叶轮式旋转射流喷嘴的射流特性研究
喷嘴旋转原理
喷嘴旋转原理
1 喷嘴旋转原理
喷嘴是指一种将流体（如水、气体或化学品）喷射成流或雾状的
装置。
在很多行业中都有喷嘴的应用，如农业喷雾、喷涂、消防等等。
而喷嘴的旋转也是其中重要的一种类型，本文将介绍喷嘴旋转的原理
和应用。
2 喷嘴旋转的原理
喷嘴旋转的原理是利用了叶轮在液流或气体流中的运动，从而使
得喷嘴的出液口不断地转动。
通常采用内置式的喷嘴，即将叶轮装入
喷嘴内部。
当液体或气体经过叶轮旋转时，通过喷嘴口喷出的流体也
随着叶轮的旋转而不断改变喷射方向与喷射角度，从而达到旋转喷射
的效果。
3 喷嘴旋转的应用
喷嘴旋转技术在很多行业中都有广泛的应用。
例如，火车的雾化
降温系统中，就需要喷嘴旋转来覆盖整个车厢的范围，从而起到快速、高效冷却的效果。
农业喷雾也需要喷嘴旋转技术，可以降低液体的逐
层沉积，增加灌溉范围的均匀度。
此外，喷涂喷漆时，也会使用喷嘴旋转技术，通过喷嘴不断转动
的叶轮将漆液分布均匀地喷射出去，避免了喷漆时出现的厚度不均匀、流挂等问题，从而提高了喷涂的效果和质量。
4 总结
喷嘴旋转技术是一种效果显著的技术，通过利用叶轮在液流或气体流中的运动，使得喷嘴不断旋转，起到了覆盖面积广、均匀喷射、高效率的效果。
在涂装、农业、消防等行业中都有着广泛的应用和推广。
一种旋流式喷嘴的实验和数值研究_王国辉
一种旋流式喷嘴的实验和数值研究Ξ王国辉,蔡体敏,何国强,胡春波(西北工业大学航天工程学院,陕西西安710072) 摘 要:对一种小尺寸复杂结构的旋流式喷嘴进行了实验和数值研究。
实验研究中确定了喷嘴前后压差与流量间的对应关系。
数值研究中应用VOF方法对喷嘴内三维气液两相流动进行了计算,并与实验结果做了比较,二者吻合较好。
而后应用该算法对喷嘴在不同结构尺寸下的流动过程进行了计算,对比分析后发现:旋流室及旋流器的结构和尺寸均会对喷嘴出口速度产生影响,但只有旋流器螺旋升角和槽道数目才会对喷嘴雾化角产生显著影响。
关键词:喷嘴;雾化;二相流;数值计算;实验中图分类号:V233122 文献标识码:A 文章编号:100124055(2003)0120028205Experimental and numerical investigation of a swirl atomizerW ANG G uo2hui,C AI T i2min,HE G uo2qiang,H U Chun2bo(C oll.of Astronautics,N orthwestern P olytechnical Univ.,X i’an710072,China)Abstract: Experimental and numerical study on a small s wirl atomizer with com plex structure was conducted.In the experi2 mental research,the relationship between pressure difference of atomizer and mass flow rate was decided.In numerical research,32 D gas2liquid flow in the atomizer was calculated em ploying VOF method,which was validated by the experimental data with g ood agreement each other.Then,with this methodology,flow process in the atomizer with different structure and dimension was simulat2 ed.A fter analysis about these numerical results,it was found that:the atomizer exit velocity can be affected by both the structure and dimension of s wirl2chamber and s wirler,and the atomization angle mainly decided by the screw rise angle and the number of the s wirl2 er grooves.K ey w ords: Injector;T w o phase flow;Atomization;Numerical calculation;Experimentation1 引 言在诸多种类的喷嘴中,旋流式喷嘴几何尺寸相对较小,内部形状复杂,使用中可望获得尽量大的雾化角、尽量小的雾化粒径和尽量均匀的雾化度。
喷水织机喷嘴口射流速度的理论研究
喷水织机喷嘴口射流速度的理论研究李克让宁波服装职业技术学院 宁波陈明东华大学机械学院摘要 建立喷水织机引纬系统的力学模型和计算方法 通过对喷水织机喷水动力学的研究 首次在考虑双臂杠杆套件的转动惯量和水流阻力损失的情况下 得出了计算喷嘴口出流速度的理论公式∀关键词 喷水织机喷水引纬射流速度动力学理论研究中图法分类号 ×≥ 1 1 文献标识码喷水织机采用喷水引纬机构 其性能的优劣决定了整台织机的档次∀喷水引纬织造时 纬纱是依靠高速水射流牵引的 因此水射流的运动规律是非常重要的 而水射流的运动规律又取决于喷嘴出水口的水射流速度∀由此可见 喷射水流的出流速度是分析喷水织机上水射流的运动规律和纬纱飞行的出发点和关键∀研究喷水系统动力学 有助于探索主要引纬机构参数对水射流的出流速度的影响及其相互关系 并通过引纬机构参数的优化组合来达到改善喷射水流的性能 并提高水射流的速度和水射流对纬纱的牵引力 以实现提高喷水织机入纬率和适当扩大喷水织机织造幅宽的目的∀1喷水装置喷水装置如图 所示≈ ∀柱塞 的运动是受凸轮 和弹簧 相配合的作用所控制的∀当凸轮从小半径转向大半径时 通过双臂摆杆 的作用带动柱塞向左运动 同时通过衬套使弹簧 压缩∀另一方面又在水泵内腔 形成一负压使出水单向阀 关闭 将水从进水单向阀 .及进水口 引入∀当凸轮从最大半径突然降至最小半径时 由于弹簧的作用通过衬套使柱塞迅速向右 带动双臂杆做逆时针方向转动∀在柱塞随弹簧力的作用而向右时水压将进凸轮 弹簧 柱塞 . 单向阀 水泵内腔进水口 锁紧螺母 滚花螺母 支头螺钉双臂摆杆 衬套图1喷水装置示意图水单向阀 .封闭 同时将水从内腔压出 使水流经喷嘴而喷出∀调节弹簧左端的滚花螺母 及锁紧螺母 可调节压水弹簧压力的大小∀调节支头螺钉 可以调节柱塞向右的最大位移以调节每次压出水量的多少∀2喷嘴出口喷水速度的计算在以下理论分析中 假设水流为理想流体 不可压缩 其在水泵内!输水管内及喷嘴内的流动为层流 假设喷嘴出水口可以等效看作一圆孔形状出口∀##纺织学报第 卷第 期= >经简化的柱塞喷射装置示意图或受力模型如图 该模型第一次考虑了输水管 泵与喷嘴之间的连通管 的作用长度λ 以及管内各种作用阻力损失 包括摩擦阻力及局部阻力2η∀下面以该模型来推导喷嘴出口处喷水速度≈ ∀参数定义如下µ为柱塞组件集中在柱塞处的质量 包括柱塞!套筒!短杆!三分之一弹簧以及双臂杠杆的相当质量 γ为重力加速度 τ为时间 Θω为水的密度∀图 中 柱塞!喷嘴入口及喷嘴出口面积分别为σ σ σ 其相应的流速为ϖ ϖ ϖ 则σϖ σ ϖ Χσ ϖ Χ为流量系数一般在 ∗ 1 之间∀图2 喷射系统示意图在柱塞内!管道及喷嘴内以及喷嘴出口处压力分别为π!π π 若柱塞缸内腔长近似为ξ 当柱塞位移ξ后内腔长ξ ξ 铜管长λ 此时π π π 其压力差可用功能原理求出 即柱塞压力做的功等于缸内!管内水的功能和喷出水的动能的总和∀若计及管内阻力损失 并考虑到Χσ ϖ δτ σϖδτ σδξ则π πΘωξ ξ σσ λ ϖδϖδξϖσσ Χ2ηγ式 中有阻力损失项2ηγ∀若设ϖ为常数则ϖσϖΠΧσπ π ΠΘω 2ηγΧ σ Πσ如把柱塞组件作为分离体加以考虑则在柱塞右行喷射过程中受到弹簧作用力πσ其值应等于柱塞上水的压力πη 摩擦阻力πφ 以及惯性力πι之和∀πσ πη πφ πι鉴于πσ κ ξ ξ πη σπ πι µδξδτ并设作用力与压力!阻力!惯性力方向一致 则式 可转为 µδξδτκ ξ ξ σπ πφ因为δξδτδϖδξ 故令ψ ϖ考虑 式则得 Κξδϖδξαψ β θξ式中 Κ σΘωλµσ θκµα σΘωµσΧ σβµκξ σπ σΘωξ σΘω2ηγ πφ 求解得ψβ θΠΚα θ ΚξΚ Κ αχ Κξ αΚ上式 中χ是积分常数根据柱塞右行的起始条件 ξ ϖ ψ ϖ求出χθ θ α ΠΚ β Κ αα Κ α则喷嘴出口喷水速度ϖσΧσβ θΠΚα θΚξΚ Κ αχ Κξ αΚ3 理论分析的测试论证由于喷嘴口处的喷水速度对时间的关系不易测试 为此利用喷嘴口前管道内的水压来进行验证 而水压变化的测试过程如图 所示∀图3 喷水压力测试方框图通过实际测试得到的压力变化如图 曲线 为根据理论计算的压力变化曲线 曲线 为以测试数据拟合获得的压力变化曲线≈ 3号点为测试获得压力数据值∀通过曲线 和曲线 的比较 表明理论计算分析和实际是符合的∀图4 实测和理论计算压力比较在喷水织机上 喷水速度在开始喷射的很短时间内上升得很快 因此在水流突然转向的某些局部将发生水锤现象 不过由于是间接水锤 所以水锤并# #= >纺织学报 第 卷 第 期不严重 图中曲线 的后端压力下降即由水锤现象造成的∀4讨论由于采用了假设条件及泵内弹簧作为刚体考虑 喷嘴出水口射流速度的理论计算值与实际测试值之间尚存在微小差距 为此喷嘴出水口射流速度的理论计算有待于进一步完善∀5结论通过建立喷水织机引纬系统的力学模型和计算方法 首次考虑了双臂杠杆套件的转动惯量和水流阻力损失 得出了计算喷嘴口出流速度的理论公式∀该理论研究在分析喷水机构各项参数对出流速度的影响方面 在优化喷水参数及进一步提高射流的稳定性!提高喷水引纬的速度和适当扩大织幅方面具有一定的参考价值∀参考文献陈明 新型织机 上海 中国纺织大学出版社 ∗张光顺等 流体力学 北京 清华大学出版社 ∗张宜华 精通 × 北京 清华大学出版社 ∗。
2004 _旋转型气_液雾化喷嘴_流量特性的实验研究_龚景松
力差 , Pa 。
此时流量系数可以表达为 :
Cl = πrp2
Ql
2ρlΔPl
(2)
喷嘴出口达到声速时 , 雾化气体的流量用等熵
流动条件下的流量公式表达为[2] :
2
Qg = Cg f p
2K K+1
2 K+1
K- 1 Pgρg
(3)
其中 : Qg —雾化空气的流量 , kg/ s ; Cg —气体的流量
图 2 实验系统图
3 流量系数的表达式
液体的流量可以表示为如下的关系[2] :
Ql = Cl f p 2ρlΔPl
(1)
其中 : Ql — 液 体 的 流 量 ,kg/ s ; Cl — 液 体 的 流 量 系
数 ; f p —喷嘴出口面积 ,m2 , f p = πrp2 ;ρl —被测液体
的密度 , kg/ m3 ;ΔPl —被测液体在喷嘴进出口的压
混合液体 ,具体的物理性质见表 1 。同时由于液体粘 性改变 ,需要对流量计的读数进行重新标定 。
表 1 甘油水溶液的粘性与密度
编号
粘度 / mPa. s
恩氏粘度 (°E) 密度 / kg ·m- 3
1
59. 75
6. 63
旋转空化喷嘴结构优化设计及涡旋特性分析
第 54 卷第 4 期2023 年 4 月中南大学学报(自然科学版)Journal of Central South University (Science and Technology)V ol.54 No.4Apr. 2023旋转空化喷嘴结构优化设计及涡旋特性分析武晓亚1，张逸群2, 3，赵帅2，李根生1, 3(1. 中国石油大学(北京) 石油工程学院，北京，102249；2. 中国石油大学(北京) 安全与海洋工程学院，北京，102249；3. 中国石油大学(北京) 天然气水合物国家重点实验室，北京，102249)摘要：为提升高压水射流破碎开采天然气水合物的效率，优化设计一种旋转空化射流喷嘴。
利用计算流体力学方法探究不同叶轮数、叶轮加旋角度、入口速度和出口围压对旋转空化射流特性的影响规律，对比分析旋转空化射流和收缩−扩张型空化射流的流场分布规律、涡旋特性及天然气水合物沉积物的破碎特征。
研究结果表明：叶轮加旋角度对旋转空化射流的影响明显比叶轮数的影响大，叶轮数及叶轮加旋角度的优化值分别为3个和360°；在喷嘴结构固定的情况下，提高入口速度能获得空蚀及射流冲蚀能力更强的旋转空化射流，而围压升高则会弱化流场中空化云的初生与发展；旋转空化射流因兼具正向冲击、径向张力及周向剪力和“梭形”空化云特点，较收缩−扩张型空化射流有更优的破岩效果；叶轮旋转效应所产生的中心涡使得旋转空化射流的涡结构更加复杂，流场中更易形成“负压”区以提升射流的空蚀能力。
关键词：旋转空化射流；天然气水合物；射流冲蚀；分离涡模拟；涡旋；数值模拟中图分类号：TE52 文献标志码：A 文章编号：1672-7207（2023）04-1500-18Optimization design and vortex characteristics analysis ofswirling cavitating nozzleWU Xiaoya 1, ZHANG Yiqun 2, 3, ZHAO Shuai 2, LI Gensheng 1, 3(1. College of Petroleum Engineering, China University of Petroleum-Beijing, Beijing 102249, China;2. College of Safety and Ocean Engineering, China University of Petroleum-Beijing, Beijing 102249 China;3. State Key Laboratory of Natural Gas Hydrate, China University of Petroleum-Beijing, Beijing 102249, China)Abstract: In order to improve the efficiency of waterjet breaking and extracting natural gas hydrate(NGH), a swirling cavitating jet nozzle was designed. The effects of number and angle of impellers, inlet velocity and outlet confining pressure on the characteristics of swirling cavitating jet were investigated based on computational fluid dynamics(CFD). The flow field and vortex characteristics of swirling cavitating jet and convergent-divergent cavitating jet were compared and analyzed. The results show that the influence of impeller angle on swirling收稿日期： 2022 −06 −13； 修回日期： 2022 −07 −30基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(51827804，52174009，U20B6005) (Projects(51827804, 52174009,U20B6005) supported by the National Natural Science Foundation of China)通信作者：张逸群，博士，教授，从事高压射流完井增产理论与技术研究；E-mail ：***************.cnDOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2023.04.027引用格式： 武晓亚, 张逸群, 赵帅, 等. 旋转空化喷嘴结构优化设计及涡旋特性分析[J]. 中南大学学报(自然科学版), 2023, 54(4): 1500−1517.Citation: WU Xiaoya, ZHANG Yiqun, ZHAO Shuai, et al. Optimization design and vortex characteristics analysis of swirling cavitating nozzle[J]. Journal of Central South University(Science and Technology), 2023, 54(4): 1500−1517.第 4 期武晓亚，等：旋转空化喷嘴结构优化设计及涡旋特性分析cavitating jet is stronger than that of the number of impellers, and the optimization values of the number and angle of impellers are 3 and 360°, respectively. Under the condition of constant nozzle structure parameters, the swirling cavitating jet with stronger cavitation and jet erosion ability can be obtained by increasing the inlet velocity, while the increase of confining pressure will weaken the initiation and development of cavitation cloud in the flow field.With the characteristics of forward impact, radial tension, circumferential shear and "shuttle" cavitation cloud, the swirling cavitating jet has better rock breaking effect than the convergent-divergent cavitating jet. The cooperation of central vortex developed by impeller swirling effect makes the vortex structure of swirling cavitating jet more abundant, and the "negative pressure" area is easier to form in the flow field to improve the cavitation erosion capacity of the jet.Key words: swirling cavitating jet; gas hydrate; jet erosion; detached eddy simulation; vortex; numerical simulation天然气水合物是由天然气和水分子在高压低温条件下生成的似冰状结晶化合物，具有能量密度高、储量丰富、环保无污染等特点[1−3]。
旋转射流研究新进展
在旋转射流测量和添加剂研究方面 ,文献 [ 2 ] 研究了单丝斜热线探针多方位旋转测量技术的数据 后处理方法 。针对射流流场的速度特征及单丝斜热 线对垂直支杆来流的响应特性 ,提出了测量数据优
化处理方法 。文献 [ 8 ]在清水旋转射液研究的基础 上 ,研究了高分子聚合物添加剂对旋转射流结构特 性及破岩效率的影响规律 。试验结果表明 ,高分子 添加剂对旋转射流的基本结构影响不大 ,只是加快 了射流的衰减速度 ,增大了流的截面积 ,在合适的浓 度范围内 ,高分子添加剂可以提高射流的破岩能力 。 文献 [ 9 ]研究了叶轮导引射流喷嘴内部流场的流动 特性 ,编制了流体的三维有限元数值模拟软件 ,介绍 了此软件的编制原理及其构成 ,并通过对一实例的 计算 ,揭示了喷嘴内流动的一些特点 。
旋转射流喷头内部流体速度的研究
旋转射流喷头内部流体速度的研究刘力红【摘要】采用非标准螺旋形的加旋元件,形成加旋喷头,使喷出的射流在旋转过程中向外扩散,达到内壁清洗和钻孔的目的.加旋喷头分为圆管进液段、流槽加旋段以及锥形收缩段.文中对其流槽加旋段及锥形收缩段内流体的速度函数关系进行了探讨,得出了相应的函数关系表达式.结果表明:液体在流槽加旋段内的运动,可视为一元轴对称螺旋流动,在锥形收缩段内流体的运动可视为二元轴对称螺旋流动.【期刊名称】《管道技术与设备》【年(卷),期】2010(000)004【总页数】3页(P49-50,54)【关键词】旋转射流;加旋喷头;螺旋流动;速度函数【作者】刘力红【作者单位】安徽理工大学机械工程学院,安徽淮南,232001【正文语种】中文【中图分类】TP273普通的冰粒射流和磨料射流可用于表面清洗作业[1-3]，但一般用于外表面的清洗。
而旋转射流则是一种可用于内表面(如管道内壁清洗)的射流。
普通的射流出射后只有纵向速度，若能使射流在喷射时旋转起来，这样出射后不仅有纵向速度，而且有径向和切向速度，即形成旋转射流。
旋转射流区别于普通射流的一个重要参数为旋度，即射流出口最大切向速度和最大纵向速度之比，旋度越大，切向速度越大，纵向速度衰减得越快。
因此可以利用旋转射流的这一特性进行管道内壁的清洗作业或者钻孔[4]。
旋转射流的形成一般都需要采用一定的加旋措施，加旋方法主要有两大类：一类是机械方法使喷头旋转，缺点是会带来难以解决的旋转密封问题；另一类是利用流体动力学方法，主要有切向注入法和加旋元件法，切向注入法是通过改变切向注入与轴向进入喷嘴内的流体比例来调节旋度，缺点是流体比例不易控制，加旋元件法是在喷头体内安装一强制使流体旋转的元件，此法易于实现，但要配备参数不同的加旋元件以满足不同旋度的要求。
文中采用加旋元件法，在喷头体内安装开有非标准螺旋槽的加旋元件，形成如图1所示的加旋喷头。
加旋喷头由加旋元件、喷头体、喷嘴压帽和喷嘴等组合而成，分为三段。
压力旋流喷嘴射流稳定性的实验研究
第32卷第3期高校化学工程学报No.3 V ol.32 2018 年 6 月 Journal of Chemical Engineering of Chinese Universities June 2018 文章编号：1003-9015(2018)03-0552-10压力旋流喷嘴射流稳定性的实验研究阎凯1, 2, 宁智1, 赵晋1, 吕明1, 孙春华1(1. 北京交通大学机械与电子控制工程学院, 北京100044;2. 中国科学院电工研究所，北京 100190)摘要：压力旋流喷嘴射流稳定性对射流的破碎雾化具有重要作用。
搭建了压力旋流喷嘴射流稳定性实验平台，在此基础上进行了压力旋流喷嘴射流稳定性实验研究。
通过激光衍射方法获取射流振荡频率信息，并以射流振荡频率表征射流的稳定性；利用高速摄影方法采集射流图像并分析射流破碎长度、锥角等形态参数的变化规律。
研究结果表明，射流形态与射流流量、射流液体物性以及射流喷嘴内径密切相关；射流振荡频率分别与射流流量和射流液体黏度成近似线性关系；喷嘴出口内径与射流振荡频率之间的关系则比较复杂，相同流量时出口内径较小喷嘴的射流振荡频率大于出口内径较大喷嘴，流量超过一定值后，不同出口内径喷嘴的射流振荡频率趋于一致。
关键词：压力旋流喷嘴；射流稳定性；实验；射流振荡频率；射流破碎长度；射流锥角中图分类号：TK42 文献标识码：A DOI：10.3969/j.issn.1003-9015.2018.03.009Experimental Study on Jet Stability of Pressure Swirling AtomizerYAN Kai1,2, NING Zhi1, ZHAO Jin1, LÜ Ming1, SUN Chun-hua1(1. School of Mechanical, Electronic and Control Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China;2. Institute of Electrical Engineering, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China)Abstract: Jet stability of pressure swirling atomizer plays an important role in jet breakup and atomization. An experimental platform for jet stability study of pressure swirling atomizer was established. Jet oscillation frequency as an indication of jet stability was obtained by laser diffraction, and jet breakup length and cone angles were obtained by a high-speed camera. The results show that characteristics of liquid jet are closely related to liquid flow rates, liquid viscosities and atomizer exit inner diameters. The jet oscillation frequency is approximately linear with flow rate and jet viscosity, while the relationship between atomizer exit inner diameter and jet oscillation frequency is more complex. The jet oscillation frequency of small atomizer exit inner diameter is greater than that of large ones under same flow rates, and the oscillation frequencies converge when the flow rate is over certain limits.Key words: pressure swirling atomizer; jet stability; experiment; jet oscillation frequency; jet breakup length; jet cone angle1 前言压力旋流喷嘴具有结构简单、雾化效果好、不易堵塞、所需泵端压力低等优点，被广泛应用于各种化工喷射系统中[1]。
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叶轮式旋转射流喷嘴的射流特性研究牛似成;王翔;杨永印【摘要】为提高PDC钻头钻进水平段时的并底射流辅助破岩能力,开展了叶轮式旋转射流喷嘴的射流特性研究.利用k-ε双方程标准湍流模型,对叶轮式旋转射流流场进行了数值模拟,并采用旋流强度和流量系数评价了射流破岩能力.数值模拟结果表明,叶片扭曲角为115°～140°、直柱段无因次长度为0.6～0.8、收缩角为60°～70°时,流量系数和旋流强度可取得最佳值,射流破岩能力最强.根据不同喷距下的旋转射流破岩试验结果,分析了叶轮式旋转射流喷嘴的破岩特性,结果表明,同压降下叶轮式旋转射流破岩直径是普通直射流的近3倍,且喷距在7～11倍喷嘴出口直径时破岩直径最大.研究结果表明,叶轮式旋转射流喷嘴的破岩能力优于普通直射流喷嘴,且通过优化叶轮式旋转射流喷嘴几何参数可提高其破岩能力,加强井底清岩和辅助破岩效果,提高PDC钻头的破岩效率.【期刊名称】《石油钻探技术》【年(卷),期】2013(041)006【总页数】5页(P110-114)【关键词】喷嘴;旋转射流;旋流强度;流量系数;数值模拟;几何模型;破岩效率【作者】牛似成;王翔;杨永印【作者单位】中国石化华北分公司工程技术研究院,河南郑州450006;中国石化华北分公司工程技术研究院,河南郑州450006;中国石油大学(华东)石油工程学院,山东东营257061【正文语种】中文【中图分类】TE248水平井水平段钻进速度一般比较低，而水力射流辅助破岩钻进技术是提高钻井速度的有效途径之一[1］。
目前，采用PDC钻头钻进水平段时采用普通直射流清洗井底，清岩和辅助破岩能力有限，极大地限制了钻速的提高。
理论和试验研究表明[2-5］，旋转射流具有较强的切向速度和径向速度，在大幅增加清洗面积的同时提高了破岩能力，能够提高钻井速度。
目前，国内外很多学者对旋转射流进行了研究，对旋转射流特性的了解也较为深入，但很少用来改进PDC钻头的井底流场[6-8］。
为此，基于叶轮式旋转射流喷嘴，参照PDC钻头喷嘴的特点[10-13］，通过优化喷嘴几何参数改进了射流流场。
1 叶轮式旋转射流流场数值模拟叶轮式旋转射流喷嘴主要由喷嘴外壳和叶轮构成，流体进入喷嘴后，沿螺旋叶片流动具有了切向速度和径向速度，经收缩段和直柱段射出时，形成旋转射流。
叶轮式旋转射流喷嘴独特的几何结构是产生旋流的根本原因，利用数值模拟软件对其主要几何参数进行了研究，用旋流强度和流量系数来表征射流特性，并用其评价流场优劣。
1.1 旋流强度和流量系数旋流强度是表征流场旋转程度的量。
旋流强度越大，则流场的旋转程度越强，射出的流体对岩石的横向剪切作用越明显。
射流的旋流强度，以喷嘴出口处为基准，通过计算该处横截面的最大切向速度和轴向速度获得[4］：式中：S为旋流强度；Wmax为最大切向速度，m／s；Umax为最大轴向速度，m／s。
流量系数作为钻井水力参数设计中的一个重要参数，能够综合反映流体通过喷嘴时所受阻力的大小。
在喷嘴出口处雷诺数超过某一临界值时，流量系数主要与喷嘴流道的形状和流体黏性有关[1］。
将数值模拟中设定的喷嘴压降和喷嘴出口平均轴向速度，代入式（2），可计算出流量系数。
式中：Qa为实际流量，L／s；Qt为理论流量，L／s；Ua为喷嘴出口处的实际平均轴向速度，m／s；Ut为喷嘴出口处的理论平均轴向速度，m／s；Δp为喷嘴压降，Pa；C为喷嘴流量系数；ρ为流体密度，kg／m3。
1.2 几何模型及求解模型1.2.1 几何模型的建立图1所示为叶轮式旋转射流喷嘴结构。
图中，d为喷嘴出口直径，S为直柱段长度，α为收缩角，L为喷嘴整体长度。
叶片扭曲角φ为叶片上边沿水平面投影为始边顺时针旋转至下边沿水平投影所转过的角度。
根据叶轮式旋转射流喷嘴结构建立几何模型，如图2所示。
图1 叶轮式旋转射流喷嘴结构Fig.1 Structure of impeller nozzle图2 喷嘴和叶轮几何模型Fig.2 Geometric model of nozzle and impeller1.2.2 求解模型的确定1）叶轮式旋转射流的流场较为复杂，采用六面体和四面体2种网格结构来划分流场区域，并在出口进行局部加密[14］。
2）采用k-ε双方程标准湍流模型，该模型包含连续性方程、动量方程和k-ε方程。
3）计算条件：长度单位为mm，压力单位为Pa；流体为液态水，其流动为定常流动，流动速度为绝对速度；采用三维分离式求解器求解，采用隐式方案对控制方程进行线性化。
4）边界条件：入口压力为20MPa，出口压力为10MPa；其他边界采用 Wall边界设置，无滑移、无穿透。
1.3 数值模拟结果及分析1.3.1 叶片扭曲角对射流特性的影响流体在喷嘴中沿叶片流动，才具有了切向速度和径向速度，因此叶片扭曲角对喷嘴产生旋流作用。
模拟喷嘴压降10MPa，直柱段长度6mm，收缩角60°，喷嘴出口直径6mm，叶片扭曲角分别为65°、90°、115°、140°、150°、180°、210°、230°、250°和270°时喷嘴出口处流速。
利用喷嘴出口速度（轴向速度和切向速度）计算出实际流量，再利用式（1）和式（2）计算出旋流强度和流量系数，绘制出旋流强度和流量系数随叶片扭曲角的变化曲线（见图3）。
图3 流量系数、旋流强度与叶片扭曲角的关系曲线Fig.3 Effect of twist angle of blades on discharge coefficient and swirling intensity由图3可知，随着叶片扭曲角增大，旋流强度逐渐增大，流量系数减小，且叶轮式旋转射流喷嘴的流量系数低于普通锥形喷嘴（一般为0.95）。
这是因为，叶片扭曲角增大，流体在喷嘴内沿叶片的流动长度增加，切向速度和径向速度相应增大，流动阻力也增大，流量系数必然减小。
综合考虑叶片扭曲角对旋流强度和流量系数的影响，选择叶片扭曲角为115°～140°。
1.3.2 喷嘴直柱段长度对射流特性的影响模拟喷嘴压降10MPa，收缩角60°，喷嘴出口直径6.0mm，叶片扭曲角210°（效果更明显），直柱段长度分别为3.0，4.5，6.0，7.5，9.0和12.0mm 时的速度场。
根据速度场计算出实际流量，再利用式（1）和式（2）计算出旋流强度和流量系数，绘制出旋流强度和流量系数随直柱段无因次长度的变化曲线（见图4）。
其中，直柱段无因次长度为直柱段长度与直径的比。
由图4可知，随着喷嘴直柱段无因次长度的增加，旋流强度先增大后减小，流量系数的减小幅度不大，喷嘴直柱段无因次长度的最佳值为0.6～0.8。
1.3.3 收缩角对射流特性的影响图4 流量系数、旋流强度与直柱段无因次长度的关系曲线Fig.4 Effect of straight tube section on discharge coefficient and swirling intensity模拟喷嘴压降10MPa，喷嘴出口直径6.0mm，叶片扭曲角210°（效果更明显），直柱段长6.0mm，收缩角分别为50°、55°、60°、65°、70°、75°、80°时的速度场，再根据前面的公式计算出旋流强度和流量系数，绘制出旋流强度和流量系数与收缩角的关系曲线（见图5）。
图5 流量系数、旋流强度与收缩角的关系曲线Fig.5 Effect of nozzle convergence angle on discharge coefficient and swirling intensity由图5可知，随着收缩角的增大，旋流强度先减小后增大，流量系数先增大后减小，但收缩角对旋流强度和流量系数的影响很有限。
在旋流强度变化不大的情况下，以流量系数作为优选依据，收缩角在60°～70°时流量系数有最大值。
2 叶轮式旋转射流破岩试验叶轮式旋转射流在井底的辅助破岩和清岩能力很难通过室内试验直接反映出来，可采用室内软岩样破岩试验来间接反映，以破碎坑直径和深度为标准，评价叶轮式旋转射流辅助破岩和清岩的能力[7-8］。
根据数值模拟结果得到的叶轮式旋转射流喷嘴几何尺寸，加工喷嘴外壳和叶轮。
2.1 射流对比试验图6为叶轮式喷嘴射流（旋转射流）和普通直射流的射流形态示意图。
从图6可以看出，旋转射流的扩展角度明显大于普通直射流。
图6 普通直射流与旋转射流的扩展角度Fig.6 Extended angle of swirling jetand conventional straight jet采用自制水泥岩样，在相同喷嘴压降和喷距下进行破岩对比试验，破岩效果如图7所示。
从图7可以看出，旋转射流的破岩直径是普通直射流的近3倍，破岩深度则小于普通直射流。
这是因为，相同喷嘴压降和喷距下，旋转射流使射流轴线上的冲击力减弱，但大大增加了射流的冲洗面积。
PDC钻头钻进过程中，旋转射流的清洗范围和切向速度较大，能起到很好的辅助破岩和清除岩屑的作用。
图7 普通直射流与叶轮式旋转射流的破岩效果Fig.7 Rock breaking effect of conventional jet and vane type swirling jet2.2 叶轮式旋转射流破岩特性淹没条件下，通过室内破岩试验研究叶轮式旋转射流喷嘴的破岩特性。
不同喷距（岩样与喷嘴出口之间的距离）下破岩直径和深度反映叶轮式旋转射流的破岩特性，可以间接验证数值模拟得到的速度分布特点。
考虑到喷嘴直径的影响，以无因次喷距表征速度场空间分布，无因次喷距为实际喷距与喷嘴直径的比。
图8为破岩直径和深度与无因次喷距的关系曲线。
图8 破岩直径、破岩深度与无因次喷距的关系曲线Fig.8 Effect of standoff distance on rock breaking diameter and depth由图8可知，随着无因次喷距的增大，破岩深度迅速减小，破岩直径先增大后减小，最大破岩直径出现在7～11倍喷嘴出口直径之间。
淹没条件下，射流射出喷嘴出口后，轴心线速度迅速衰减，导致破岩深度迅速减小；破岩直径受到切向速度和径向速度的影响，开始射流速度的衰减不明显，破岩直径减小幅度较小，随着速度衰减至无法破碎岩样，破岩直径必然减小。
3 应用分析水平井实钻过程中，由于水平段长、摩阻大，无法施加足够的钻压，大大限制了机械钻速。
统计某油田水平井直井段、定向段、水平段所用钻井参数发现，水平段的钻头压降、喷射速度等参数明显低于直井段和定向段。