喷嘴结构对水射流速度和空化能力影响的研究

作     者：张俊尧 

作者单位：中国石油大学(华东) 

学位级别：硕士

导师姓名：杨永印

授予年度：2019年

学科分类：0820[工学-石油与天然气工程] 082001[工学-油气井工程] 08[工学] 

主      题：空化水射流 喷嘴结构 SST k-w模型 大涡模拟 空化能力 

摘      要：根据目前中国浅层油气资源日益枯竭的现实情况,可以预料未来在钻井工程领域,提高钻井效率的新技术会具有广阔的发展前景。淹没条件下,空化水射流能够对靶物产生比普通连续水射流更强的冲蚀破坏。而喷嘴结构是诱发射流空化的关键因素,因此研究喷嘴结构对水射流速度和空化能力的影响,分析其中的规律和机理,设计具有更强空化能力的新型空化水射流喷嘴具有十分重要的现实意义。本文在进行了大量理论文献和试验结果调研的基础上,设计出了三类射流产生装置。其中的外伸中心体式喷嘴,能够有效克服一般空化射流喷距短的缺点。参考稳态数值模拟结果对上述喷嘴进行结构参数优化,结合瞬态数值模拟对流场中的空化发展过程进行了简要描述。稳态数值模拟试验结果显示,在20MPa压力下,锥形喷嘴最佳收缩角范围为16°到20°,最佳无量纲圆柱段长度为4;含中心体式喷嘴的最佳无量纲中心体直径为0.5,优选中心体形状为平头圆柱,最佳无量纲伸出段长度为3。在1.5MPa下,角型喷嘴最佳无量纲圆柱段长度为3,最佳扩张角为30°,最佳无量纲扩张段长度为4;固定无量纲扩张段长度为4时,改进角型喷嘴最佳无量纲喷嘴出口直径为2.5;突扩型喷嘴最佳突扩比为2。对于锥形喷嘴而言,随着喷嘴收缩角的增大,收缩结构引起的空化变强。对比不同结构参数下的数据,发现喷嘴圆柱段的边界层厚度,近壁面的湍流强度和最大剪切速率以及空化是影响射流速度性质的重要因素。对于含中心体式喷嘴,发现中心体外伸结构可以有效增大空化喷距;喷嘴收缩结构和中心体尾部都容易诱发空化产生,但中心体尾部附近的空化效果更加显著。对于缩放型空化水射流喷嘴,扩张结构附近的空化效果比收缩结构附近更强。还认识到扩张结构的形状会影响喷嘴诱发空化的能力,无量纲扩张段长度一定时,改进角型空化水射流喷嘴的空化孕育和发展潜力最大,突扩型空化水射流喷嘴次之,角型空化水射流喷嘴最差。进一步分析可知,渐扩结构诱发空化的能力一般强于突扩结构。瞬态数值模拟结果显示,SST k-w模型在空化瞬态模拟方面具有一定局限性,而大涡模拟方法对流场中空化初生,发展,溃灭和再生等具体空化过程能够准确描述,特别是可以准确模拟出空泡的周期性脱落现象。而且网格尺度越小,大涡模拟方法越能精确捕捉到湍流中的小空泡,小漩涡。