（油气井工程专业论文）围压下自激振荡射流空化初生能力和冲蚀特性研究.pdf

a s t u d y0 1 1s e l f - r e s o n a t i n gj e te n h a n c i n gc a v i t a t i o ne f f e c ta n d e r o s i o na b i l i t yu n d e ra m b i e n t p r e s s u r e a b s t r a c t c a v i t a t i n gw a t e rj e ti san e w t y p ej e tw i t hg r e a tp o t e n t i a le f f i c i e n c y i tc a r lo b v i o u s l y i m p r o v ee f f i c i e n c i e so f j e tc l e a n i n g , c u t t i n g ，d r i l l i n ge f f e c t sa n de n h a n c i n go i lr e c o v e r yb y m a k i n g g o o du s eo fs t r o n gd e s t r u c t i o na n dv i b r a t i o nn o i s eo fc a v i t a t i n gb u b b l e sc o l l a p s e d b ys y s t e m a t i ct h e o r e t i c a la n a l y s i s ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t ，t h i sd i s s e r t a t i o n p r e s e n t st h es t l l d yo ni n c 印t i o na b i l i t yo fs e l f - r e s o n a t i n gn o z z l e ，n o i s ec h a r a c t e r i s t i c so f s e l f - r e s o n a t i n gc a v i t a t i n gj e t ，e r o s i o na b i l i t y , a n di m p r o v i n gp o l l u t e dr o c kp e r m e a b i l i t y u n d e ra m b i e n tp r e s s u r e m e a n w h i l e ，t e s ta n d a n a l y s i s o nf i e l d a p p l i c a t i o n o f s e l f - r e s o n a t i n gc a v i t a t i n gj e tf o ri m p r o v i n gd r i l l i n gr a t ea n dp o l l u t e dr o c kp e r m e a b i l i t yh a s b e e np e r f o r m e d f u r t h e rt h e o r e t i c a li n v e s t i g a t i o no ft h ef l u i df l o wi ns e l f - r e s o n a t o ri sg i v e nb a s e do n t h ep r e v i o u sa n a l y s i sa c c o r d i n gt ot r a n s i e n tf l u i dt h e o r ya n dh y d r o a c o u s t i c s i tm a yb e c o n c l u d e dt h a ts e l f - r e s o n a t i n gn o z z l ec a l le n l a r g ed i s t a n c eo f e d d yl o o pa n dm i n i s hr a d i oo f v a c u o l eu n d e rt h ei n f l u e n c eo fs o u n dp r e s s u r e t h er e s u l t s ，o nc a v i t a t i o ni n c e p t i o na b i l i t i e s o fc o n e s h a p e dn o z z l ea n ds e l f - r e s o n a t i n gc a v i t a t i n gn o z z l ea n dn o i s ec h a r a c t e r i s t i c so f s e l f - r e s o n a t i n gc a v i t a t i n gj c tu n d e rv ；l r l o u sa m b i e n tp r e s s u r e ，s h o wt h a tt h en o i s eo f s e l f - r e s o n a t i n gc a v i t a t i n gj e th a sa no b v i o u sf l u c t u a t i o nu n d e rl o wa m b i e n tp r e s s u r e sa n da d e c r e a s i n gf l u c t u a t i o nw i t hi n c r e m e n t a la m b i e n tp r e s s u r e a l s o ，t h el a bi n v e s t i g a t i o n d e m o n s t r a t e st h a th i 曲e l i n c e p t i o nc a v i t a t i o nn u m b e ra n ds t r o n g e rc a v i t a t i o ne f f e c tu n d e r l l i g h e ra m b i e n tp r e s s u r ec a l lb ea c h i e v e du n d e rh i g h e ra m b i e n tp r e s s u r ew i t hs e l f - r e s o n a n t c a v i t a t i n gn o z z l et h a nt h ec o n v e n t i o n a lc o n e - s h a p e dn o z z l e ，a n dt h ee n h a n c e di n c e p t i o n c a v i t a t i o nn u m b e rc a nb ea sh j 曲a s1 6 7w h i l et h a to f c o n e s h a p en o z z l ei su s u a l l yu pt o o 5 4a st h eh i g h e s t n u m e r i c a ls t u d yo fc a v i t a t i o ne r o s i o no fac a v i t a t i n gb u b b l eo nar i g i dw a l li sm a d e f r o mt h er e s u l t s ，i ti sf o u n dt h a td i f f e r e n tb u b b l ep o s i t i o n si nt h ef l u i df i e l dn o t o n l y i n f l u e n c et h ef o r mo fb u b b l ec o l l a p s eb u ta l s ov o l u m eo fb u b b l e ，t h et i m e ，t h em a x i m a l p r e s s u r ea n ds p e e do f m i c r o - j e t so f b u b b l ec o l l a p s ep r o d u c i n g c o m p a r i n gw i t hh i g h - s p e e d m i c r o - j e t s ，h i g hp r e s s u r ep u l s e se m i t t i n gd u r i n gb u b b l ec o l l a p s ep l a yam o r ei m p o r t a n tr o l e i nc a v i t a t i o ne r o s i o n w i t ht h ei n c r e a s eo ft h ea m b i e n tp r e s s u r e ，t h em a x i m a l p r e s s u r ea n d s p e e do f m i c r o - j e t so f b u b b l ec o l l a p s ep r o d u c i n gi n c r e a s e ss h a r p l y f o rt h ep u r p o s eo f u n d e r s t a n d i n gt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nn o z z l ed r o pp r e s s u r ea n d t h ee r o s i o nq u a n t i t i e so f r o c ks p e c i m e ni m p i n g e db yc a v i t a t i n g j e t ，s o m ee x p e r i m e n t sh a v e b e e nc o n d u c t e di nah i 啦p r e s s u r ev e s s e lu s i n gt h ec o n c r e t eb l o c ka n da l u m i n u m s p e c i m e na ss a m p l e s t h ee f f e c to fw o r k i n gp a r a m e t e r s ，s u c ha sj e tp r e s s u r e ，a m b i e n t p r e s s u r e ，s t a n d o f rd i s t a n c ea n de x p o s u r et i m e o nt h ee r o s i o np e r f o r r n a n c eo ft h e s e l f - o s c i l l a t i n gc a v i t a t i n gj e tu n d e ra m b i e n tp r e s s u r ei si n v e s t i g a t e d t h er e s u l ts h o w st h e e r o s i o nq u a n t i t yw a si nd i r e c tr a t i ow i t ht h ep r e s s u r ed r o pu n d e rt h ec o n d i t i o no fs a m e s t a n d - o f fd i s t a n c e w i t ht h ei n c r e a s eo ft h ea m b i e n tp r e s s u r e ，t h er o c kb r e a k i n ge f f i c i e n c y o ft h es e l f - o s c i l l a t i n g c a v i t a t i n gj e td e c r e a s e se x p o n e n t i a l l y t h e r ee x i s t sa no p t i m u m s t a n d - o f fd i s t a n c ea b o u t3 7t i m e so ft h en o z z l ed i a m e t e ru n d e rt h i s e x p e r i m e n t a l c o n d i t i o n t h ee r o s i o nq u a n t i t i e so f s e l f - o s c i l l a t i n gc a v i t a t i n g j e ta r e1 2t i m e so f c o m m o n r o u n dj e t su n d e rt h es a m ec o n d i t i o n s o nt h eb a s i so ft h ee x p e r i m e n t ，at h e o r ya n dt h e a l g o r i t h mo ft h ea r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r kw a ss e tu pi nt h er e s e a r c ho ft h eh i g h - p r e s s u r e w a t e r j e te r o s i o np e r f o r m a n c e i te s 乜l b l i s h e san o n l i n e a rm o d e lb e t w e e ne r o s i o nv o l u m eo f w a t e rj e ta n di t si n f l u e n c i n gf a c t o r ss u c ha st h e j e tp r e s s u r e ，a m b i e n tp r e s s u r ea sw e l la s s t a n d - o f fd i s t a n c e ，i t sp r e c i s i o no v e r9 5 i ti so b v i o u s l ye f f e c t i v et o o lf o ri n v e s t i g a t i n g e r o s i o ne f f i c i e n c yw i t hw a t e r j e t si m p a c tu n d e ra m b i e n t p r e s s u r e f u r t h e rm o r e ，e x p e r i m e n t sw e r ec o n d u c t e dt oi n v e s t i g a t ei m p r o v e m e n to f p o l l u t e d r o c kp e r m e a b i l i t yw i t hs e l r e s o n a t i n gc a v i t a t i n gj e t si m p i n g e m e n tu n d e ra h j 曲p r e s s u r e v e s s e l t h er e s u l ts h o w st h ee f f e c t i v ed e p t ho np o l l u t e dr o c k sw i t hd i f f e r e n tp e r m e a b i l i t y b yc a v i t a f i n gj e t si sm o r et h a n2 5 0m i l l t h ep e r m e a b i l i t yi n c r e a s er a t ei si m p r o v e da si e t p r e s s u r ei n c r e a s i n g , a n dd e c r e a s e da sn o z z l es t a n d o f fd i s t a n c ei n c r e a s i n g m e a n w h i l e ，t h e r a t er e a c h e sm a x i m u mu n d e r2m p aa m b i e n tp r e s s u r e s a tt h es 锄et i m e ，u n d e rt h es a m e c o n d i t i o n s ，t h er a t eb yt h es e l f - r e s o n a t i n gc a v i t a t i n gj c tn o z z l ei st w ot i m e sm o r et i l 姐a c o n i c a ln o z z l e t h ef i e l dt e s t so fd r i l l i n gb i t sh a v er e a c h e dg r e a ts u c c e s sw i t ha v e r a g ed r i l l i n gs p e e d e n h a n c eo f2 2 8 a n dd r i l l i n gf e e ti n c r e a s eo f2 8 _ 2 a tt h es a m ef o r m a t i o n d r i l l i n g e q u i p m e n t sa n dc o n d i t i o n s ：a tt h es a m et i m e ，i nt h ef i e l dt e s t so no i lw e l l sp r e t r e a t m e n t ， r e l i e v i n gp l u ga n dw a t e ri n j e c t i o ni n c r e a s ef o ri n j e c t i o nw e l l sh a v ea c q u i r e da ne v i d e n t e f f e c t k e yw o r d s ：c a v i t a t i n g j e t ；n o i s e ；n o z z l e ；e r o s i o np e r f o r m a n c e ；c a v i t a t i o ni n c e p t i o n ； a m b i e n tp r e s s u r e ；p h y s i c a lm e t h o do f p r o d u c t i o n ；a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k 独创性声明 我呈交的学位论文是在导师指导下个人进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得其它学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。特此声明。 声明人( 签名) ：篓l 灶年 月日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留送交学位论文的复印件，允许学位论文被查阅和借阅；学校可 以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存学位论文。特此说明。 说明人。签名，：垄越指导教师。签名坦年月日 围压下自激振荡射流空化初生能力和冲蚀特性研究 创新点摘要 1 从空泡动力学分析出发，对围压条件下自激振荡喷嘴的空化初生能力进行了 理论和实验研究，表明声压对增大涡环间距、减小空泡半径有重要影响，自激振荡喷 嘴空化初生数都在1 0 以上，最大值达到1 6 7 ，而锥形喷嘴最大为o 5 4 。( 见第2 章、 第3 _ 3 、3 4 节1 2 首次对围压条件下自激振荡空化射流噪声特性进行了研究，表明自激振荡空 化射流噪声在较低围压时具有明显的脉动特性，随着围压增加，脉动特性减弱；当射 流压力一定时，存在一个最佳围压值范围，使得自激振荡空化射流噪声声压级最高， 同时得出了高围压状态下空化噪声自相关性小。( 见第3 5 节) 。3 首次在围压条件下研究了自激振荡空化喷嘴的冲蚀特性，表明破碎效率随着 围压的增加基本呈指数下降，其研究成果可为自激振荡空化射流钻头推广应用提供实 验依据，同时利用神经网络方法，建立了围压条件下高压射流冲蚀模型，该模型的建 立为围压下高压射流冲蚀效率研究提供了一个有效的工具。( 见第5 章) 慧二 4 在围压条件下首次研究了自激振荡空化射流直接处理污染岩芯，表明对中低 和高渗岩芯，空化射流作用深度均超过2 5 0r f l n l ，处理效果随射流压力增大而增加， 随喷距增大而减小。当围压值为2m p a ，处理效果达到最佳，实验为拓宽自激振荡空 化射流的研究和应用领域提供重要的参考依据。( 见第6 章) 第一章引言 第一章引言 自从十九世纪末b a m a b y 和p a r s o n s 提出了“空化”的概念以来，空化现象一直被 研究、发现和认知。1 8 9 6 年p a r s o n s 建立了世界上第一个研究空化的小型水洞，并用 闪频观测器观察空化现象。美目t h o m a s 于2 0 世纪4 0 年代设计并建造了减压箱，在 减压条件下研究空化问题。近几十年来，随着科学技术的发展和实验测试手段的进步， 许多学者对空化和空蚀机理进行了广泛的研究，对空化初生测试、空泡动力学、影响 因素、空蚀强度、材料抗蚀性等等的研究取得了大量的成果，直到现在，船舶、水力 机械和水工建筑中空化问题的研究始终占有重要地位。但到目前为止，有关空化和空 蚀的理论及不少研究成果还不能令人满意，许多问题还有待进一步深入研究和探索。 并且，在进行流态显示、水力破岩和工业清洗作业中，空化并不完全是有害的，而在 化学工程、医药工程、空间工程和核工程方面还是很有应用价值的。 1 1 选题意义 空化现象是流体流动过程中局部压力低于饱和蒸汽压力以下时出现的空泡生成、 长大、溃灭现象，其实质是流体在动力学及热力学联合作用下，液体介质局部产生液 气相变。液体内一经出现空化，就会破坏液体的连续性，使液体运动的水动力特性 发生变化，在固体壁面上诱发空蚀、产生空化噪声并可能激发振动等。空化和空蚀现 象对物体的破坏作用是十分强大的，空泡溃灭还同时产生强烈的振动和噪声，对水力 机械的工作效率和寿命也有很大的危害作用。反过来，如果设法将这种有害作用变成 有利作用，比如在工业清洗、切割和钻探作业的水射流中人为地引入空化和空蚀，利 用其强大的破坏作用和振动噪声冲击波来提高清洗、切割和钻探的效率，其效果也将 是显著的f ”，根据理论计算空泡爆破时的瞬时压力为啧嘴压降的8 6 1 2 4 倍1 4 1 。 所谓空化射流，就是人为地在水射流流束内产生许多空泡，利用空泡破裂所产生 的强大冲击力来增强射流的作用效果。空化射流的基本原理，简单地说就是在液体射 流内诱使空化发生并让空泡长大，当含有这些空泡的射流冲击物体时，使空泡在物体 表面及其附近破裂，由于空泡破裂时产生的能量高度集中，并局限在许多非常小的面 积上，从而在物体表面许多局部区域产生极高的冲击压力和应力集中，使物体表面迅 速破坏，这种由于空化造成的损害就称为空蚀。近来研究表明( ”，空泡破裂瞬时压力 速破坏，这种由于空化造成的损害就称为空蚀。近来研究表明f ”，空泡破裂瞬时压力 第一章引言 可达1 5 0 0m 3 p a ，在相同泵压和流速条件下，空化射流的这种局部压力放大作用使其 清洗切割效果大大优于非空化射流。 近年来，利用瞬态流和水声学的流体自激振荡原理将连续射流调制成具有强烈压 力振荡和高空化强度的新型自激振荡空化射流，通过在高围压下控制空化的产生和破 灭，优化喷嘴结构，使之在深井钻井条件下发挥空化射流效力，如果空化射流调制和 控制得当，就可以改变现有传统旋转钻井方式，完全用水力破岩，大幅度提高深井钻 速。可以预言，如果射流破岩钻井方式取得成功，钻井技术将会发生一次重大变革。 在钻井、完井、采油和修井过程中，地层会受到各种污染，近井带地层的渗透率 因此下降，解除地层堵塞是实现油田稳产增产的重要途径之一。将自激振荡空化水 射流的振动和冲击能量直接作用到炮眼和近井地层，解除堵塞，增加产油量和注水 量，将开辟自激振荡空化射流新的研究和应用领域，实现物理法处理地层技术的突 破性发展，具有显著的理论和实用价值。 1 2 空化射流及应用研究国内外研究现状 1 8 9 7 年b a r n a b y 和p a r s o n s 在英国“果敢号，鱼雷艇和几艘蒸汽机船相继发生螺旋 桨效率严重下降事件之后，提出了“空化”的概念，并指出液体和物体间存在高速相对 运动的场合就可能出现空化嘲。1 9 1 7 年r a y l e i g h 比较系统地提出了空化理论，建立 了描述自由空泡运动的方程，迄今为止，对空化的研究就从来没有停止过。 1 2 1 空化射流 7 0 年代初，k n a p p 和h a m m i t t 等人【8 明对空泡的初生、长大和溃灭的机理进行了 深入系统研究，对空化及空蚀机理有了较为深入的认识，随着水射流技术研究的发展， j o h n s o n 和k o h l 等人【1 0 】将空化作用引入水射流技术领域，形成了新型空化水射流。 1 9 7 2 年，c o r m 1 1 1 理论推导了等温压缩条件下空化射流产生的冲击压力与连续射 流冲击压力之间的关系为： p， 只= 三去 e x p ) 】 ( 1 一i ) u j o j 式中只为空化射流冲击压力，为连续射流冲击压力，只= 0 5 p u 2 ，“为射流速 度，0 l 为液体内气体含量。此后，c o r m 和r u d y f l 2 1 用实验得出了a 值。他们假定0 【在 彳。范围内时，得到了空化射流与连续射流冲击压力之间的关系为： 第一章引言 只= ( 8 6 1 2 4 ) 只 ( 1 - - 2 ) 上式表明，在泵压和流速相同条件下，空化射流的冲击压力为连续射流冲击压力的 8 6 1 2 4 倍。 根据空化射流形成的条件和要求，可以把空化射流分为三种类型： 1 ) 绕流型空化射流，典型代表有k o h l 等人f 2 1 的中心体喷嘴和转叶型喷嘴。 2 ) 剪切型空化射流，如y a n a i d a 等人【1 3 】的角型喷嘴。 3 ) 自激振荡空化射流，自激振荡空化射流以c o n n 和j o h n s o n 等人 1 4 1 的风琴管喷 嘴和亥姆霍兹振荡腔喷嘴为代表。国内则以重庆大学廖振方教授 1 5 18 】、李晓红教授 1 8 - 1 明和西南石油学院廖荣庆教授【2 0 1 1 及石油大学沈忠厚教授【2 2 蹰、李根生教授 2 6 2 7 】 最为注目。 空化的程度通常以无量纲空化数a 来表示，定义为 扣铹 ( 卜3 ) 2 式中p 。环境压力；k 喷嘴出口速度： n 水的饱和蒸汽压；p 水的密度。 空化射流的关键在于如何在射流中产生空化，这主要靠各种喷嘴来产生。 1 2 2 赜嘴结构对高压射流特性影响研究综述 喷嘴是水射流技术应用中获得高能量利用率的关键因素之一，对射流质量有明显 的影响。喷嘴结构是指喷嘴的流道形状与几何尺寸。喷嘴的流动特性( 水力特性) 是 指由它所形成的射流扩散角的大小、等速核的长度以及喷嘴流量系数的大小。 目前，对喷嘴结构与射流动力性能关系的研究主要是以下三种手段：理论分析、 数值计算和实验研究。下面从这三个方面的研究进展及最新动态做一简单回顾。 ( 1 ) 理论分析方法 国内外不少研究人员从不同角度对喷嘴进行了理论分析，早期分析喷嘴问题多把 流动看成是无粘性势流来处理，从而归结为求解势函数的l a p l a c e 方程。由于流体总 是有粘性的，因而喷嘴壁附近必有一层很薄的边界层，边界层厚度对射流质量影响不 可忽略。现在一般将喷嘴内部流动划分为两部分：一是流动速度大而横向速度梯度和 紊流度都较小的核心区，通常近似的看作势流核心区；另一部分则是速度小而横向速 第一章引言 度梯度大的边界层。 喷嘴内核心区流动按轴对称平面势流处理。根据流函数w ( x ，r ) 定义可写出核心 区内流体的轴向速度u 。及径向速度“，如下： 虬：些，“，：一竺( 卜4 ) “z 。：“r2 一。： l l q ， 连续方程为警丢詈+ 窘= o ( 1 叫) 对喷嘴内部的边界层，即连续方程、动量方程和输运方程： 一日塑+ ( r - b o ) 一a u , 一o a n + 塑：0 ( 卜6 ) d x 2 u 。d x咖d x 竿忑d o + 毒c 日+ 一盖c 日2 均 警+ 晏警一孚= 。c 一， n 盟+ 堕盟+ e 立一耷：0( 卜8 ) 出u 。出 出 式中0 边界层动量损失厚度：陪一形状因子o r 一喷嘴轮廓半径； t 1 卷吸参数； + 卷吸函数；c ，壁面摩擦阻力系数； u 喷嘴内核心区速度。 喷嘴内部势流核与边界层的诸方程分别求解，再通过两者结合边界上的速度匹 配，得出一个完整的喷嘴内部流动特性，不同的文献给出了不同的数值解。文献 2 8 】 采用轴对称湍流边界层的动量积分方法，对喷嘴内的流动作了分析计算。文献口9 3 0 l 采用同样的方法得到了类似解，只不过方程解的系数略有不同而已。 ( 2 ) 数值计算研究 q u i n n 等【3 1 1 利用计算的方法对不可压的低速射流下不同流道型线的喷嘴进行了 研究，指出射流初始段截面上速度的衰减以及轴心速度的衰减与喷嘴内部流道型线有 关。对于喷嘴内的流动特性来说，k h a n 掣3 2 埽0 用连续方程、动量方程以及紊动能( 七) 和能量消散方程( ) 方程，预测了不同蓝宝石喷嘴内高压紊流的动力学行为，计算 了三种不同锥角( 1 0 。，6 0 。，9 0 。) 喷嘴，表明9 0 。锥角在进入管嘴之前产生循 环，接近壁面的大部分紊动能都消散了，因而形成循环的9 0 。锥角出口速度最大， 其余两种则相差无几。随着圆柱段长度增加，出口速度递减，最佳长度为喷嘴出口直 4 第一章引言 径的4 1 0 倍。k b a b e t s 3 3 1 等采用标准k 一模型对喷嘴内的紊流进行数值模拟，并与 实验结果进行了对比，结果表明喷嘴内的空气相对流动影响很大，流体分离以及空化 对喷嘴设计具有重要影响。l o h n 等【3 0 】采用有限元方法研究了喷嘴内的流场特性，并 采用激光测速仪和压力传感器对数值结果进行了验证，结果表明射流在宏观上是紊动 的，而在微观上是一连串的离散液滴。他们都应用的稳定、二维、不可压、绝热紊流 控制方程为： ! 丝：0f 1 - - 9 ) 出i 峭丝0 x i = f c 3f 啦1 t , o k y p 等譬+ 等币( 1 - - 1 0 ) p 著= 专尝考，+ g “ 考c 等+ 拳一巴p 譬( 1 - - 1 1 ) 式中 u “为喷嘴出口速度矢量，i ，j = 1 ，2 ；卜紊动能；e 耗散率 玩，为喷嘴出口向速度时均；肛。温度为t 时的流体粘度 c 1 ，c 2 ，o 。均为经验常数。p 液体密度 在国内，何枫等 3 4 1 利用r n g k 湍流模式和有限体积法，并采用四边形非结构 网格，对不同内部流道型线的喷嘴自由射流进行数值模拟，得出了对于轴对称等直径 圆管喷嘴，进口处的流道型线对射流流道参数的分布有较大的影响，轴对称收缩喷嘴 的收缩角大小主要影响射流出口附近的流动，对流动具有不同的阻滞效果。钟声玉等 【2 9 1 计算了锥形喷嘴各参数对射流性能的影响，其参数包括收缩角、圆柱段长度、粗糙 度等，并与实验结果进行了比较。蒋残澄等 3 司采用面元法对不同锥形喷嘴结构内部及 射流区域内的流场进行了简要的计算，并结合实验结果进行分析，得出了喷嘴的几何 结构对淹没空化水射流冲蚀性能的影响关系。此外，贾建国 3 6 】、刘成文等通过对 锥形喷嘴内流动阻力的分析，推导出锥形喷嘴流量系数的理论计算公式。 ( 3 ) 实验分析研究 由于实验条件的限制，直接对喷嘴射流质量测量是很困难的，因此大部分研究 者通过射流对物体的冲蚀率大小，间接判断射流质量的优劣。 许多研究工作者探索了淹没条件下不同喷嘴类型及不同工作条件对射流性能的 影响。l e a c h 和w a l k e r f 3 8 1 从产生最大冲击压力认为，1 3 。锥形收缩角效果最好，而 第一章引言 v o i t s e k h o v s k y 等1 3 9 】从射流紧密性认为，3 4 。锥形角最好。l e a c h 及w a l k e r 和 v o i t s e k h o v s k y 都认为，从射流冲击压力和紧密性观点出发，圆柱形出口段长度为喷 嘴直径3 4 倍时效果最好。y a n g g e u n y o u n g 等 a o l 运用实验方法得出了射流初始段截 面上速度的衰减以及轴心速度的衰减与喷嘴内部流道型线有关，这验证了0 u i i l i l 的数 值模拟结论。在第四届国际水射流切割会议上，b a r k e r t 4 1 垮人实验研究了喷嘴几何尺 寸对淹没水射流喷嘴切割性能的影响，通过改变喷嘴入口锥角( 1 3 1 8 0 。) 和喷嘴 圆柱形部分长度( 0 5 4 倍喷嘴直径) ，得出了最好的喷嘴是锥角6 0 。，圆柱段长度 为喷嘴直径0 5 倍。由此可以得出，最佳的入口锥角和圆柱段长度与试验条件密切相 关，试验条件不同，结果不同。 对于高压射流，空化的出现，可能使得原本就复杂的喷嘴内流场更加复杂。尽管 如此，仍旧有许多研究空化喷嘴成功的范例。k a t s u y a y a n a c d a 4 刁报告了淹没条件简单 角形喷嘴的试验，这种喷嘴能促进空化在水里产生，通过喷嘴出口段扩散形状的改变， 加剧了射流和周围液体之间的剪切作用，从而引起空泡的产生。从试验结果看，与非 角型喷嘴相比，角型喷嘴获得的冲蚀体积几乎数倍于前者。摄影方面，c h a v e s 等【4 3 l 利用摄影技术，成功的拍摄到0 2m i l l 喷嘴内的空化现象，结果显示喷嘴从入i z l 到出 口都是空化区域。a r e o u m a n i s 等1 4 4 l 拍摄的照片清楚的显示了不对称喷嘴喷管梢的空 化情况。s c h m i d t 等1 4 5 l 研究不对称喷嘴空化情况，实验照片表明液气界面情况，在入 口处，界面光滑，空化区末端则显粗糙。并解释了喷嘴出口分离情况，低雷诺数时， 是雷诺数的函数，高雷诺数时，是空化数的函数。 近年来，空化射流以其在清洗、切割方面的高效率，特别是在围压条件下石油钻 井、水下清洗的潜在优势，深受研究人员青睐。v 巧a y 和v i c k e r _ 【4 6 1 利用同轴重叠喷嘴 结构，使内喷嘴高压水与外喷嘴低压水环形水束的界面产生强烈剪切产生空化射流， 应用于水下切割和船舶清洗试验中，取得了明显效果。石油大学李根生等f 4 7 1 研究了一 种新型喷嘴双射流喷嘴，充分利用旋转射流中心压力低，中心射流容易产生空化 的优点，在破岩扩孔方面取得了重要进展。 1 ，2 3 自激振荡空化射流研究进展 为了进一步提高空化射流作用效果和在高围压下产生空化的能力，研究人员提出 了自激振荡空化射流的概念。流体通过一定形状的腔室( 谐振腔) 能产生自激压力振 荡，使出口射流变成大结构涡环流，增强冲击压力振荡和空化作用，己被不少研究人 6 第一章引言 员的实验和观察所证实。1 9 7 1 年c r o w 和c h a m p a g n e 4 8 1 实验发现，当空气射流的驱动 压力在上游被扩音器以一定的频率激发时，射流结构有变为分离的涡环流的趋势。射 流结构发生变化的频率与射流的s t r o u h a l 数岛有关，当& 为0 3 或o _ 3 的整数倍时， 激励频率比较理想，射流结构作用增大，有不连续环状涡流产生，射流速度的变化幅 度最大。 1 9 7 2 年开始，w y l i e 等人 4 o l 研究了管系流体动力学和瞬态流理论，发现当管路 中流体流动状态合适时，可以产生管系和流体共振。1 9 7 8 年r o c k w e l l 和n a u d s c h e r 5 1 】 在总结大量研究结果的基础上，将流体通过腔室产生的自激振荡分为三类：流体弹 性振荡，利用往复泵的流量脉动和管系弹性变形产生流体管系共振：流体声谐振荡， 利用流体瞬态流理论和水声学原理，使流体流经各种腔室时产生周期性自激振动； 流体动力学振荡，即利用流体剪切层涡旋不稳定性原理产生自激振动。1 9 7 9 年 t m o r e l 5 刁的实验，观察了由轴对称串联喷孔h e l m h o l t z 腔室射出的空气射流在低马赫 数，- ( 小于0 1 ) 时的无源振动情况。 o ? 1 9 8 1 年，美国t r a c e r 流体公司j o h n s o n 和c o r m 等人5 3 】提出了两种产生无源自激 声谐振荡射流的方法，一种是使水通过各种类型的谐振腔( 如风琴管或h e l m h o l t z 腔) 后进入射流喷嘴，并使射流以指定频率共振，使喷嘴射流变成断续涡环流；另一种是 喷嘴出口改成喇叭状或哨嘴状，可改变射流与周围流体的相互作用，诱发涡流环，使 哨嘴出口射流产生强烈压力振荡和空化作用。 1 9 8 2 年j o h n s o n 等人州q 分析表明，由于自激振动射流的涡环结构，使得它无 论自由喷射还是冲击物体表面情况下起始空化数都比非自激振动射流要大。假设边界 层厚度为6 ，涡环中心间距为f ，则可推导出涡流中心的起始空化数可用下式近似表 示： ， o i = 古 ( 1 1 2 ) 二丌口 为增大气蚀程度及射流的冲蚀能力，应尽可能增大a ；。由式( 1 - 1 2 ) 可看出，这 可通过增大f j f ( 或) 减小5 来达到。对于一定形式的喷嘴、射流液体和射流速度而 言，6 是一定的。对振动射流，大结构的涡环存在，其，值较大，故叮，值较非振动射 流大。 振动射流冲击物体表面时，随着环状涡流接近物体表面，涡环半径增大。这种涡 第一章引言 流的“扩张”使中心部分半径减小，从而使d ，增大，因此首先在物体表面附近产生 空蚀。 j o h n s o n 等人【5 5 1 试验证明，自激振动空化射流的起始空化数比普通射流高2 6 倍，也即如果这种喷嘴用于石油井底，可以在比普通喷嘴高2 6 倍的围压条件下有 效地产生空化射流。即使在更高的围压下，空化不能产生时，大结构的涡环流所产生 的强烈压力波动也有利于改善井底的清洗效果。 石油大学沈忠厚、李根生等人 盯卅1 从1 9 8 4 年开始对自激振荡空化射流进行了系 统的理论和实验研究，利用瞬态流理论和水声学原理从理论上建立了自激振荡空化射 流的调制理论和喷嘴的设计模式，并通过试验系统研究了流体参数( 压力、流速、马 赫数、斯特罗哈数) 、喷嘴结构参数( 直径、高度、入口和出口形状) 、岩石性能、喷 距、冲蚀时间等对空化射流特性和冲蚀岩石效果的影响规律，得到了新型高效自激振 荡空化喷嘴( 简称自振空化喷嘴，以后同) 。试验结果表明，在相同泵压条件下，自 激振荡空化射流的破岩效果是普通锥形喷嘴射流的2 4 倍，自激振荡空化射流冲蚀 岩石存在最优喷距，最优喷距的大小一般为喷嘴出口直径的8 1 4 倍，自激振荡空化 射流的冲击压力脉动峰值和脉动幅度分别比普通锥形喷嘴高3 7 和2 4 。 自1 9 8 6 年开始，重庆大学廖振方等人【”以9 1 和西南石油学院合作研究自激振荡脉 冲喷嘴，利用射流剪切层内不稳定性对扰动的选择性放大作用设计喷嘴腔室系统，对 不同腔室结构、碰撞壁形状和斯特罗哈数等对射流振荡效果的影响进行了理论分析和 实验研究。研制的振荡脉冲喷嘴用于牙轮钻头使钻速提高1 5 5 0 ，钻头进尺提 高1 0 1 5 。 1 9 8 4 年c h a h i n e 等人【6 2 】用流体显形和数学模拟的方法对不同反馈机构的自激振 荡空化喷嘴的射流进行了研究。他们利用一层相互自由作用的并和喷嘴壁间相互作用 的环状涡流来代替射流剪切层。研究表明，剪切层和喷嘴唇部附近边界之间的相互作 用是自激共振的一个主要因素，周期调制环形循环量产生的反馈型式对增强射流结构 十分有效。但是他们未考虑流体自喷嘴唇部边缘的脱离。1 9 9 0 年，日本广岛工业大 学s h i m i z u 等人【6 3 吲1 用离散涡方法模拟带唇部的喷嘴出口的二维射流，流动自唇部边 缘分离。对射流剪切层和喷嘴唇部圆套的相互作用的数值模拟结果表明，喷嘴唇部圆 套对流动结构和空化状态影响很大，它有利于空化产生。 1 9 9 3 年，汪志明f 6 5 1 采用间歇涡环代替圆形射流剪切层，对圆形射流流场的流动 第一章引言 结构进行了数值模拟，研究中考虑了喷嘴喉部结构形状( 喷嘴内流过渡曲面为球面或 椭球面或其它旋转曲面，出口形状为锥面或锥面加环套) 对旋涡脱落的影响及其与射 流场的相互作用，计算结果表明内流过渡曲面为椭球面而出口形状为锥面的风琴管式 喷嘴的圆形射流流物具有良好的大尺度涡环结构。1 9 9 9 年李春楼、李根生等【6 6 - 6 7 1 根 据流体力学原理，用离散涡方法建立了在复平面上模拟喷嘴出口流场的一套完整模 型。模拟了喷嘴出口流场的速度分布，利用涡元矢量图对计算结果进行了分析，得出 了射流在喷嘴出口分离流动及流场中旋涡形成及发展的规律。此后又采用同样方法模 拟了两种不同形状哨嘴的喷嘴出口流场旋涡结构和压力分布，结果表明，射流在喷嘴 出口和哨嘴出口形成的旋涡结构在流场及其他涡元的作用下，向下游运动，并在流场 中