基于Fluent的径向水平井旋转射流钻头内外流场数值模拟
基于Fluent的径向水平井旋转射流钻头内外流场数值模拟
６ ０ ｍｉ ， １ Ｉ ｎ 钻杆 内径 为 ｄ ／ 一 ２ ｍｍ。 ５ 计算 人 口速度 为 ：
Ｑ
“ 一
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≈ ２ ｍ／ ０ ｓ
训一 。
一ｏ
［ 收稿日期］２ １ 一Ｏ ０ １ ８—１ ２ ［ 基金项目］湖北省高等学校优秀中青年科技创新团队项 目 （ ０ ９ ６ 。 ： Ｔ２ ０ ） ［ 作者简介］杨雄 （ ９ ０ ） １ ６ 一 ，勇 ，１ ８ 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 ９２ 方面的教学和研究工作 。
第 ３ 卷 第 １ 期 ３ １
杨 雄 等 ：基 于 Ｆｕ ｎ 的 径 向 水 平 井 旋 转 射 流 钻 头 内外 流场 数 值 模 拟 ｌｅｔ
●●■■ ■
图 １ 旋 转 射 流 流 场 模 型
图 ２ 钻 头 内流 场 网格 划 分
２ ）出 口条件
Ｐ 。一 ０ 。
３ ）固壁边 界条 件 采用 无 滑移 边界 条件 。
１ ２ 网 格 划 分 ．
将 图 １ 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 所
构 网格 划分 ，节 点 间隔尺 寸 （ ｔｒａ ｓ ｅ 为 １ ｉ ｅｖ ｌ ｉ ） ｎ ｚ ，如 图 ２所示 。
１３ 控 制 方 程 ．
基 于 Ｆ ｕ ｎ 的 径 向水 平 井 旋 转 射 流 ｌｅ ｔ 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，胡Ｅ Ｊｌ３０３ 、］ ￣０ ４ ２ ＊ ４ ）
［ 要 ］ 运 用 Ｆｕｎ 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 摘 ｌｅｔ
旋流器内部流场的数值模拟研究
计算采用的物理模型的比例结构如图 1 所示 ,入口 边界 :进液口定义为速度入口 ,流量为 11466 m3Πh , 进口速度为 01653 mΠs ;出口边界 : 溢流口和底流口 分别定义为压力出口 ,表压默认为零 。壁面 :采用标 准避免函数 ,假设为无滑移壁面边界 ,流体与其相对 速度为零 。
第 12 期 方 坤 ,等 :旋流器内部流场的数值模拟研究 ·7·
压力并不相同 ,说明轴向压力梯度变化较大 。 212 速度分布
(1) 切向 、轴向及径向截面速度分布 如图 4 (a) 为切向速度云图 ,在旋流器三维流动 中 ,切向速度有很重要的地位 ,切向速度产生的离心 力是旋流器内两相或多相分离的基本前提 。从图 4 (a) 中可以看出 :切向速度值由内向外先增大 ,在径 向某一位置达到最大值 ,然后又减小 。以最大速度 为界 ,速度场划分为内旋流和外旋流 ,由切向速度方 向的一致性 ,又证明内外旋流的螺旋方向是一致的 。 图 4 (b) 为轴向速度模拟结果 ,图中速度方向定 义沿 z 轴正向为正 ,从图中可以看出 ,在靠近器壁一 个环形区域内轴向速度方向是向下的 ,该区域为外 旋流所在区域 ,也是固相颗粒富集的区域 。随着半 径的减小 ,轴向速度由负变为正 。这就说明存在一 个分界面 ,在这个半径位置以里 ,流体螺旋向上运 动 ,在这个半径以外 ,流体沿器壁螺旋向下运动 ,因 此证明了零速度包络面的存在 。 图 4 (c) 是径向速度模拟结果 ,与其它两个方向 的流动相比 ,径向运动的速度较小 ,轴心附近径向速 度变化较大 ,这就说明旋流器内旋流流场在分离中 占主要作用 。
0 前言
旋流器是一种分离非均匀相混合物的分级分离 设备 ,由于结构简单 、设备紧凑 、占地面积小和设备 成本低等优点而受到日益广泛的关注 。它可用于完 成液体澄清 、料浆浓缩 、固相颗粒洗涤 、固相颗粒分 级与分类 、液相除气和除砂以及两种非互溶液体的 分离等多种过程作业 ,迄今已经在石油 、化工 、环保 、 矿物加工 、轻工 、医药 、食品 、纺织与染料 、采矿 、冶 金 、机械 、建材以及煤炭等许多工业部门得到了广泛
Fluent雾化喷嘴数值仿真研究
Fluent雾化喷嘴数值仿真研究之马矢奏春创作FLUENT 提供五种雾化模型：•平口喷嘴雾化(plain-orifice atomizer)•压力－旋流雾化(pressure-swirl atomizer)•转杯雾化模型(flat-fan atomizer)•气体辅助雾化(air-blast/air-assisted atomizer)•气泡雾化(effervescent/flashing atomizer)所有的模型都是用喷嘴的物理及尺寸参数（例如喷口直径、质量流率）来计算初始颗粒尺寸、速度、位置.对实际的喷嘴模拟来说,无论是颗粒的喷射角度还是其喷出时间都是随机分布的.但对FLUENT 的非雾化喷射入口来说,液滴都是在初始时刻以一个固定的轨道喷射出去（到流场中去）.喷雾模型中使用随机选择模型获得液滴的随机分布.随机选择轨道标明初始液滴的喷射方向是随机的.所有的喷嘴模型中都要设第初始喷射角（范围）,颗粒通过随机的方法在这个范围内获得一个初始喷射方向.这种方法提高了由喷射占主导位置流动的计算精度.在喷嘴附近,液滴在计算网格内的分布趋向于更加均匀,这样,通过气相作用于液滴上的曳力就加强了气相－液滴之间的耦合作用.平口喷嘴雾化(plain-orifice atomizer)模型平口喷嘴是最罕见也是最简单的一种雾化器.但对其内部与外部的流念头制却很复杂.液体在喷嘴内部获得加速,然后喷出,形成液滴.这个看似简单的过程实际却及其复杂.平口喷嘴可分为三个分歧的工作区：单相区、空穴区、以及回流区（flipped.分歧工作区的转变是个突然的过程,而且发生截然分歧的喷雾状态.喷嘴内部区域决定了流体在喷嘴处的速度、初始颗粒尺寸、以及液滴分散角.每种喷雾机制如下图示（图1、2、3）：图1 单相流雾化喷嘴流动（液体完全布满喷头内部）图2 空穴喷嘴流动（喷头倒角处发生了空穴）图3 返流型喷嘴流动（在喷头内,下游气体包裹了液体喷射区）压力－旋流雾化喷嘴模型另一种重要的喷嘴类型就是压力－旋流雾化喷嘴.气体透平工业的人把它称作单相喷嘴（simplex atomizer）.这种喷嘴,然后流体通过一个称作旋流片的喷头被加速后,进入中心旋流室.在旋流室内,旋转的液体被挤压到固壁,在流体中心形成空气柱,然后,液体以不稳定的薄膜状态从喷口喷出,破碎成丝状物及液滴.在气体透平、燃油炉、直接喷射焚烧式汽车内燃机的液体燃料燃烧中,压力－旋流雾化喷嘴使用很广泛.液体从内部流到完全雾化的过程可分为三个步伐：液膜形成、液膜破碎及雾滴形成.这个过程的示意图如下：图4 喷嘴内部流动转酿成喷雾状态的理论步伐转杯雾化模型（The Flat-Fan Atomizer Model）转杯雾化喷嘴与压力－旋流雾化喷嘴很类似,只是它形成了液膜层,而不是旋流.液体从宽而薄的喷口出来后形成平面液膜,继而破碎成液滴.一般认为,它的雾化机理与压力－旋流雾化喷嘴类似.一些学者认为转杯雾化喷嘴（由冲击射流雾化而来）的雾化机理与平面液膜的雾化类似.在这种情况下,转杯雾化模型可以应用.只有在三维的情况下才可以使用这个模型.图5是一个转杯的三维示意图.此模型假定扇叶由一个虚点延长而成.用户必需设定虚点的位置,虚点就是扇叶的侧边的延长线的交点.用户还必需设定扇叶的弧边所对应的中心点.为了确定喷射的方向,FLUENT 将由虚点和中心点的位置来确定一个向量.用户还必需设定扇叶弧的半顶角、喷口宽度（垂直方向）以及液体的质量流率.图5平板扇叶喷嘴顶视图与侧视图空气辅助雾化模型为了加速液膜的破碎,喷嘴经常会添加上辅助空气.液体通过喷座的作用形成液膜,空气则直接冲击液膜以加速液膜的破碎.这种雾化被称为空气辅助雾化或气泡（air-blast）迸裂雾化（依赖于空气量及其速度）.通过辅助空气的作用,可以获得更小的雾滴.这种提高雾化质量的作用机制其实不清楚.一般的看法是,辅助空气加剧了液膜的不稳定性.同时,空气有助于液滴的分散,防止液滴间的碰撞.空气雾化喷嘴同压力－旋流雾化喷嘴一样被广泛应用,尤其是用在要求雾化粒径很小的场所.FLUENT 中的空气雾化模型由压力－旋流雾化模型所衍生.有个分歧点是,在空气辅助雾化模型里,用户需要直接设定液膜厚度.因为空气雾化喷嘴的液膜形成机制很多,所以必需要有此设定.这样,在空气辅助雾化喷嘴模型里就没有压力－旋流雾化模型里所具有的液膜形成方程.用户还必需设定液膜与空气间的最年夜速度差.尽管这个量可以计算出来,但设定一个值之后用户就可以不用计算喷嘴的内部流动了.这个特点对年夜区域（喷嘴相对很小）的流动模拟很方便.另一个分歧在于空气辅助雾化模型假定短波是液膜破碎的主要原因.作出这种假定的原因在于,人们发现空气辅助雾化喷嘴中液膜厚度较年夜.因此,液膜破碎成线状液膜的半径与液膜中快速增长波的波长成线性比例关系.其他方面的设定与压力－雾化喷嘴模型的一样.用户必需设定质量流率和喷射角度.液膜离开喷口之后,它的初始轨道沿着设定的喷射角.如果初始液膜的轨道指向中心线,那么,喷射角度为负值.用户还需要设定喷口处液膜的内外半径.空气辅助雾化模型不包括内部气体的流动.在FLUENT 中,用户必需把喷嘴内的空气流动设定为鸿沟条件.空气流动可看作一般的连续相的流动,不需要做特另外处置.图6 空气辅助雾化模型气泡雾化模型气泡雾化喷嘴中,液体中混合了过热液体（相对下游工况）或者类似的介质.当挥发性液体从喷口喷出时,迅速发生相变.相变使流体迅速以很年夜的分散角破碎成小液滴.此模型也适用于热流体射流.由于对气泡雾化的机理不甚清楚,模型必需依赖于实验拟合结果.Reitz [ 189]的摄影图片对此提供了一些基本的认识.图片显示,在气泡雾化时,中心是密相液体核,周围则是小液滴群图7 气泡雾化模型喷嘴雾化过程个人见解1)雾化过程由喷嘴内部流动、低级雾化（油束破碎等）和次级雾化组成.可是目前来说Fluent无法实现喷嘴的全过程模拟.2)Fluent中几个雾化器模型一般实现的是次级雾化（液滴碰撞、蒸发等）模拟,而且不需要构建喷嘴的几何模型.优点：只需要模雾化场,雾化器模型能够根据你设置的喷嘴的尺寸参数和运行参数来计算出计算出雾滴的雾化情况,然后根据你给出的雾化喷嘴的位置和喷射点的位置,将雾滴喷出去.对雾化喷嘴进行简化,确定尺寸和运行参数、喷射点位置,然后就能计算.。
基于Fluent的稠油定向井扶正器流场数值模拟
基于Fluent的稠油定向井扶正器流场数值模拟章敬;程豪;梁程;马兆琳;赵克勤【摘要】@@%扶正器是定向井有杆泵抽油系统必要的井下工具.基于计算流体动力学方法建立了定向井内稠油通过扶正器流动的数学模型.稠油在扶正器周围的环空流动过程中,假设计算流场为定常等温流场,利用三维CFD仿真技术,以FLUENT 软件为数值模拟平台,采用有限体积法离散上述控制方程组.为减少数值扩散,针对流动控制方程的特点,连续性方程、动量方程、湍动能方程和湍动能耗散方程均采用二阶迎风格式离散计算,选用SIMPLE算法进行压力速度耦合.【期刊名称】《油气田地面工程》【年(卷),期】2012(031)011【总页数】2页(P37-38)【关键词】定向井;扶正器;Fluent;数值模拟【作者】章敬;程豪;梁程;马兆琳;赵克勤【作者单位】新疆油田公司开发公司;新疆油田公司开发公司;新疆油田公司开发公司;新疆油田公司公建项目部;新疆油田公司物资管理部【正文语种】中文扶正器是稠油定向井有杆抽油的重要井下工具。
为了尽可能掏空井底，往往将有杆泵下至产层顶部，即有杆泵和相当一部分杆柱处于倾斜段，必须配套使用扶正器。
扶正器生产厂家较多，每口井的扶正器数量极大。
文献调研尚未见到稠油定向井扶正器流场模拟的相关方法。
为此，本文基于计算流体动力学方法建立了定向井内稠油通过扶正器流动的数学模型，通过数值模拟不同井斜角、稠油黏度、流速条件下流场及压力分布，评价分析了不同扶正器的过流性能[1]，对稠油定向井有杆抽油系统设计具有重要的理论价值和现实意义。
1 数值模型1.1 控制方程稠油在扶正器周围的环空流动过程中，假设计算流场为定常等温流场。
对动力黏度为常数的不可压缩黏性流体，在三维直角坐标系下，流场的控制方程为[2]式中ux、uy、uz 为x、y、z 方向的速度分量；ρ 为密度； p 为压力；μ 为动力黏度系数。
假设流场充分发展，对于不可压缩流体，采用标准k-ε 湍流模型对流场进行计算，具体公式如下式中Gb=0；YM =0，在Fluent中，作为系统默认值常数；C1ε=1.44；C2ε=1.92；C3ε=0.09 ；湍动能k 与耗散率ε 的湍流普郎特数分别为σk=1.0，σε=1.3。
基于Fluent软件的旋流池分离效果数值模拟
1)旋流池模拟计算进水水温为 43 ℃,此时水的 密度 ρ= 992. 2 kg /m3 ,动力粘度 μ = 0. 000 632 1 kg / (m ·s) ;离散相氧化铁皮的密度按 3 000 kg /m3 考虑 。
2)对连续相而言 ,在流场近壁区 ,采用双层非平 衡壁面函数法进行处理 ;旋流池中与大气连通的水平 液面处理为自由液面 。
旋流池出水氧化铁皮模拟曲线揭示了不同粒径氧 化铁皮通过水泵入口的逃逸率 。粒径小于 0. 14 mm 的铁皮逃逸率在 55%以上 ; 当粒径大于 0. 14 mm 之 后 ,铁皮逃逸率将急剧下降 ; 0. 2 mm 粒径以上的铁皮 的逃逸率在 10%以下 ;当粒径大于 0. 25 mm 时 ,逃逸 率为 0,这和旋流池沉淀氧化铁皮模拟曲线表达的当 粒径大于 0. 25 mm 时 ,沉淀率达到 100%是完全吻合 的。
在数值模拟计算中 ,主要用到 FLUENT软件中建 立几何结构和网格的 GAMB IT和求解器 FLUENT。 1. 2 FLUENT软件的应用特征
FLUENT软件能应用于多种物理模型 ,如定常和 非定常流动 、牛顿流体和非牛顿流体 、无黏流 、层流及 湍流 、不可压缩和可压缩流动 、对流换热 、两相流等等 。 对每一种物理问题的流动特点 ,有与其相应的数值解 法 ,用户可对显式或隐式差分格式进行选择 ,以期在计 算速度 、稳定性和精度等方面达到最佳 。 1. 3 用 FLUENT软件求解问题的步骤
基于Fluent的井筒环空携屑规律研究
基于Fluent的井筒环空携屑规律研究王馨雪廖震王奕涵马驰杜淼【摘要】在进行大位移钻井时岩屑堆积是影响石油开采的重要因素。
为了预测和防止钻屑床高度的增加,研究钻杆与井筒之间的环形空间的流动规律,特别是哪些关键参数影响钻屑运输是十分必要的。
目前研究其流场的方法通常有理论分析、实验观测和数值模拟3种,其中数值模拟更能接近实际情况且最为直观、方便。
采用计算流体动力学（CFD）对其工作流场进行数值模拟,获得了不同截面的颗粒速度分布,颗粒体积分数分布、速度云图、颗粒的不同截面速度分布,模拟结果显示,转速、液体入口速度、和液体黏度都对井筒内流动有一定的影响。
给出了液固两相流湍流流场的基本特性,研究了不同井筒参数对携岩能力的影响,得到了相关流动规律,为其工程实际应用提供了有效的技术指导。
【期刊名称】《能源与环保》【年(卷),期】2017(039)005【总页数】6页(P217-222)【关键词】环形空间;液固两相流;双流体模型;数值模拟;钻屑输送【作者】王馨雪廖震王奕涵马驰杜淼【作者单位】[1]东北石油大学石油工程学院,黑龙江大庆163318;[2]黑龙江省大庆油田采油四厂二矿,黑龙江大庆163511;[3]辽河油田兴隆台采油厂集输大队,辽宁盘錦124010;[4]辽河油田兴隆台采油厂地质研究所,辽宁盘錦124010【正文语种】中文【中图分类】TE22在钻井工程施工中，泥浆沿钻杆和套管之间的环形空间的流动规律十分重要。
在大位移钻井中一个关键的问题是经由钻井液的钻屑输送机理。
钻屑离开悬浮层的状态并构成床的自然趋势带来了困难。
这种情况是由于在重力作用下岩屑碎片沉积在环形区域的底部[1-3]。
岩屑床的存在增大了钻具扭矩及摩阻，直接影响钻井安全。
实验和数值研究显示，钻屑输送受许多参数影响，如钻杆直径、钻杆的旋转、井的倾斜角、钻井液流变性等[4]。
在大位移钻井中的钻屑输送问题已经被广泛地研究。
多相流体在井筒中呈现出来的流动状态是复杂多变的，只要与之相关的一个参数发生变化，就会导致流动形态发生变化，由于受力不同，导致各相间的动量和能量甚至质量存在交换，也就表现出来不同的多相流体分布[5-7]。
基于Fluent的速度入口管径变化的流场分析
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仪器仪表用户 INSTRUMENTATION
第24卷
位以及冲蚀的程度有比较准确的预测，对今后的管道设计 以及运输的安全维护工作提供重要的参考价值[2]。
1 模型建立
1.1 几何模型的建立 本研究几何模型如图ห้องสมุดไป่ตู้所示，由水平主管和垂直支管构
成。水平主管长度150cm，垂直支管长度50cm，主管距垂 直管底端距离5cm。流体从垂直管流入水平管流出。通常的 模拟研究主要集中于改变介质种类以及入口速度，观察流 体流动情况的改变，本文研究重点考察管径尺寸的改变对 于介质流动的影响以及管道的压力分布。
1.2 网格的划分 利用Gambit来绘制管道图形并划分网格，考虑到网格
收稿日期：2017-06-07 基金项目：2016年天津市自然科学基金项目（17JCYBJC16800）；天津中德应用技术大学科技培育重点项目（zdkt2016-001）；天津中德 应用技术大学自制实验实训设备重点项目（ZDZY2016-03C）。 作者简介：韩思奇（1989-），男，满族，天津人，硕士，助教，主要从事流体力学模拟相关工作。
Han Siqi, Shao Xin, Tan Panlong (Intelligent manufacturing college, Tianjin Sino-German University of Applied Science, Tianjin, 300350, China)
Abstract：The change of pipe diameter can affect the flow condition and the pressure field distribution. Currently, there are few studies in this fluid. Fluent is a generality commercial CFD software which can be applied to the numerical simulation of flow field. Taking on the analysis of turbulence model and empirical equation, the optimum parameter is confirmed. Influence of pipe diameter and temperature on the velocity and pressure field distribution was investigated. The simulation results show that the variation of pipe diameter has significant effect on the maximum velocity and the range of the vertex. At the same time, the velocity increased when the temperature decreased.
基于Fluent的外啮合齿轮泵内部流场仿真分析
Science and Technology &Innovation ┃科技与创新2020年第24期·55·文章编号：2095－6835（2020）24－0055－03基于Fluent 的外啮合齿轮泵内部流场仿真分析＊姚奇，沈仙法，季丰（三江学院机械与电气工程学院，江苏南京210012）摘要：为提高外啮合齿轮泵的使用寿命，减轻齿轮泵的困油和泄漏现象，利用Fluent 软件对外啮合齿轮泵的内部流场进行了仿真，研究了齿轮泵齿侧间隙为0.05mm 、0.1mm 和0.15mm 时对困油压力的影响，分析了转速为1000r/min 、2000r/min 和3000r/min 时齿轮泵内部速度流场分布。
结果表明，齿轮泵的侧向间隙越大，泄漏量越大，容积效率越低；齿轮泵转速越大，内泄漏越大，容积效率越低，流量脉动加大，液场流速增大。
研究成果为外啮合齿轮泵的设计改进提供了技术参考，具有一定的实践意义。
关键词：外啮合齿轮泵；流场；仿真分析；Fluent 中图分类号：TH137.51文献标志码：A DOI ：10.15913/ki.kjycx.2020.24.0181引言外啮合齿轮泵是液压系统的重要动力元件，它因具有结构简单、维修方便、自吸能力强、对油液污染不敏感等优点而广泛应用在冶金、采掘机械、航空航天和深海探测等诸多领域。
但是，同时，它也存在着泄漏、困油和径向不平衡力等缺点。
针对这些缺点，国内外学者对其展开了研究，并取得了一定成果。
李志华等运用数学模型的方法对齿轮泵进行优化设计[1]。
冀宏等使用Fluent 和Pro-E 软件对外啮合齿轮泵的径向力进行了数值计算，比较了卸荷槽改进前后的外啮合齿轮泵径向力后认为合理的卸荷槽设计可以使外啮合齿轮泵的径向力大大降低[2]。
周雄等通过大量的数值计算，求得间隙与泄漏之间的相对应关系，得出最佳的理论间隙[3]。
李金鑫等利用Matlab 软件研究了壳体参数对于泄漏的流量的影响[4]。
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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
·１ ５ ７·
）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
·１ ５ ５·
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
·１ ５ ４·
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
·１ ５ ６·
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 。