻杆与 井壁间环空返回 ， 到一定距离后呈稳定的单向流动状态 。 １ ． ２ 网格划分 将图 １ 所示流场模型分为 ３ 段进行网格划分 ， 由于旋转射流钻头的内流场结构复杂 ， 因此采用非结 ） 为 １， 如图 ２ 所示 。 构网格划分 ， 节点间隔尺寸 （ ｉ ｎ ｔ ｅ ｒ ｖ ａ ｌ ｓ ｉ ｚ ｅ １ ． ３ 控制方程 试验选取笛卡尔坐标系 、 稳定流动 、 不可 压 缩 流 体 的 Ｎ ａ ｖ ｉ ｅ ｒ Ｓ ｔ ｏ ｋ ｅ ｓ时 均 方 程 作 为 控 制 方 程 ， 采 用 －
图 ３ 射流轴对称面上速度矢量图 图 ４ 叶轮出口处 、 喷嘴收缩段和出口段截面速度矢量
、ｂ、ｃ三截面处的各速度 Ｆ ｌ ｕ ｅ ｎ ｔ软件还可将速度矢量沿轴向 、 径向和切向进行分解 ， 得到图 ３ 中 ａ ） 、（ ） 、（ ） 。 从图 ５ 中可以看出 ， 在半径方向上 ， 轴向速度的分布和变化主要受结构 分量 ， 见图 ５ （ ａ ｂ ｃ 形式的制约和影响 ， 不同结构处的径向分布规律完全不同 ； 切向速度由中心向边缘 ， 总是先增大 ， 后减
图 ６ 射流轴对称面上压力分布云图 图 ５ 各截面处各速度分量
第３ ３ 卷第 １ １期
杨雄等：基于 Ｆ ｌ ｕ ｅ ｎ ｔ的径向水平井旋转射流钻头内外流场数值模拟
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）流量系 数 计 算 根 据 ３
６］ 可按下式 流量 系 数 的 定 义 ［
计算 ：
Ｑ ρ （ ） ２ Ａ ２ Δ ｐ 式中 ， 无 因 次； Ｃ 为流量 系 数 ，
第３ ３ 卷第 １ １期
杨雄等：基于 Ｆ ｌ ｕ ｅ ｎ ｔ的径向水平井旋转射流钻头内外流场数值模拟
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图 １ 旋转射流流场模型 图Ｐ０ ＝ ０。 ２ ）固壁边界条件 采用无滑移边界条件 。 ３
２ 数值模拟结果与分析
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石油天然气学报 （ 江汉石油学院学报） ２ ０ １ １年１ １月 第３ ３卷 第１ １期 ） Ｎ ｏ ｖ ． ２ ０ １ １ Ｖ ｏ ｌ ． ３ ３ Ｎ ｏ ． １ １ Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ｏ ｉ ｌ ａ ｎ ｄ Ｇ ａ ｓ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ Ｊ ． Ｊ Ｐ Ｉ ｇ ｙ（
表 １ 内流场不同截面处的 Ｓ 值
ａ截面处 ｍｍ Ｒ／ ２ ． ５×１ ０ １
－３
ｂ 截面处 ８ ． ２×１ ０
－３
ｃ截面处 ３ ． ２ ５×１ ０－３ ０ ． １ ５ ０ ３
Ｓ
１ ． ５ ２ ４ ７
０ ． ５ ８ ９ ３
、 由此反映旋转流体流经截面 ａ ｂ、ｃ三处 时 ， 旋 流 强 度 迅 速 减 弱 ：ａ ；ｂ 截 面 截面处为 强 旋 流 （ Ｓ ≥０ ． ６） ） ；ｃ 截面 处为中旋流 （ ０ ． ２＜ Ｓ ≤０ ． ６ ） 。 处为弱旋流 （ Ｓ ≤０ ． ２ ２ ． ２ 压力变化规律与流量系数计算 ）轴对称面上的压力分布 图 ６ １ 显示了 射 流 轴 对 称 面 上 的 压 力 分 布 。 从 图 ６ 中可以看到压力最高的区域是 在流体入 口 段 ， 叶 轮 出 口 后 开 始 降 低 ， 在流速最高 的 喷 嘴 出 口 圆 柱 段 出 现 负 压。 ）横截面上的压力分布 图 ７ 显 ２ 、ｂ、ｃ 三 示的是流体入口段和图 ３ 中 ａ 截面上 的 压 力 分 布 。 从 图 ７ 中 可 以 看 到 ， 入口 段 流 体 单 向 流 动 时 ， 压 力 分 布沿半径方向不变 ， 其他 ３ 处压力分布 均是 边 缘 处 高 ， 越 往 旋 转 流 体 中 心 压 力越 低 ， 这 是 由 于 旋 转 流 体 抽 吸 作 用 造成 的 ， 近 壁 面 处 的 压 力 值 为 该 截 面 实际压力值 。
［ ］Ｎ ，Ｗ ］． ， ） ： ｅ ｔ １ ｉ Ｈ Ｊ ａ ｎ Ｒ Ｈ． Ａ ｓ ｔ ｕ ｄ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｒ ｏ ｃ ｋ ｂ ｒ ｅ ａ ｋ ｉ ｎ ｍ ｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｉ ｓ ｍ ｄ ｕ ｒ ｉ ｎ ｓ ｗ ｉ ｒ ｌ ｉ ｎ ｗ ａ ｔ ｅ ｒ ｄ ｒ ｉ ｌ ｌ ｉ ｎ Ｊ Ｐ ｅ ｔ ｒ ｏ ｌ ｅ ｕ ｍ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ２ ０ ０ ４，１ （ １ ｇ ｙ ｇ ｇ ｇ ｊ ｇ［ ３ ９～４ ４ ． ［ ］ 胡鹤鸣 ． 旋转水射流喷嘴内部流动及冲击压强特性研究 ［ 北京 ： 清华大学 ，２ ２ Ｄ］ ． ０ ０ ８ ． ［ ］ 徐刚 ，吴伟亮 ． ］． ） ： 旋流式喷嘴内流场的数值模拟 ［ 能源技术 ， ３ Ｊ ２ ０ ０ ８， ２ ９（ ３ １ ２ ９ ～１ ３ ２ ． ［ ］ 易松林 ， 李雪辉 ， 贺会群 ， 等 ． 径向水平井钻井技术研究 ［ 中国石油学会石油工程专业委员会 钻 井 工 作 部 ２ ４ Ａ］ ． ０ ０ ５年学术研讨会 暨第五届石油钻井院所长会议 ［ 北京 ： 机械工业出版社 ，２ Ｃ］ ． ０ ０ ５ ． ４ ８ ９～４ ９ ６ ． ［ ］ 沈忠厚 ． 水射流理论与技术 ［ 东营 ：石油大学出版社 ，１ ５ Ｍ］ ． ９ ９ ８ ． ［ ］ 刘成文 ， 李兆敏 ． ］． ） ：１～３ 锥形喷嘴流量系数及水力参数的理论计算方法 ［ 钻采工艺 ，２ ６ Ｊ ０ ０ ０，２ ３（ ５ ．
２ ． １ 速度变化规律与旋流强度计算 ）轴对称面上的速度分布 图 ３ 显示了射 流 轴 对 称 面 上 的 速 度 矢 量 。 从 图 ３ 可 见 流 体 运 动 的 总 趋 １ 势 ： 入口段流体单向流动 ， 速度较低 ； 经喷嘴收缩段后速度达到最大 ； 离开喷嘴出口 ， 射流速度迅速衰 减 ； 与孔底碰撞后会在孔底两侧形成漩涡 ； 一部分流体沿孔底横向流动到孔壁由环形空间返回 ， 另一部 分则由旋转射流的卷吸作用而被吸入 ， 重新参与射流主体的冲击流动 。 ）横截面上的速度分布 在图 ３ 中 的 叶 轮 出 口 处 、 喷 嘴 收 缩 段 和 喷 嘴 出 口 段 分 别 取 一 截 面 ａ 、ｂ、 ２ ，由图 ４ 可清晰看出 ： 在 ａ 截面 处 ， 合 速 度 较 小 ， 速 度 矢 量 方 向 显 示 流 体 以 旋 转 流 动 为 主 ； 到 ｂ 截 面 ｃ 时 ， 合速度增大 ， 边缘处仍以旋转流动为主 ， 中心位置以轴向流动为主 ； 到 ｃ截面处 ， 合速度最大 ， 以 轴向流动为主 。
／ ， 钻杆内径为 ｄ 计算入口速度为 ： ６ １ ０ Ｌ ｍ ｉ ｎ ５ ｍｍ。 １ ＝２
ｕ＝
Ｑ Ｑ ／ ０ ｍ ｓ ｖ ＝０ ＝ （／ ） ｗ ＝ ０ ２ ≈２ Ａ πｄ ２
收稿日期］２ ０ １ １ ８ ２ ［ ０ １ ） 。 基金项目］ 湖北省高等学校优秀中青年科技创新团队项目 （ Ｔ ２ ０ ０ ９ ０ ６ ［ ，男，１ 作者简介］ 杨雄 （ １ ９ ６ ０ ） ９ ８ ２ 年大学毕业，硕士，教授，现主要从事材料工程 、 现代加工技术和工程测试技术及控制工程等 ［ 方面的教学和研究工作 。
［ ｎ ５］ 小 ， 存在明显的似固体旋转区和准势流旋转区 ， 满足理论计算公式 ｗ· ｒ ＝ Ｃ ；径向速度始终远小于 轴向速度和切向速度 ， 除在喷嘴 收 缩 段 ， 由 于 部 分 流 体 与 壁 面 碰 撞 转 向 ， 约 占 合 速 度 的 １ ３％ ， 其 他 位
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石油天然气学报 （ 江汉石油学院学报）
∫ ∫
（ ） １
式中 ， Ｇ θ 为射流横截面上旋转动量矩 的轴向通量 ； Ｇ Ｓ为 ｚ 为轴向动量通量 ； 旋流数 ； Ｒ 为 截 面 半 径； ｕ θ 为切向速 度； ｕ ｚ 为轴向速度 。 ， 利用 Ｆ ｌ ｕ ｅ ｎ ｔ软 件 输 出 图 ３ 中 ａ ｂ，ｃ三处截面处轴向速度和切向速度 的 径 向 分 布， 对 离 散 速 度 值 进 行 拟 合，然 后 按 式 （ １） 求 解 积 分 ， 可 得 各截面处的旋流强度 ， 见表 １。
基于 Ｆ ｌ ｕ ｅ ｎ ｔ的径向水平井旋转射流 钻头内外流场数值模拟
杨 雄 ， 冉小丰 ， 阳 婷
（ ） 长江大学机械工程学院，湖北 荆州 ４ ３ ４ ０ ２ ３
［ 摘要 ］ 运用 Ｆ ｌ ｕ ｅ ｎ ｔ软件对径向水平井旋转射流钻头的内外部流场进行数值模拟 ， 提 出 了 利 用 数 值 模 拟 手 段计算旋流强度和流量系数的方法 。 结果表明 ： 流体经导流 叶 轮 加 旋 后 成 为 强 旋 流 ， 流 经 喷 嘴 收 缩 段 时 ， 速度增加 ， 旋流强度减小 ， 至喷嘴 出 口 时 变 为 弱 旋 流 ； 叶 轮 的 流 量 系 数 小 于 喷 嘴 。 该 分 析 为 旋 转 射 流 钻 头的结构优化设计和提高破岩效率提供了理论基础 。 ［ 关键词 ］ 旋转射流 ； 数值模拟 ； 钻头 ； 叶轮 ； 喷嘴 ［ 中图分类号 ］Ｔ Ｅ ９ ２ １ ［ ）１ 文献标识码 ］Ａ ［ 文章编号 ］１ ０ ０ ０ ７ ５ ２（ ２ ０ １ １ １ １ ５ ４ ４ ９ ０ ０
径向水平钻孔过程中 ， 旋转射流钻头的结构参数决定了旋转射流的性能 ， 从而影响着破岩效率 。 中
１， ２］ ，取得了一定的成 国石油大学等许多高 校 和 研 究 机 构 利 用 实 验 手 段 对 射 流 钻 头 的 结 构 进 行 了 研 究 ［
果 。 但对于旋转射流钻头复杂的内部流场的运动规律 ， 实验研究具有一定的难度 。 笔者采用数值模拟手 段 ， 研究了旋转射流复杂内流场的运动规律和与结构特性的关系 ， 为旋转射流钻头的设计提供了一定的 基础 。
Ｃ ＝
槡
３ ／ ； ｋ ｍ Ｑ 为射 ｇ ρ为流体密度 ， ３ ， ／ ； 流排量 ｍ ｓ ｐ 为射流压 ２ ； 。 力， Ｐ ａ Ａ 为截面面积 ， ｍ 如图 ６ 所示 ， 在叶轮前后
分别取 截 面 Ｓ 按图５ １ 和Ｓ ２， 所示输出 Ｓ ２ 截面处轴向速度 ／ 径向分 布 ， 可求得 Ｑ 按图 Ａ； 计算 ７ 中所示输 出 压 力 分 布 ， 则可求得此叶 Δ ｐ ＝ｐ １ －ｐ ２， 轮 模 型 的 流 量 系 数 为 同理由截面 Ｓ ０ ． ５ ８ ３ ６。 ２ 和Ｓ ３ 可求得 此 喷 嘴 模 型 的 流 量 系 数为 ０ ． ８ ４ ９。 由以 上 分 析 可 看 出， 利 用Ｆ ｌ ｕ ｅ ｎ ｔ软件模拟径向水平井旋转射流钻头复杂的内 外 流 场 ， 不 但 可 得 到 流 场 中 的 速 度 、 压 力 结 构 特 性 ， 还可以求得用以评价旋转射流性能的旋流强度 、 流量系数等参数 ， 因此可用来修正由于旋转射流钻 头结构形式 、 几何尺寸等因素形成的阻力损失而导致的流量误差及其对旋流强度的影响 。