新型射流式元件结构设计与试验研究

射流式液动锤由于其具有钻进效率高、钻进深度不受限制等优点被成功应用于油气钻井领域。然而由于射流元件在复杂受力条件下极易破损,严重制约了射流式液动锤的使用寿命。为解决此问题,对射流式液动锤射流元件受力情况进行了数值模拟分析,通过分析射流元件内部应力场分布情况,得出了射流元件破损机理,并设计了新型两体式射流元件。模拟分析研究表明,采用新型两体式射流元件可将元件内最大应力值降低一个数量级,使射流元件受力情况明显改善,可有效地提高其使用寿命。     

液动锤射流元件喷嘴临界流速预测与验证

应用CFD动态分析技术,对SC71B型液动锤内部流场进行了仿真分析,结果表明,其射流元件临界流速为20.305～22.565 m/s,大大低于凭经验预测的40 m/s。为检验这一理论预测结果,对SC71B型液动锤射流元件临界流速进行了实验测定,为21.83 m/s,表明理论预测结果与实测结果高度吻合,证明了基于CFD动态分析的液动锤射流元件临界流速理论预测方法的可行性;同时通过理论分析和实测获得了至今为止液动锤射流元件临界流速的最低值,可为研制油气钻井用低速射流元件驱动控制的液动锤提供重要参考。     

射流元件损坏机理试验研究及分析

液动射流式冲击器在高压釜内进行模拟试验时发现其工作性能良好，展现了其良好的应用前景。而在石油钻井、大陆科学深钻等深孔钻进中应用液动射流式冲击器发现，射流元件寿命较低。故有必要对其破坏机理进行研究。在实验中采用对比的方法，发现在大泵量情况下射流元件工作室内出现水射流反射及脉冲现象。射流元件破坏主要由脉冲AWJ切割所造成。液动射流式冲击器用于深孔钻进时射流元件有必要对元件尺寸进行改进。     

活塞冲锤主要参数对射流元件临界流速的影响

应用CFD动态分析技术,以SC71B型射流式液动锤为研究对象,研究了活塞直径、活塞杆直径、活塞冲锤质量和行程对射流式液动锤射流元件临界流速的影响,并进行了实验验证。结果表明:理论预测值与实测值相对误差小于7.5%,精度远高于以往经验估计;射流元件临界流速随着活塞直径的增加而降低,随着活塞杆直径和活塞冲锤质量的增加而升高,与行程大小无关。以SC71B型射流式液动锤为例,为降低射流元件临界流速以减轻冲蚀,应设计40～42 mm的活塞直径、23～26 mm的活塞杆直径和11.2～23.5 kg的活塞冲锤质量。活塞直径增加23.5%时,射流元件临界流速降低了2/3;活塞杆直径增加60%时,射流元件临界流速提高了近4倍;活塞冲锤质量增加5倍时,射流元件临界流速只增加了1倍。     

基于LS-DYNA的射流式液动锤活塞回程缓冲结构的研究

为了减弱射流式液动锤活塞回程撞击缸体的应力波对射流元件的破坏,延长射流元件的寿命,提出在缸体中设置碟簧缓冲结构来吸收冲锤回程的冲击能,并应用LS-DYNA显示动力学分析手段,对活塞回程进行仿真分析,探究碟簧缓冲对射流元件受力状态的影响,结果表明：采用碟簧缓冲结构,射流元件的最大应力可降低40%～57%,有效改善了射流元件的应力状态,在液动锤实际工作中具有可行性。     

多孔紊动射流的数值模拟与实验研究进展

多孔射流作为流体运动的一种重要类型,在工程中具有非常广泛的用途。由于多孔射流各股水流之间的卷吸和掺混的存在,增加了流场的复杂性。长期以来研究人员从理论分析、实验测量和数值模拟方面对多孔紊动射流进行了大量的研究工作,目前已经认识了流场中的许多流动特性和流动机理。从数值模拟和实验研究两个方面,比较分析了国内外多孔紊动射流的研究现状和研究结果,评述了不同湍流模型以及不同实验测量方法对紊动射流的预测能力,讨论了存在的问题并对该领域的研究方向进行了展望。     

基于LSDYNA的射流式液动锤回程动力 外传机构研究

设计一种改变冲击应力波在射流式液动锤内传播途径的结构,分析在不同传播途径中应力波衰减程度的改变,基于LSDYNA显式动力学分析方法,对冲锤回程阶段进行仿真分析,探究冲锤回程冲击在液动锤内两种不同传播途径的模型中射流元件受到的应力变化。研究表明,动力外传机构通过避免对缸体上部的刚性碰撞,能大大降低射流元件所受到的冲击应力,并且外传机构的几何参数对应力的衰减也有一定的影响。     

射流式液动锤活塞回程缓冲机构

CFD动态分析了回程缓冲机构不同弹簧刚度系数对射流元件控制道内流动特性和活塞回程冲击速度的影响.实验结果表明:缓冲机构施加在活塞上的弹簧作用力不会影响射流元件主射流的正常附壁和切换,刚度系数较大的弹簧可以显著降低活塞回程冲击速度,减小回程中活塞对射流元件的冲击;弹簧增幅在5倍时,活塞回程冲击速度降幅为52.88%,有效避免了射流元件中硬质合金零件在工作中发生断裂的现象.     

海岸动力环境下射流运动研究综述

开展海岸动力环境下射流运动规律和扩散机理研究,对于丰富复杂动力条件下的射流基本理论、指导沿海地区污水有序向海排放有着重要的理论和现实意义。系统回顾和总结了国内外在这一领域的研究内容和相关研究成果,评述了潮流(水流)、波浪和波流环境下射流运动规律的研究进展,指出了进一步开展波流相互作用下射流运动研究的可行性和必要性,并提出了利用物理实验和大涡数值模拟手段对波流共同作用下射流特性进行综合研究的思路和方法。     

流动环境中圆孔水平热射流三维数值模拟

根据计算流体动力学理论,采用Realizable k-ε紊流模型和SIMPLEC算法,考虑浮力作用,利用有限体积法来离散求解流动环境中圆孔水平热射流的流动与传热控制方程,对流动环境中圆孔水平热射流进行了三维数值模拟,比较了不同流速比和不同射流出口温度条件下的流动特性和温度分布特性,得到了热射流轨迹的速度和温度衰减规律,分析了流速比和射流出口温度对热射流轨迹温度分布的影响。     

泡沫钻进流体循环用消泡器设计与数值模拟分析

高效、经济、环保的消泡技术是泡沫钻进流体循环利用的基础。根据气体引射器原理,设计了一种新型旋内喷式机械消泡装置,以压缩空气为动力介质,联合真空负压、冲击剪切、充气饱和及减速增压扩散4种作用方式快速消泡,实现泡沫流体的循环利用。利用计算流体动力学软件FLUENT对消泡器内部速度和压力流场进行了数值模拟分析,结果表明：旋内喷式消泡器内部产生两个相邻重叠的真空负压区域,能够对外界流体产生巨大的抽吸力,抽吸量是入口压缩空气质量流的1.6倍左右;当入口压缩空气的质量流为0.1 kg/s时,消泡器中心最大负压值达到了21 kPa;在交汇式喷射孔的多股射流交汇碰撞点附近,由于速度的提升,形成了一个更大的负压区域,对消泡产生积极作用。     

大直径反循环钻头流道结构的设计

基于反循环钻头孔底流动模拟实验器,对比研究了两种典型的底喷孔布置方式所对应的反循环形成效果,并通过流场数值模拟揭示了不同底喷孔布置方式对反循环形成效果的影响机理,确定了大直径反循环钻头底喷孔的合理布置方式;基于该实验器研究了内喷孔与底喷孔流道截面积分配比例,得到了流道截面积不同分配比例对反循环形成效果的影响规律;此外,提出了一种中心孔底面入口新的结构设计形式。结果表明,流道设计研究对改善和提高大直径反循环钻头的性能具有重要意义。      

Flow of non-Newtonian fluids in fractured porous media: Isogeometric vs standard finite element discretisation

A formulation has been derived for the flow of non-Newtonian (power-law) fluids in deformable, fractured porous media. The formulation is enhanced with a subgrid scale model to accurately represent the flow of the power-law fluids inside the cracks. The resulting equations have been discretised using standard (Lagrangian) finite element shape functions and with non-uniform rational B-splines (NURBS), which have been cast into a standard finite element datastructure using Bézier extraction. The effect of the power-law index on the velocity inside the fracture and on the total fluid flow through the porous medium has been analysed for a typical boundary-value problem. It is shown that large differences between non-Newtonian and linearised Newtonian fluids can occur for the fluid velocity inside the fracture. This can significantly influence the total fluid transport through the domain. A mesh sensitivity study has been carried out as well and shows that markedly smaller element sizes are required in order to obtain accurate results for the local flow inside the fracture, compared with the element sizes necessary for obtaining accurate results inside the porous medium away from the fracture. Moreover, a comparison has been made between the results obtained using standard Lagrange polynomials and those obtained using NURBS. It is shown that while both discretisation methods are able to accurately simulate the deformations and pressures in the porous medium, the higher interelement continuity of NURBS is mandatory for obtaining correct values of the fluid velocities inside the fracture, especially near the tips.     

CFD simulation and experimental analysis of flow dynamics and grinding performance of opposed fluidized bed air jet mill

This paper presents a three dimensional Computational Fluid Dynamics (CFD) model to investigate the flow dynamics of solid–gas phases during fine grinding in an air jet mill. Alpine 100AFG fluidized bed air jet mill is considered for the study and the jet milling model is simulated using FLUENT 6.3.2 using a standard k-ε model. The model is developed in GAMBIT 2.3.16 and meshed by tet/hybrid (T-Grid) and Triangular (Pave) meshes. The effects of operating parameters such as solid feed rate, grinding air pressure and internal classifier speed on the performance of the jet mill are analyzed. The CFD simulation results are presented in the forms of dual phase vector plot, volume fraction of phases and particle trajectories during fine grinding process. The mass of ground feed entering and leaving the cyclone (underflow) is also computed by simulation. The proposed model gives realistic predictions of the flow dynamics within the jet mill. Experiments are conducted on the Alpine 100AFG jet mill to study the particle size, morphology and mass of the ground product. The numerical results are found in good agreement with the experimental results.     

城区渗流场中建筑物间缝隙有限元简化分析方法

为解决城区渗流场中缝隙多、区域的大尺度与物体的小尺寸相差了几个数量级,有限元分析上存在的困难,根据缝隙流动的解析解,经适当地简化,将缝隙附近的渗流场分为缝外区和缝内区两部分,将缝外区流动简化为一个半径为半缝宽的井流,缝内区流动简化为一个均匀流。引入附加阻力系数,考虑缝隙出入口附近的由于过水断面突然变化而引的局部水头损失,并得到附加阻力系数的表达式。利用该式,结合渗流场中井点水头的修正公式,得到了能有效模拟渗流场中建筑物间缝隙的修正线单元公式。利用该线单元编制了相关程序模拟城区渗流场中的缝隙,使得缝隙出入口处的网格尺寸为缝隙两边的建筑物边长1/3～1/4时就能得到较为准确的结果,避免了区域性渗流场中小尺寸物体的网格划分问题,通过算例验证了该公式的精度和边界适应性。     

高拱坝宽尾墩三维流场数值模拟

高拱坝表孔宽尾墩收缩射流水舌的扩散特性与其出口流速分布密切相关,为了求得收缩射流的水力特性,应用RNGk ε双方程湍流模型对高拱坝表孔不同体型及过流量条件下可能出现的降水曲线流态、急流冲击波流态、水跃壅水流态、缓流流态4种流态进行了数值模拟计算,水流自由表面的模拟采用VOF法,得到了溢流水面及流速分布。结果表明,无论在何种流态下,计算所得的水面曲线均与物理模型试验值吻合良好,所得的出口流速分布结构也验证了高拱坝宽尾墩收缩射流水舌不同流态下分散的机理。     

城区渗流场中建筑物间缝隙有限元简化分析方法

为解决城区渗流场中缝隙多、区域的大尺度与物体的小尺寸相差了几个数量级，有限元分析上存在的困难，根据缝隙流动的解析解，经适当地简化，将缝隙附近的渗流场分为缝外区和缝内区两部分，将缝外区流动简化为一个半径为半缝宽的井流，缝内区流动简化为一个均匀流。引入附加阻力系数，考虑缝隙出入口附近的由于过水断面突然变化而引的局部水头损失，并得到附加阻力系数的表达式。利用该式，结合渗流场中井点水头的修正公式，得到了能有效模拟渗流场中建筑物间缝隙的修正线单元公式。利用该线单元编制了相关程序模拟城区渗流场中的缝隙，使得缝隙出入口处的网格尺寸为缝隙两边的建筑物边长1/3～1/4时就能得到较为准确的结果，避免了区域性渗流场中小尺寸物体的网格划分问题，通过算例验证了该公式的精度和边界适应性。     

自进式直旋混合射流钻头结构优化与钻孔能力分析

自进式射流钻头作为水力喷射径向钻井技术开采煤系气的核心部件,对钻井效率有决定性影响。为获取直旋混合射流钻头结构的最优参数,采用Fluent数值模拟与室内钻进试验相结合的办法,分析不同钻头结构参数下三维流场的速度特性,给出优化准则,并通过钻进试验加以验证,得到钻头的最优参数:中心孔孔径1.2 mm,叶轮槽槽宽0.7 mm,叶轮长度4.5 mm,叶轮径向长度3.5 mm,倾角45°,混合腔腔长6 mm。并通过理论分析解释了不同参数对钻头钻进速度产生变化的原因,主要是通过影响直旋混合射流中直射流与旋转射流的通量,进而引起射流三维的变化。采用灰色关联分析法得出各参数结构对钻进位移的敏感性系数由高到低依次为:中心孔孔径、叶轮槽宽、叶轮径向长度、混合腔腔长、叶轮倾角、叶轮长度。室内钻进试验结果表明:优化后的射流钻头具有更高的钻进效率,在关联分析中对钻进效率影响最大的是直射流与旋转射流通量,且直旋通量比在0.54时,射流能量分配较合理。研究成果对径向钻井煤层气、天然气开采中钻头的设计与结构优化具有指导意义。