何智恒，李美求，李 寧，王冰冰

(長(zhǎng)江大學(xué) 機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與振動(dòng)研究所，湖北 荊州 434023)

水力振蕩器作為大位移井鉆進(jìn)過程中降低摩擦阻力、提高鉆井效率的有效手段，國(guó)內(nèi)外[1-2]學(xué)者提出了各種各樣的新技術(shù)。水力振蕩器可以有效改善鉆壓，并變靜摩擦為動(dòng)摩擦，降低工具串與井壁的摩擦力，提高鉆井效率。射流式水力振蕩器利用附壁原理Conda效應(yīng)產(chǎn)生射流振蕩，控制活塞桿完成周期軸向運(yùn)動(dòng)。

眾多學(xué)者對(duì)水力振蕩器的振動(dòng)特性及應(yīng)用效果進(jìn)行了大量研究[3-4]。吳志勇等[5]研究得出激振力以及安裝位置對(duì)減阻效果的影響比較顯著，而振動(dòng)頻率則影響較小。李斌等[6]則研究得到振動(dòng)強(qiáng)度、振動(dòng)頻率、振幅對(duì)水力振蕩器減阻效果的影響依次減小，并提出當(dāng)振動(dòng)頻率為22 Hz時(shí)可以得到最佳減阻效率。柳鶴[7]等針對(duì)井下鉆具強(qiáng)度，證明了水力振蕩器的振動(dòng)頻率對(duì)井底鉆具強(qiáng)度的影響為良性。趙鈺和余長(zhǎng)柏等[8-9]則分別針對(duì)振蕩器的動(dòng)定閥選型的配合對(duì)其閥口的頻率和壓降提供了設(shè)計(jì)參數(shù)參考。綜上，目前對(duì)于水力振蕩器的研究大多是針對(duì)其工作特性的分析。相較于傳統(tǒng)軸向振動(dòng)器，射流式水力振蕩器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無需撞擊元件、壓降更低等優(yōu)點(diǎn)，因而很多學(xué)者對(duì)其研究[10]。國(guó)內(nèi)外對(duì)射流振蕩器的研究主要是針對(duì)小口徑小流量結(jié)構(gòu)分析，應(yīng)用范圍包括：灑水灌溉、淋浴、散熱等領(lǐng)域[11-12]。

本論文以射流附壁水力振蕩器的振蕩短節(jié)為研究對(duì)象，采用CFD數(shù)值模擬方法及單因素分析法，研究側(cè)壁角度、側(cè)壁高度、劈尖距離和反饋角度對(duì)振蕩頻率和壓降的影響，得到不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)壓降和頻率的影響規(guī)律。本研究成果對(duì)射流式水力振蕩器的優(yōu)化設(shè)計(jì)和特性分析具有理論和工程指導(dǎo)意義。

1 射流振蕩理論分析

1.1 射流附壁原理

流體經(jīng)噴嘴口形成一股高速水射流。由于射流的高速運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致射流中心位置的流速快，在靠近兩側(cè)壁處的流速小。在速度差的作用下，逐漸在上下側(cè)壁之間形成低壓漩渦，導(dǎo)致流體不斷靠近側(cè)壁運(yùn)動(dòng)，在卷吸的作用下，射流最終附著在一側(cè)壁流動(dòng)，如圖1所示。為了完成射流附壁的切換，在射流口出口上下分別設(shè)計(jì)反饋流道，當(dāng)射流附著在一側(cè)壁流動(dòng)時(shí)，其對(duì)應(yīng)一側(cè)的反饋流道壓力激增，不斷沖擊射流口流體，使其改變運(yùn)動(dòng)方向，推動(dòng)流體逐漸向另一側(cè)壁運(yùn)動(dòng)，如圖2所示。在這種反饋?zhàn)饔孟?，流體不斷進(jìn)行附壁切換，最終高頻的附壁切換就形成了射流振蕩。

圖1 射流附壁

圖2 射流附壁的切換

1.2 射流振蕩分析

射流附壁參數(shù)如圖3所示，流體經(jīng)噴嘴口形成高速水射流，徑直沖擊劈尖，隨后在卷吸的作用下實(shí)現(xiàn)射流向一側(cè)壁的偏轉(zhuǎn)附壁[13]。其中，射流口的直徑為d，流體的速度v、密度為ρ，劈尖距離為l，側(cè)壁角度為θ，射流的偏轉(zhuǎn)角度為β。

圖3 射流附壁參數(shù)

在射流附壁過程中，假設(shè)為理想流體并忽略熱量損失，根據(jù)動(dòng)量守恒定理可以得到：

ρv2d=J+J1

(1)

(2)

式中：J為主射流的慣量；J1為射流靠近側(cè)壁表面卷吸慣量；r為射流中某一微元的偏轉(zhuǎn)半徑;V為射流中流體的某一微元體積。

射流偏轉(zhuǎn)角的計(jì)算公式[14]：

(3)

在卷吸作用下射流形成壓力差，推動(dòng)射流貼附在一側(cè)壁，射流偏轉(zhuǎn)半徑的計(jì)算公式為：

(4)

式中：p1，p2分別為射流上、下側(cè)壓力；y為射流截面寬度。

根據(jù)式(1)和式(3)，流體依靠卷吸作用發(fā)生偏轉(zhuǎn)。當(dāng)側(cè)壁角度在0<θ<22.5°逐漸增加時(shí)，射流的偏轉(zhuǎn)角有增大的趨勢(shì)，此時(shí)射流較容易附壁。當(dāng)側(cè)壁角度在22.5°<θ<45°逐漸增大時(shí)，射流偏轉(zhuǎn)角有減小的趨勢(shì)，此時(shí)射流很難附壁。再根據(jù)式(4)射流的偏轉(zhuǎn)半徑隨著射流附壁過程逐漸的增大，說明射流附壁的位置受到流量的影響。

在射流附壁的主動(dòng)控制過程中，反饋流體不斷提高射流與附壁側(cè)的壓力，射流附壁位置沿著側(cè)壁向后運(yùn)動(dòng)，最后在劈尖的作用下完成向另一側(cè)壁的附壁，劈尖和射流口的間距大小會(huì)影響水力振蕩頻率。側(cè)壁的距離h對(duì)射流振蕩也有影響，當(dāng)h過大時(shí)，則需要有足夠大的偏轉(zhuǎn)角度才能使射流附壁。

根據(jù)流道結(jié)構(gòu)自激發(fā)引起射流振蕩的形式有多種[10]，控制流是決定射流振蕩的重要因素。當(dāng)控制流與主射流呈夾角時(shí)，控制流有推動(dòng)主射流附壁切換的效果，當(dāng)控制流平行于主射流時(shí)，控制流有促進(jìn)射流附壁的效果[15]。

2 射流振蕩動(dòng)力計(jì)算

2.1 水力振蕩器的特征參數(shù)

本文以低壓降為目標(biāo)設(shè)計(jì)大直徑射流式水力振蕩器，主要研究射流脈沖短節(jié)的各個(gè)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)變化分別對(duì)于水力振蕩特性的影響。根據(jù)國(guó)內(nèi)外對(duì)于射流脈沖結(jié)構(gòu)的研究[16-18]，影響射流元件振蕩特性的主要因素有：射流口與附壁高度寬度比值，一般取0.2∶1～0.6∶1；射流口與側(cè)壁的夾角，取10～30°；射流口與劈尖距離和寬度比值,取1∶3～1∶12。此外，由于他人研究中的射流脈沖形式不盡相同，例如音波式、共鳴式及反饋式的控制流道可能有不同結(jié)構(gòu)，本文將反饋流道角度的影響因素也加入研究，對(duì)4種結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行單因素敏感性分析。

為了便于直觀地展示各結(jié)構(gòu)參數(shù)，對(duì)分析的結(jié)構(gòu)參數(shù)樣式進(jìn)行了簡(jiǎn)化和標(biāo)注，射流元件的結(jié)構(gòu)平面簡(jiǎn)圖如圖4所示。射流口的寬度為d，側(cè)壁相對(duì)于射流口高度為h，反饋流道與射流口的夾角為a，射流口到劈尖之間距離為l，凹劈尖的半徑為R，斜側(cè)壁和射流口所呈夾角為θ。

圖4 射流元件簡(jiǎn)圖

本文分析在流量20 L/s的工作環(huán)境下，水力振蕩短節(jié)的側(cè)壁角度、側(cè)壁高度、劈尖距離、反饋角度對(duì)射流式水力振蕩短節(jié)頻率及壓力的影響規(guī)律。依據(jù)國(guó)內(nèi)外對(duì)水力振蕩短節(jié)結(jié)構(gòu)的研究選取參數(shù)如表1所示。

表1 主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.2 水力振蕩器的流體計(jì)算

使用Solidworks進(jìn)行三維建模，提取水力振蕩器的流體域并對(duì)流體域進(jìn)行計(jì)算，然后導(dǎo)入STAR-CCM+軟件進(jìn)行流體瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)計(jì)算。采用Trimmed網(wǎng)格進(jìn)行劃分，保證大部分為結(jié)構(gòu)網(wǎng)格[19]，對(duì)整體模型劃分棱柱層網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸為，棱柱層厚度相對(duì)尺寸為，在射流口與反饋流道相貫處、劈尖處、缸體上腔與射流上腔、缸體下腔與射流下腔進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化。單元總數(shù)為204 972個(gè)，計(jì)算域的網(wǎng)格如圖5所示。

在瞬態(tài)計(jì)算中，參考國(guó)內(nèi)外對(duì)相似結(jié)構(gòu)分析時(shí)選取的分析方法和參數(shù)選擇，對(duì)射流口流量設(shè)置為20 L/s，節(jié)流盤尾部出口邊界條件設(shè)置為0，壁面處選擇粘性流體無滑移條件，近壁面采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。瞬態(tài)計(jì)算總時(shí)間t=0.2 s，時(shí)間步為0.001 s，流體介質(zhì)為水，選擇湍流RNGk-ε模型。分別選取水力振蕩短節(jié)的入口、缸體上腔、缸體下腔、節(jié)流口處進(jìn)行數(shù)據(jù)的提取，如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)提取端面

通過建立幾何模型、選擇湍流模型、建立網(wǎng)格模型、設(shè)置邊界條件、時(shí)間步以及模擬參數(shù)等操作，就可以對(duì)射流式水力振蕩器流體域進(jìn)行瞬態(tài)模擬計(jì)算。

通過瞬態(tài)模擬計(jì)算，對(duì)射流脈沖的初始狀態(tài)進(jìn)行分析，可以得到流速分布云圖，并直觀地觀察到流體在水力振蕩器中的分布規(guī)律。射流水力振蕩器從開始工作至第1次附壁切換，流體的分布情況如圖7所示。

圖7 流速分布云圖

由圖7可以看出：

1) 0.01 s時(shí)，流體經(jīng)過射流口噴出加速，并徑直沖向劈尖，流體向上下流道相對(duì)均勻流動(dòng)，而在反饋流道中幾乎沒有流體運(yùn)動(dòng)，節(jié)流口開始有流體匯入。

2) 0.02 s時(shí)，射流逐漸向右側(cè)壁附壁，右側(cè)反饋流道中流體運(yùn)動(dòng)明顯，并開始沖擊射流口，活塞上腔中流體運(yùn)動(dòng)劇烈，節(jié)流口大范圍出現(xiàn)流體運(yùn)動(dòng)。

3) 0.07 s時(shí)，射流在右側(cè)反饋流道流體作用下開始向左側(cè)壁傾斜，但仍然附壁于右側(cè)壁，同時(shí)活塞上腔區(qū)域擴(kuò)大，右側(cè)反饋流道流體流速減緩。

4) 0.08 s時(shí)，射流開始附著于左側(cè)壁，活塞下腔通道和左側(cè)反饋流道流體運(yùn)動(dòng)漸漲，活塞上腔中的流體由于泄流口開度增大，向低壓的泄流口流動(dòng)，表現(xiàn)出活塞上腔流速增大的跡象。此時(shí)水力振蕩器的第1次附壁切換結(jié)束。

2.3 計(jì)算結(jié)果

采用單因素敏感性分析法，使用表1的自變量取值，最終得到20組數(shù)據(jù)。列舉側(cè)壁高度單因素影響的分析計(jì)算結(jié)果，如圖8所示。

圖8 側(cè)壁高度影響的計(jì)算結(jié)果

根據(jù)圖8壓力隨時(shí)間的變化過程可以看出，水力振蕩器在最初極短的時(shí)間內(nèi)起伏很大，并在左右迅速進(jìn)入了穩(wěn)定工作狀態(tài)。入口處壓力遠(yuǎn)高于其他位置壓力?；钊舷虑粔毫ψ兓手芷诮惶嫫鸱?，且活塞上腔壓強(qiáng)略高于活塞下腔，主要因?yàn)榱黧w進(jìn)入活塞下腔需經(jīng)過的流道更長(zhǎng)。隨著側(cè)壁高度的不斷增大，活塞下腔壓強(qiáng)高于上腔階段的時(shí)間明顯變短，側(cè)壁高度的變化對(duì)振蕩周期長(zhǎng)短也有很大影響。由于活塞后端存在階梯狀，活塞桿隨活塞周期運(yùn)動(dòng)并控制后端節(jié)流口開度，導(dǎo)致活塞上下腔壓力在1個(gè)周期初有極短的陡增并迅速降低趨于平穩(wěn)，這在一定程度上可以保護(hù)缸體減少活塞的沖擊。隨著振蕩頻率增加，這種特性也出現(xiàn)逐漸減小甚至消失的趨勢(shì)，也說明不同的振蕩器結(jié)構(gòu)對(duì)壓降和振蕩頻率存在影響。

總結(jié)4個(gè)影響因素分別對(duì)壓降和振蕩頻率的影響，并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，繪制得到各關(guān)鍵參數(shù)對(duì)水力振蕩器的頻率及壓降的影響規(guī)律，如圖9～12。

圖9 側(cè)壁角度對(duì)頻率及壓降的影響

圖10 側(cè)壁高度對(duì)頻率及壓降的影響

圖11 劈尖距離對(duì)頻率及壓降的影響

圖12 反饋角度對(duì)頻率和壓降的影響

圖9～12結(jié)果表明：

1) 隨著側(cè)壁角度增加，壓降和振蕩頻率增大。壓降在1.33～1.37 MPa，振蕩頻率在9～12 Hz，側(cè)壁角度在12°，壓降最小。原因是隨著側(cè)壁角度的增大，側(cè)壁的附壁區(qū)域向側(cè)壁后方移動(dòng)，附壁切換變化更快。

2) 隨著側(cè)壁高度的增大，振蕩頻率和壓降會(huì)出現(xiàn)先下降后升高的趨勢(shì)。壓降在1.34～1.41 MPa，振蕩頻率在10～16 Hz，側(cè)壁高度為2 mm，壓降和振蕩頻率最小。

3) 隨著劈尖和射流口的距離增大，振蕩頻率和壓降逐漸趨于減小。壓降在1.32～1.38 MPa，振蕩頻率在9～16 Hz，劈尖距離為100 mm，壓降最小。結(jié)果表明，劈尖可以改善射流附壁，劈尖在距離射流口更近的地方能更快促進(jìn)射流附壁。

4) 隨著反饋角度的增大，振蕩頻率和壓降有先減小后增大的趨勢(shì)。壓降在1.31～1.36 MPa，振蕩頻率在10～12 Hz。說明在試驗(yàn)極限條件下，可以通過控制反饋角度來達(dá)到更低的壓降。

3 結(jié)論

1) 運(yùn)用單因素分析法和CFD數(shù)值模擬方法分析了結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)水力振蕩器壓降和振蕩頻率的影響。隨著側(cè)壁高度的增加，水力振蕩器壓降和振蕩頻率先降低隨后上升，側(cè)壁高度為2 mm時(shí)，壓降和振蕩頻率達(dá)到最低值；隨著側(cè)壁角度增加，振蕩器壓降和振蕩頻率都有增加的趨勢(shì)，并逐漸趨于穩(wěn)定；隨著劈尖距離的增加，水力振蕩器壓降和振蕩頻率呈下降趨勢(shì)；反饋角度的變化對(duì)于壓降和頻率影響的敏感性并不強(qiáng)。

2) 確定了在不同影響因素下的最小壓降，更為優(yōu)化的結(jié)構(gòu)有效幫助鉆頭改善鉆壓、提高鉆井效率。新型水力振蕩短節(jié)有效改善鉆柱與井壁的摩擦環(huán)境，對(duì)降低摩擦、減小阻力有促進(jìn)作用。

3) 新型水力振蕩器在流量20 L/s工作環(huán)境下，以9～16 Hz脈沖頻率穩(wěn)定工作，工作準(zhǔn)備時(shí)間短，響應(yīng)速度快。相較于傳統(tǒng)軸向振動(dòng)減阻工具的平均壓降4.135 MPa[8]，新型水力振蕩器壓降更低，約為1.31～1.41 MPa，說明新型水力振蕩器水力特性良好。