鉆頭射流流動(dòng)數(shù)值模擬-石油工程等專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)-畢業(yè)論文

鉆頭射流流動(dòng)數(shù)值模擬石油工程等專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)畢業(yè)論文目錄第1章前言 11.1研究背景 11.1.1PDC鉆頭噴射鉆井現(xiàn)狀 11.1.2鉆頭射流在噴射下導(dǎo)管技術(shù)的應(yīng)用 11.2國(guó)內(nèi)外研究概況 51.2.1PDC鉆頭射流流動(dòng)模擬研究現(xiàn)狀 51.2.2射流應(yīng)用在噴射下導(dǎo)管技術(shù)研究現(xiàn)狀 5第2章射流基本理論 62.1射流概念 62.2射流技術(shù)的發(fā)展概況 82.3射流的分類 92.4射流技術(shù)的特點(diǎn) 102.5射流技術(shù)的應(yīng)用 112.6鉆頭射流特性及井底流場(chǎng)模型 122.6.1射流特性 122.6.2井底流場(chǎng)模擬 132.7鉆頭射流水力效率衡量參數(shù) 15第3章鉆頭射流數(shù)值模擬理論與操作過(guò)程 173.1流體力學(xué)基本方程組 173.2紊流模式理論概況 183.3離散方法 193.4流場(chǎng)的計(jì)算過(guò)程 213.5FLUENT軟件簡(jiǎn)介 213.5.1FLUENT軟件各組軟件之間關(guān)系 223.5.2用FLUENT程序求解問(wèn)題的步驟 223.5.3關(guān)于FLUENT求解器的說(shuō)明 233.6Gambit操作過(guò)程簡(jiǎn)介 233.7FLUENT操作過(guò)程簡(jiǎn)介 263.7.1與網(wǎng)格相關(guān)的操作 263.7.2建立求解模型 283.7.3設(shè)置邊界條件 303.7.4求解 32第4章鉆頭射流數(shù)值模擬及分析 374.1鉆頭流動(dòng)實(shí)體的幾何模型及網(wǎng)格劃分 374.2鉆頭射流數(shù)值模擬邊界條件 384.3數(shù)值模擬結(jié)果與分析 404.5結(jié)論 454.6建議 45致謝 47參考文獻(xiàn) 48第1章前言1.1研究背景在油氣田開(kāi)采過(guò)程中，鉆頭射流流動(dòng)關(guān)系到井下鉆頭的冷卻，潤(rùn)滑，鉆井液攜帶巖屑效率。同時(shí)，射流流場(chǎng)對(duì)深水鉆井噴射下導(dǎo)管技術(shù)液有重要影響。井底流場(chǎng)的特性與噴射下導(dǎo)管的效率、鉆井安全、井底清洗、巖屑運(yùn)移等有著密切的關(guān)系。1.1.1PDC鉆頭噴射鉆井現(xiàn)狀射流技術(shù)是近20年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一門高新技術(shù)，在采礦、冶金、石油、航空、建筑、化工、市政建設(shè)及輕工業(yè)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，并取得了可喜成果。該技術(shù)在鉆井方面有兩個(gè)重要應(yīng)用：PDC鉆頭噴射鉆井以及噴射下導(dǎo)管。無(wú)論海上或者陸地，用PDC鉆頭進(jìn)行噴射鉆井均能十分顯著地提高機(jī)械鉆速，節(jié)約鉆井成本，這是因?yàn)榫哂泻芨吣芰康哪酀{射流不僅能有效地清洗了井底，創(chuàng)造良好的破巖環(huán)境，而且強(qiáng)大的水力能量具有直接或輔助鉆頭機(jī)械破碎巖石的作用。1.1.2鉆頭射流在噴射下導(dǎo)管技術(shù)的應(yīng)用深水表層導(dǎo)管（也稱之為表層套管或結(jié)構(gòu)套管）是整個(gè)深水油井建造過(guò)程中安裝的第一層套管，它為其后所有的套管、海底防噴器組及將來(lái)生產(chǎn)用的水下采油樹(shù)等提供結(jié)構(gòu)支撐。噴射下導(dǎo)管技術(shù)，是將鉆具下入導(dǎo)管內(nèi)，利用導(dǎo)管及鉆具的重力和鉆井液的噴射來(lái)進(jìn)行巖石破碎的鉆井技術(shù)。利用該技術(shù)，實(shí)現(xiàn)鉆進(jìn)和下導(dǎo)管同時(shí)進(jìn)行，鉆井液返回液不通過(guò)套管與井眼的環(huán)空而是通過(guò)鉆桿與套管的環(huán)空返回海底，鉆至預(yù)定深度后，靜止竹柱，利用地層的粘附力和摩擦力穩(wěn)固導(dǎo)管，不需進(jìn)行固井作業(yè)，而后，起出管內(nèi)鉆具或繼續(xù)鉆進(jìn)[1-4]。利用噴射下入方法進(jìn)行表層導(dǎo)管安裝已經(jīng)是全世界進(jìn)行深水鉆井作業(yè)的通用作法。目前，大于500m為深水，大于1500m則為超深水。海上淺水區(qū)的導(dǎo)管作業(yè)通常采用鉆孔、下導(dǎo)管然后固井的作業(yè)方式。在深水區(qū)，由于海底淺部地層比較松軟，存在著泥線不穩(wěn)定問(wèn)題，地層孔隙壓力與破裂壓力之間的窗口很窄，采用常規(guī)的鉆孔——下導(dǎo)管——固井方式比較困難，而且作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)高、時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)于日費(fèi)昂貴的深水鉆井作業(yè)顯然不合適。目前新出現(xiàn)的深水噴射下導(dǎo)管技術(shù)是利用水射流和管串的重力，邊噴射開(kāi)孔邊下導(dǎo)管，同時(shí)在噴射管柱中下入動(dòng)力鉆具組合以提高作業(yè)效率（如圖1-1）。鉆至預(yù)定井深后,靜止管串,利用地層的粘附力和摩擦力穩(wěn)固住導(dǎo)管,然后脫手送入工具并起出管內(nèi)鉆具,從而完成導(dǎo)管的安裝。常用的動(dòng)力鉆具組合包括泥漿馬達(dá)、鉆鋌和鉆頭等部件。鉆具組合下入到泥線，泥漿馬達(dá)提供液力沖刷和鉆頭旋轉(zhuǎn)，巖屑和沉積物沿導(dǎo)管和噴射鉆具組合之間的環(huán)空上返，并通過(guò)送入工具上的返出口排放到外面。已鉆(沖刷)出的井眼輪廓小于套管直徑，套管依靠自重穿透軟的泥線地層，下入到井眼中。圖1-1噴射導(dǎo)管管串示意圖噴射下導(dǎo)管技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)為：a)噴射下導(dǎo)管技術(shù)可在鉆進(jìn)的同時(shí)下導(dǎo)管，解決了深水表層鉆孔后下導(dǎo)管不容易下入的難題。b)噴射下導(dǎo)管技術(shù)采用一開(kāi)二眼技術(shù)，一開(kāi)和二開(kāi)采用同一套鉆具組合，省去了一趟起下鉆時(shí)間，可節(jié)約鉆井時(shí)間，對(duì)于日花費(fèi)上百萬(wàn)美元的深水鉆井來(lái)說(shuō)，效益可觀。c)噴射下導(dǎo)管作業(yè)結(jié)束后無(wú)需固井，可避免因水泥漿密度過(guò)大而壓破地層,避免了固井時(shí)井漏問(wèn)題，同時(shí)可避免低溫等因素影響固井質(zhì)量而造成井口下沉[5]。噴射下導(dǎo)管的發(fā)展歷程[2]如下：噴射歷史可以追溯到在美國(guó)墨西哥灣在1960年的第一個(gè)浮動(dòng)鉆井平臺(tái)（由殼牌石油有限公司開(kāi)發(fā)），Minton描述了在該平臺(tái)上結(jié)構(gòu)套管的安裝過(guò)程。一個(gè)長(zhǎng)度為29-1/2英寸，壁厚為1.0英寸的導(dǎo)管通過(guò)組合驅(qū)動(dòng)器噴射過(guò)程在海底進(jìn)行安裝。導(dǎo)管由3英尺沖程的J型開(kāi)縫工具連接到噴射組合鉆具，這使得入噴射組合鉆具可以進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。噴射組合鉆具由5-1/2英寸鉆桿，兩個(gè)22英寸的含鉛鉆鋌組成。它重達(dá)60000磅，對(duì)海底沉積物施加沖擊力及額外刺穿重量。圖1-2給出了了該組合的示意圖。噴射接頭（不帶鉆頭及馬達(dá)）產(chǎn)生射流，鉆井液攜帶巖屑經(jīng)過(guò)導(dǎo)管外部返回。圖1-圖1-2最初的噴射組合示意圖圖1-3最初噴射過(guò)程19世紀(jì)70年代，諸如容積式泥漿馬達(dá)和井口頭下入工具的發(fā)展使得噴射技術(shù)得以發(fā)展。井口工具的接口使得噴射由原來(lái)的由導(dǎo)管外返回轉(zhuǎn)變?yōu)橛蓪?dǎo)管內(nèi)返回，這一結(jié)果使得土層擾動(dòng)量減少。容積式泥漿馬達(dá)使得鉆頭在噴射導(dǎo)管中的旋轉(zhuǎn)及沉積巖更有效的破碎、流態(tài)化成為可能。噴射技術(shù)傳播到全世界其它海域。Salies，Nogueira以及Evandro發(fā)表聲明：巴西石油公司于1993年開(kāi)始在坎普斯盆地進(jìn)行30英寸導(dǎo)管的噴射下導(dǎo)管。在20世紀(jì)90年代中期到后期，?？松梨诠镜淖庸緦娚涓拍顐鞯椒侵尬鞑繃?guó)家安哥拉，尼日利亞及剛果。在特立尼達(dá)拉島，加拿大，澳大利亞及西南亞的深水盆地，運(yùn)營(yíng)商都采用了噴射下導(dǎo)管作為首選的安裝方法。圖1-4顯示了目前噴射的基本過(guò)程。井底鉆具組合由鉆頭、泥漿馬達(dá)及其它部分組成，它在導(dǎo)管內(nèi)部，并與井口下入工具相連。這一混合組合下入到泥線。導(dǎo)管通過(guò)自身重量刺穿泥線沉積巖層，泥漿馬達(dá)產(chǎn)生鉆井液循環(huán)來(lái)提供水力沖洗以及鉆頭旋轉(zhuǎn)。這一過(guò)程之所以叫“射流”是因?yàn)槌练e物沿導(dǎo)管進(jìn)行水力沖洗。因?yàn)殂@進(jìn)或者沖洗的區(qū)域比導(dǎo)管外徑小，導(dǎo)管通過(guò)施加在地層上的自重?cái)D壓進(jìn)入比自身小的鉆孔中。被水力沖擊而破碎松散的巖屑及沉積物通過(guò)導(dǎo)管環(huán)空上行通過(guò)噴射井底鉆具組合。環(huán)空中的沉積物經(jīng)過(guò)井口裝置及井口下入工具的接口進(jìn)入海洋。圖1-4目前噴射下入表層導(dǎo)管示意圖1.2國(guó)內(nèi)外研究概況1.2.1PDC鉆頭射流流動(dòng)模擬研究現(xiàn)狀井底流場(chǎng)數(shù)值模擬研究的現(xiàn)狀[6]如下：鉆頭井底流場(chǎng)是指以井底面為基礎(chǔ)，向上至均勻環(huán)空流場(chǎng)為止的空間流場(chǎng)。由于鉆頭的結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣，鉆頭在井底工作時(shí)多噴嘴撞擊射流在井底的液流流動(dòng)規(guī)律十分復(fù)雜，使得人們?cè)谶M(jìn)一步深入了解井底流場(chǎng)結(jié)構(gòu)和液流流動(dòng)特性方面從認(rèn)識(shí)手段上還存在著一定的困難。以往對(duì)這一問(wèn)題的研究中，主要采用實(shí)驗(yàn)研究的方法，并且取得了不少的實(shí)驗(yàn)研究成果。但由于目前流體實(shí)驗(yàn)測(cè)量技術(shù)和流場(chǎng)顯示技術(shù)的限制，致使人們利用實(shí)驗(yàn)研究井底流場(chǎng)，只能得到有限條件下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，無(wú)論是流場(chǎng)研究、壓力場(chǎng)研究，還是速度場(chǎng)研究、排屑能力研究，所得結(jié)果均比較粗糙、簡(jiǎn)單，并且沒(méi)有定量化、規(guī)律化和預(yù)見(jiàn)能力，因而不能有效地用于新型鉆頭設(shè)計(jì)和產(chǎn)品評(píng)價(jià)。為了發(fā)展有預(yù)見(jiàn)性的定量化井底流場(chǎng)研究技術(shù)，人們將目光轉(zhuǎn)向了井底流場(chǎng)的數(shù)值模擬方向。至今為止，國(guó)內(nèi)外多家機(jī)構(gòu)進(jìn)行了這方面的工作:休斯公司、Smith公司、克里斯坦森、挪威國(guó)家流體研究所、中國(guó)石油大學(xué)和西南石油學(xué)院等。所用方法主要有三大類:一是根據(jù)N-S方程編制令用軟件(如休斯的牙輪鉆頭流場(chǎng)模擬、中國(guó)石油大學(xué)PDC鉆頭井底流場(chǎng)的數(shù)值模擬[7]；二是用通用流體力學(xué)軟件建立三維實(shí)體模型進(jìn)行解算，其實(shí)質(zhì)仍為N-S方程的數(shù)值解(如Christanson的PDC鉆頭流道設(shè)計(jì)，挪威國(guó)家研究所的鉆頭流場(chǎng)，中國(guó)石油大學(xué)、西南石油學(xué)院牙輪鉆頭井底流場(chǎng)[8]等)；三是采用近似方法，如西南石油學(xué)院的井底漫流流場(chǎng)研究。1.2.2射流應(yīng)用在噴射下導(dǎo)管技術(shù)研究現(xiàn)狀在國(guó)外自19世紀(jì)60年代開(kāi)始得到發(fā)展，殼牌公司、巴西石油公司、?？松梨诠镜戎揪M(jìn)行探索研究，早期的研究?jī)?nèi)容主要集中在噴射下導(dǎo)管的設(shè)計(jì)以及施工上[2,4]。國(guó)內(nèi)對(duì)該技術(shù)的研究起步較晚，現(xiàn)有的研究方向?yàn)榫斫Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[9]、力學(xué)分析[10-12]、下入深度確定[13,14]等。第2章射流基本理論2.1射流概念流體從小孔、噴嘴或者管道進(jìn)入較大的空間，繼續(xù)擴(kuò)散流動(dòng)，形成射流。此空間的介質(zhì)可以是流動(dòng)的，也可以是靜止的。射流的基本特點(diǎn)：射流對(duì)周圍流體有強(qiáng)烈的卷吸作用，使得射流寬度沿流動(dòng)方向不斷增加，卻遠(yuǎn)小于射流長(zhǎng)度。在射流中垂直于流動(dòng)方向的速度梯度遠(yuǎn)大于沿流動(dòng)方向的速度梯度。在射流的外邊界上，即間斷面上，射流與周圍介質(zhì)相互作用將產(chǎn)生極不穩(wěn)定的旋渦，其旋渦的運(yùn)動(dòng)可以是沿著橫向的，也可以是沿著縱向的。而這些旋渦有大尺度的，也有小尺度的，大尺度的旋渦運(yùn)輸能量，小尺度的旋渦耗散能量。這些大大小小的旋渦運(yùn)動(dòng)和分布都是雜亂無(wú)章的、隨機(jī)的。射流的內(nèi)邊界和外邊界之間的區(qū)域?yàn)檫吔鐚?。在邊界層?nèi)由于旋渦的運(yùn)動(dòng)使流體質(zhì)點(diǎn)之間產(chǎn)生質(zhì)量、動(dòng)量交換及溫度交換。交換的結(jié)果是:在射流邊界層內(nèi)產(chǎn)生沿橫的時(shí)均速度，沿射流的軸向也將產(chǎn)生時(shí)均速度的變化。射流邊界層橫向?qū)挾确Q為射流邊界層厚度，其值等2b，如圖2-1所示。圖2-1表示了主射流從噴嘴中流出到另一射流中的情況(伴隨射流)。從噴嘴射出的主射流起始速度為，次射流的速度為,大于。在CAC'錐形區(qū)域的射流速度等于噴嘴出口的速度。此區(qū)稱為核心區(qū)(等速核)，區(qū)內(nèi)的流動(dòng)為有勢(shì)流。CA為射流的內(nèi)邊界，CBDF為射流的外邊界。內(nèi)外邊界之間的空間區(qū)域?yàn)檫吔鐚?。在射流的起始?噴嘴的出口處)的厚度等于零，即b=0。隨著噴距的增加射流邊界層的厚度(2b)增加。絕大多數(shù)的射流是紊流射流。由于具有紊動(dòng)性，射流不斷地卷吸周圍的流體，使外邊界CBDF隨時(shí)間上下波動(dòng)，但在宏觀上可以近似認(rèn)為一條射線。圖2-1射流結(jié)構(gòu)示意圖射流的幾何結(jié)構(gòu)如上圖所示，可分為初始段、過(guò)渡段和基本段。初始段:由噴嘴出口至等速核斷面之間的射流區(qū)域稱為射流的初始段。該段的核心區(qū)內(nèi)的速度等于噴嘴出口的速度u0，為有勢(shì)流，各點(diǎn)的速度大小、方向均相同。射流的內(nèi)邊界和外邊界之間的區(qū)域?yàn)榧羟袑踊蚍Q為邊界層。在剪切層內(nèi)存在速度梯度，因而產(chǎn)生雷諾應(yīng)力。在此區(qū)內(nèi)隨著噴距的增加核心區(qū)逐漸減少，最后消失。過(guò)渡段由此斷面開(kāi)始。過(guò)渡段:從等速核消失的BB'斷面至DD’斷面之間的區(qū)域稱為過(guò)渡段。BD線不是射線，而是由CB射線過(guò)渡到DF射線的過(guò)渡線。在過(guò)渡段中的流動(dòng)情況極為復(fù)雜，但是這段區(qū)域較短，在射流計(jì)算中通常忽略不計(jì)。過(guò)渡段末的斷面稱為轉(zhuǎn)折斷面，也是基本段的開(kāi)始?；径?轉(zhuǎn)折斷面以后的區(qū)段稱為基本段。在該段中射流的紊動(dòng)特性充分地表現(xiàn)出來(lái)。射流極點(diǎn):射流基本段的外邊界射線的交點(diǎn)。為極點(diǎn)，在由極點(diǎn)發(fā)出的射線上各流體質(zhì)點(diǎn)的時(shí)均速度相等，稱為等速線(等值線)。極點(diǎn)可能在噴嘴內(nèi)部，也可能在噴嘴的外部，與噴嘴內(nèi)流道的幾何參數(shù)(尺寸)有關(guān)。2.2射流技術(shù)的發(fā)展概況19世紀(jì)中葉，在北美洲第一次使用射流開(kāi)采非固結(jié)的礦床。本世紀(jì)50年代初前蘇聯(lián)和中國(guó)利用射流進(jìn)行采煤(稱為水力采煤)。隨著水力采煤技術(shù)的推廣，人們認(rèn)識(shí)到提高水的壓力和適當(dāng)減小噴嘴直徑可以顯著地提高射流落煤效果。于是人們開(kāi)始研究較高壓力的壓力源(高壓泵和增壓器)及高壓脈沖射流(俗稱水炮)。進(jìn)人60年代，大批高壓柱塞泵和增壓器的問(wèn)世大大推動(dòng)了射流技術(shù)的研究工作。當(dāng)時(shí)，部分學(xué)者片面認(rèn)為射流的壓力越高越好。日本研究出1900MPa的增壓器，前蘇聯(lián)和美國(guó)研究出5600MPa的脈沖射流發(fā)生器。到70年代末，射流技術(shù)出現(xiàn)了一個(gè)新的動(dòng)向，即從單一提高射流壓力轉(zhuǎn)向研究如何提高射流的威力。開(kāi)始出現(xiàn)了高頻沖擊射流、共振射流和磨料射流，這些射流的水壓并不算太高，但它們的威力卻大大高于同樣壓力下的普通連續(xù)射流。20世紀(jì)80年代后，為提高射流的總體沖擊效果，相繼出現(xiàn)了以脈沖射流、空化射流和磨料射流等為代表的高效射流。不同的射流方式有其各自的特點(diǎn)和應(yīng)用。脈沖射流是以脈沖的形式將射流作用在靶體上，主要有阻斷式、激勵(lì)式和擠出沖擊式。它能充分利用水錘效應(yīng)，使作用在靶物上的作用力增大，便于材料的破壞裂紋迅速擴(kuò)散。脈沖射流在靶物表面產(chǎn)牛的沖擊力會(huì)大大的超過(guò)了一般連續(xù)射流的滯止壓力，從而非常顯著地提高了射流的切割、破碎能力。而在20世紀(jì)七、八十年代發(fā)展起來(lái)的空化射流技術(shù)，則是一種利用空化破壞能量的成功嘗試?？栈淞魇侵冈趶膰娮斐鰜?lái)的射流內(nèi)人為地誘發(fā)空泡初生，適度地控制噴嘴出口截面與靶物表面之間的距離，使空泡在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中長(zhǎng)大，并使空泡在射流沖擊靶物表面的滯止壓力作用下潰滅?？栈淞髟谙嗤脡汉土髁織l件下，清洗與切割效果大大優(yōu)于普通射流。目前，空化射流理論及應(yīng)用研究異?；钴S，已發(fā)展到深水切割、航天、航空和核反應(yīng)堆等的清洗，以及利用空化射流空泡潰滅時(shí)產(chǎn)生的復(fù)雜物理、化學(xué)效應(yīng)進(jìn)行污水處理。在切割作業(yè)當(dāng)中，如果采用高壓純射流來(lái)切割鋼材和鋼筋混凝七等材料，需要約700～1000MPa的極高壓力。然而在較低壓力下，磨料射流就能有效地完成上述切割作業(yè)。磨料射流是將一定數(shù)量的磨料與高壓水互相混合而形成的液固兩相射流。高壓水的部分動(dòng)能傳遞給磨料，從而把射流對(duì)靶體的持續(xù)作用變?yōu)槟チ狭Ｗ恿鲗?duì)靶體的高頻沖擊、磨削作用，從而大大地提高了射流的品質(zhì)和工作效率。由于磨料射流成本低，切割效率比相同條件下的射流高8～10倍，因此，磨料射流一問(wèn)世，便在清洗、除銹、切割和破巖等作業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用。同時(shí)，各國(guó)學(xué)者也開(kāi)始對(duì)各種射流的基礎(chǔ)理論和切割機(jī)理等方面進(jìn)行研究。射流技術(shù)的應(yīng)用范圍也由采礦工業(yè)擴(kuò)大到航空、建筑、建材、交通運(yùn)輸、市政建設(shè)、化工、機(jī)械、輕工業(yè)及醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。射流作為一種良好的切割、破碎和清洗垢的工具，已被人們所公認(rèn)，一大批射流切割機(jī)、采煤機(jī)、掘進(jìn)機(jī)、打樁機(jī)和不同用途、不同形式的清洗機(jī)已投人市場(chǎng)。中國(guó)射流技術(shù)的研究是從本世紀(jì)70年代開(kāi)始的，最初主要是在煤炭部門研究和應(yīng)用，以后逐漸發(fā)展到石油、冶金、航空、化工、建筑、機(jī)械、市政建設(shè)和交通等領(lǐng)域。經(jīng)過(guò)20多年的研究和實(shí)踐，取得很大進(jìn)展，開(kāi)發(fā)出了一批新技術(shù)和新產(chǎn)品，有的在國(guó)際上還處于先進(jìn)水平。我國(guó)從1979年開(kāi)始每?jī)赡暾匍_(kāi)一次全國(guó)射流技術(shù)討論會(huì)，至今已舉行8次，并出版了《高壓射流》雜志。1987年在北京還組織召開(kāi)了第一屆環(huán)太平洋國(guó)際射流會(huì)議。1995年成立了中國(guó)勞動(dòng)保護(hù)科學(xué)技術(shù)學(xué)會(huì)射流技術(shù)專業(yè)委員會(huì)。為發(fā)展我國(guó)射流技術(shù)起到了巨大的推動(dòng)作用?；仡櫳淞骷夹g(shù)的發(fā)展概況，大體上可分為四個(gè)階段:(1)第一階段(探索試驗(yàn)階段):60年代初，主要研究低壓射流采礦。(2)第二階段(設(shè)備研制階段):60年代初至70年代初，主要研制高壓泵、增壓器和高壓管件，同時(shí)推廣射流清洗技術(shù)。(3)第三階段(工業(yè)應(yīng)用階段):70年代初至80年代初，主要特點(diǎn)是大量的射流采煤機(jī)、切割機(jī)、清洗機(jī)相繼問(wèn)世，并進(jìn)行了工業(yè)試驗(yàn)和推廣應(yīng)用。其應(yīng)用領(lǐng)域也由采礦發(fā)展到其他領(lǐng)域。(4)第四階段(迅速發(fā)展階段):80年代初至90年代中，主要特點(diǎn)是射流技術(shù)研究進(jìn)一步深化，磨料射流、空化射流和自激振動(dòng)射流等新型射流發(fā)展很快，許多產(chǎn)品已達(dá)到商品化。2.3射流的分類（1）按流體性質(zhì)分類：氣體射流和液體射流。（2）按流態(tài)：射流分為層流射流和紊流射流。在工程中，射流雷諾數(shù)一般較高，大都屬于紊流射流。鉆井液經(jīng)過(guò)噴嘴的流動(dòng)都屬于紊流射流。（3）按驅(qū)動(dòng)壓力分類：低壓（0.5-35MPa），高壓（35-140MPa），超高壓（140-420MPa）。按工作和環(huán)境介質(zhì)分類:淹沒(méi)射流(射流的工作介質(zhì)與環(huán)境介質(zhì)相同)和非淹沒(méi)射流(環(huán)境介質(zhì)與工作介質(zhì)不同)。（4）按固壁條件分類：流體射流的作業(yè)環(huán)境內(nèi)有或沒(méi)有固體壁面的限制，對(duì)射流的形成和動(dòng)力特性有明顯的影響。在有固壁約束下的射流稱為非自由射流;反之，則為自由射流。淹沒(méi)射流不受固壁的限制，這種射流稱為淹沒(méi)自由射流;反之，稱淹沒(méi)非自由射流。同樣，非淹沒(méi)射流不受固壁條件約束，稱為非淹沒(méi)自由射流;反之，稱為非淹沒(méi)非自由射流。噴射鉆井中的鉆井液經(jīng)鉆頭噴嘴流出后，不僅被井筒的液體所淹沒(méi)，而且還收到井壁和井底的限制以及飯噴液流的干擾。所以從鉆頭噴嘴流出的液流是淹沒(méi)非自由射流。（5）按射流流體力學(xué)特性分類：定常射流（射流的各個(gè)斷面上的流體力學(xué)特性不隨時(shí)間而變化，僅為位置的函數(shù)）和非定常射流（射流各斷面上的流體力學(xué)特性不僅隨位置而變化，而且隨時(shí)間而變化）。定常射流一定是連續(xù)射流，而非定常射流可以是連續(xù)射流，也可以是非連續(xù)射流。噴射鉆井在泵壓和排量穩(wěn)定的情況下，從鉆頭噴嘴流出的射流基本上可認(rèn)為是定常射流，其物理特性基本上不隨時(shí)間而變化。（6）按射流對(duì)物料的施載特性分類：連續(xù)射流、沖擊射流和混合射流。連續(xù)射流對(duì)物料施載開(kāi)始時(shí)有一個(gè)短時(shí)的沖擊峰值壓力，以后是穩(wěn)定的較低壓力。這種射流只有沖擊峰值壓力后的穩(wěn)定壓力才具有代表性。這種射流常用于切割和清洗物料；沖擊射流對(duì)物料的施載特點(diǎn)是產(chǎn)生一個(gè)只持續(xù)極短時(shí)間的壓力峰值，這時(shí)只有壓力峰值才具有代表性。高速水滴沖擊和脈沖射流可以看作是沖擊射流；介于上面兩種施載方式之間的射流為混合射流。其施載特點(diǎn)是沖擊壓力和穩(wěn)定壓力相結(jié)合?？栈淞骺梢钥醋魇腔旌仙淞?。具有一定長(zhǎng)度的液柱間斷射流，其施載過(guò)程為一沖擊壓力加上一段穩(wěn)定壓力。穩(wěn)定壓力維持時(shí)間與柱狀液滴速度和大小有關(guān)。2.4射流技術(shù)的特點(diǎn)射流技術(shù)之所以能得到這樣高速的發(fā)展，主要是這種技術(shù)與其他加工方法相比具有一系列優(yōu)點(diǎn)。優(yōu)點(diǎn)主要有：(1)工作介質(zhì)低廉射流工作介質(zhì)是水，不僅易取而且成本低廉。如果進(jìn)行切割加工，由于噴嘴小(一般0.5mm以下)，用量很少，而且水一般無(wú)污染。(2)切口窄而整齊用射流切割物料時(shí)，射流對(duì)切割物的作用力集中在射流噴射方向，其橫向分力很小。因此，切口窄而整齊，可以對(duì)物料進(jìn)行精密切割和成形加工。(3)工作機(jī)件易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制由于射流機(jī)構(gòu)具有噴頭體積小、后坐力小、移動(dòng)方便，便于實(shí)現(xiàn)光控、數(shù)控或機(jī)械手控制。利用機(jī)械手可以在人不能靠近的危險(xiǎn)環(huán)境下工作，如拆除廢核反應(yīng)堆的混凝土掩體和清洗有毒、易爆的容器等。(4)能降溫、除塵和延長(zhǎng)截齒壽命射流用在煤礦采掘機(jī)上，它除參與切割提高采掘能力外，還可以冷卻和潤(rùn)滑截齒，減少磨損，提高截齒壽命。同時(shí)，還能降低采掘工作面的粉塵，實(shí)現(xiàn)無(wú)火花切割，從而為煤礦采掘工作提供一個(gè)安全衛(wèi)生的環(huán)境。(5)體積小射流整套裝置體積小，可以裝在汽車上進(jìn)行遠(yuǎn)距離野外作業(yè)。射流技術(shù)雖然有以上優(yōu)點(diǎn)，但也存在著一些需要進(jìn)一步解決的問(wèn)題。主要有:（1）與機(jī)械切割相比，消耗比能高。（2）一些射流部件還不太過(guò)關(guān)，如超高壓泵、旋轉(zhuǎn)密封、耐磨噴嘴和高壓管件等。2.5射流技術(shù)的應(yīng)用射流技術(shù)的應(yīng)用范圍和領(lǐng)域十分廣泛。應(yīng)用范圍主要有以下五個(gè)方面:(1)工業(yè)切割；(2)挖掘、開(kāi)采和鉆探；(3)巖石切割和掘進(jìn)；(4)表面清洗；(5)材料破碎。射流技術(shù)在石油鉆井中的應(yīng)用——噴射鉆井技術(shù)：噴射鉆井技術(shù)是高壓射流技術(shù)在石油鉆井中的一個(gè)具體應(yīng)用。在鉆進(jìn)中，及時(shí)將鉆頭牙齒所破碎的巖屑沖離井底并攜帶出來(lái)，是安全快速鉆井的重要條件之一。噴射鉆井的一個(gè)顯著特點(diǎn)就是從鉆頭噴嘴中噴出強(qiáng)大的鉆井液射流，它具有很高噴射速度和很大水功率，能給予井底巖屑一個(gè)很大的沖擊力，從而使巖屑及時(shí)、迅速的離開(kāi)井底，始終保持井底干凈。這就是噴射鉆井能夠大幅度提高鉆速的主要原因之一。鉆井液射流的作用，不僅能使巖屑沖離井底，而且在一定條件下可直接破碎巖石，這一理論已被噴射鉆井的實(shí)踐所證明。我國(guó)從60年代初期開(kāi)始研究噴射鉆井理論，70年代初期開(kāi)始現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，成效顯著。1978年全國(guó)各油田大力推廣噴射鉆井技術(shù)，在相同地層和參數(shù)條件下，噴射鉆并比普通鉆井速度提高一倍以上，鉆井成本明顯降低；而且隨著泵壓增加，效果更加顯著。70年代噴射鉆并，泵壓一般為10-12MPa；80年代普遍增加到18-20MPa,1983年，石油天然氣總公司(原石油工業(yè)部)提出了我國(guó)噴射鉆井發(fā)展三個(gè)階段的總體規(guī)劃，逐步提高泵壓和水功率。噴射鉆井三階段的特點(diǎn)和參數(shù)如表2-1所示:表2-1噴射鉆井三階段特點(diǎn)和參數(shù)階階段泵泵壓/M/比比水功率水/噴噴速速/排排量量/鉆速度進(jìn)/一一1010-12464652-52039595-1053232-366 6二二1414-15575782-6938121252626-281010三三1818-20808094-1156314145-1652424-261414由此可見(jiàn)，隨著泵壓和水功率增加，鉆井速度明顯提高。第二階段比第一階段鉆速提高60%，第三階段比第二階段鉆速提高40%。我國(guó)噴射鉆井技術(shù)與國(guó)外傳統(tǒng)噴射鉆井技術(shù)相比較有兩點(diǎn)發(fā)展:第一是突破了傳統(tǒng)噴射鉆井經(jīng)濟(jì)水功率范圍的限制。按傳統(tǒng)噴射鉆井理論，射流只起清除巖屑的作用，比水功率應(yīng)該限定在2313-5782kW/m2，范圍內(nèi)。該范圍內(nèi)的水功率稱為經(jīng)濟(jì)水功率。超過(guò)此范圍，鉆速不再增加，而成本將上升。我國(guó)噴射鉆井水功率大多超過(guò)這一范圍，實(shí)踐證明，水功率增加，鉆速繼續(xù)提高，成本繼續(xù)下降。第二點(diǎn)發(fā)展是射流不僅起著清巖、作用，而且起破巖作用。室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐都證明，在目前泵功率條件下，隨著射流壓力和水功率的增加，鉆井速度呈線性增加，成本直線下降，未發(fā)現(xiàn)拐點(diǎn)。這充分說(shuō)明射流的破巖作用。這一認(rèn)識(shí)上的飛躍，是一次突破性的發(fā)展。因此在泵功率允許的條件下，應(yīng)盡量提高泵壓和水功率。2.6鉆頭射流特性及井底流場(chǎng)模型2.6.1射流特性鉆井液從鉆頭噴嘴流出的射流屬于淹沒(méi)紊流非自由定常射流。射流出噴嘴后，由于摩擦作用，射流流體與周圍流體產(chǎn)生動(dòng)量交換，帶動(dòng)周圍流體一起運(yùn)動(dòng)，使射流的周界肖徑不斷擴(kuò)大。射流縱刨面上周界母線的夾角稱為射流擴(kuò)散角(如圖2-2中的α)，射流擴(kuò)散角α表示了射流的密集程度。顯然α越小，則射流的密集性越高，能量就越集中。射流在噴嘴出口斷面，各點(diǎn)的速度基本相等，為初始速度。隨著射流的運(yùn)動(dòng)和向前發(fā)展，由于動(dòng)量交換并帶動(dòng)周圍介質(zhì)運(yùn)動(dòng)，首先射流周邊的速度分布受到影響，且影響范圍不斷向射流中心推進(jìn)，使原來(lái)保持初始速度運(yùn)動(dòng)的流束直徑逐漸減小，直至射流中心的速度小于初始速度。射流中心這一部分保持初始速度流動(dòng)的流束，稱為射流等速核(如圖2-2所示)。射流等速核的長(zhǎng)度主要受噴嘴直徑和噴嘴內(nèi)流道的影響。由于周圍介質(zhì)是由外向里逐漸影響射流的，在射流的任一橫截而上，射流軸心上的速度最高，自射流中心向外速度很快降低，到射流邊界上速度為零(射流各截而上的速度分布見(jiàn)圖2-2)。在等速核以內(nèi)，射流軸線上的速度等于出口速度；超過(guò)等速核以后，射流軸線上的速度圖2-2噴射式鉆頭的井底射流特性規(guī)律圖2-3射流軸線上的速度衰減規(guī)律迅速降低。射流軸線上的速度衰減規(guī)律如圖2-3所示。圖中為噴嘴直徑；L為射流軸線上某點(diǎn)距出口的距離；為射流出口流速；為距出口L處的最大流速?？偨Y(jié)，淹沒(méi)非自由射流速度分布有如下規(guī)律：（1）在射流剛出口的斷面上，各點(diǎn)速度分布基本相等，質(zhì)點(diǎn)將保持出口時(shí)流速的大小和方向；（2）在射流中心，由于受到介質(zhì)影響較小，速度最高；（3）射流出口后有一段長(zhǎng)度，這段長(zhǎng)度內(nèi)的中心部分始終保持剛出口的速度稱為射流的等速核；(4)射流在軸線方向上超過(guò)初始階段后其速度與該點(diǎn)距極點(diǎn)的距離成反比。射流撞擊井底后，射流的動(dòng)能轉(zhuǎn)換成對(duì)井底的壓能，形成井底沖擊壓力波。且射流流體在井底限制下沿井底方向流動(dòng)，形成一層沿井底高速流動(dòng)的漫流。射流具有等速核和擴(kuò)散角；在射流橫截而上中心速度最大；在射流軸線上，超過(guò)等速核以后射流軸線上的速度迅速降低；撞擊井底后，形成井底沖擊壓力波和井底漫流；這是淹沒(méi)非自由連續(xù)射流的基本特征。2.6.2井底流場(chǎng)模擬（1）單噴嘴射流井底流場(chǎng)物理模型：假設(shè)單噴嘴在鉆頭中心，且噴嘴位置距井壁有一定距離；鉆頭旋轉(zhuǎn)速度低，它所引起的射流質(zhì)點(diǎn)周向速度與軸向速度相比是很小的，故可假定鉆頭靜止不轉(zhuǎn)。從噴嘴噴出的射流沖擊到井底后又從井底反噴并向四周橫向擴(kuò)散，到達(dá)井壁附近向上拐入環(huán)形空間。因此井底流場(chǎng)的物理模型可以分為如圖2-4所示的四個(gè)區(qū)。圖2-4單噴嘴井底流場(chǎng)的物理模型第Ⅰ區(qū)：為近似自由射流的淹沒(méi)射流區(qū)，可以用一個(gè)流動(dòng)液體的圓錐體來(lái)說(shuō)明它的特征。該流動(dòng)液體以射入周圍液體時(shí)發(fā)生擴(kuò)散，其速度逐漸衰減。沿射流軸線產(chǎn)生最大的速度。當(dāng)x（距噴嘴出口的軸向距離）大于噴嘴直徑d六倍時(shí)，可按下式計(jì)算：（2-1）式中，為常數(shù)。=5.75~7.32，通常取=6.3。第Ⅱ區(qū)：沖擊區(qū)。通過(guò)測(cè)速可以確定沖擊區(qū)的軸向起始位置約為0.86L(L為噴距)。沖擊中心為滯流點(diǎn)（死點(diǎn)）。在沖擊區(qū)正向射流和反噴液流相互作用下，必然形成強(qiáng)烈的漩渦。已有不少研究者對(duì)沖擊區(qū)進(jìn)行過(guò)實(shí)驗(yàn)研究。例如，戴維尼波（Davanipour）等研究了短沖擊距地非自由射流，貝爾塔斯（Beltaos）等研究了長(zhǎng)沖擊距的非自由射流。他們的研究結(jié)果表明，壁面（指井底平面）上的壓力沿徑向隨距滯流點(diǎn)（或稱“死點(diǎn)”）的距離而遞減，并在距滯流點(diǎn)r=0.22L處降至環(huán)境液體所具有的壓力。沖擊射流的最大剪切應(yīng)力的位置在距滯流點(diǎn)r=0.14L處。壁面（指井底平面）上的剪應(yīng)力沿徑向隨距滯流點(diǎn)的距離而遞減，并在r=0.3L處降至其最大值的一半。第Ⅲ區(qū)：井底漫流區(qū)，常稱為壁面射流區(qū)。流體質(zhì)點(diǎn)的速度主要是沿井底向外的橫向速度，沿井眼軸線方向的流速幾乎為零，可近似地看作是二維流動(dòng)問(wèn)題。漫流速度與射流的動(dòng)量通量的平方根成正比(Q為環(huán)空中鉆井液排量，為噴嘴出口流速)，與距滯流點(diǎn)之半徑r成反比。第Ⅳ區(qū)：近壁區(qū)。在這一區(qū)域內(nèi)存在滯流區(qū)（死區(qū)），并有強(qiáng)烈的渦旋。（2）多噴嘴射流井底流場(chǎng)物理模型[8]：通過(guò)分析計(jì)算所得的流場(chǎng)結(jié)果，這種非自由淹沒(méi)多股射流的流場(chǎng)可以分為如圖2-5所示的六個(gè)區(qū)域：圖2-5多噴嘴井底流場(chǎng)的物理模型（A）離噴嘴出口較近的射流高速區(qū)；（B）產(chǎn)生壓力波沖擊井底的沖擊區(qū)；（C）沖洗井底并攜巖的徑向漫流區(qū)；（D）鉆井液排出至環(huán)空的過(guò)渡區(qū)；(E)占據(jù)空間的射流大渦區(qū)；(F)多股射流干擾區(qū)2.7鉆頭射流水力效率衡量參數(shù)射流對(duì)井底清洗的兩個(gè)主要作用形式：射流的沖擊壓力作用；漫流的橫推作用。人們?cè)谒ψ饔脤?duì)井底清洗機(jī)理認(rèn)識(shí)上的差異，通常有最大鉆頭水功率、最大射流沖擊力和最大射流噴速三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，目前鉆井現(xiàn)場(chǎng)常用的是最大鉆頭水功率和最大射流沖擊力標(biāo)準(zhǔn)。王寧從現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐和理論兩個(gè)方面討論了水力參數(shù)對(duì)PDC鉆頭的影響。在泵功率一定的條件下，PDC鉆頭的機(jī)械鉆速對(duì)排量更敏感。井底漫流與射流對(duì)機(jī)械鉆速都有極其重要的作用，最佳水力效果不是在射流水功率最大時(shí)，還必須同時(shí)考慮漫流的水力作用。提出漫流水功率的概念，并以漫流水功率最大為約束條件求取射流水功率的極值，建立了PDC鉆頭最優(yōu)排量和泵壓的關(guān)系式，并得出PDC鉆頭的鉆井水力參數(shù)優(yōu)選設(shè)計(jì)應(yīng)采用最大沖擊力工作方式[15]。射流作用在井底的沖擊力：(2-2)式中——射流沖擊力，；——噴嘴出口射流壓力，；——特征半徑，；λ——軸心壓力衰減系數(shù)，；——噴嘴出口射流壓力，；——射流中心最大壓力，；——無(wú)因次噴距(即射流等速核長(zhǎng)度L與噴嘴直徑的比值)，；——無(wú)因次等速核長(zhǎng)度（即等速核與噴嘴直徑的比值），；——無(wú)因次半衰距（即射流軸心速度自噴出后衰減到一半的距離與噴嘴直徑的比值）；，當(dāng)<≤時(shí)，當(dāng)>時(shí)（2-3）特征半徑即半衰徑：射流噴出噴嘴出口后，在某一橫截剖面上，中心壓力沿徑向衰減到一半時(shí)的距離叫半衰徑。（2-4）式中，—噴嘴直徑，；同時(shí)，環(huán)空中鉆井液上返速度應(yīng)滿足攜巖要求。巖屑的沉降速度可以計(jì)算如下：（2-5）式中——巖屑的沉降速度，；巖屑的直徑，；——巖屑的密度，；——鉆井液密度，；——阻力系數(shù)，無(wú)因次。紊流時(shí)（Re>2000），=1.5。環(huán)形空間內(nèi)鉆井液的上返速度必須大于巖屑的沉降速度。第3章鉆頭射流數(shù)值模擬理論與操作過(guò)程3.1流體力學(xué)基本方程組流體的流動(dòng)一般遵循三個(gè)基本的守恒定律：質(zhì)量方程、動(dòng)量守恒和能量守恒，具體體現(xiàn)為連續(xù)性方程（質(zhì)量守恒方程）、動(dòng)量方程和能量方程。對(duì)于所有流動(dòng)，F(xiàn)luent都求解質(zhì)量和動(dòng)量守恒方程。對(duì)于包含傳熱或可壓性流動(dòng)，還需要增加能量守恒方程。對(duì)于有組分混合或者化學(xué)反應(yīng)的流動(dòng)問(wèn)題則要增加組分守恒方程程。如果是湍流問(wèn)題，還有相應(yīng)的輸運(yùn)方程需要求解。（一）連續(xù)性方程（質(zhì)量守恒方程）（3-1）式中——流體密度——流體速度分量（二）動(dòng)量方程（x方向）對(duì)于不可壓流體（即）（3-2）式中——運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)——壓力對(duì)于可壓縮流體（3-3）式中，等號(hào)后前兩項(xiàng)是粘性力y，z方向上的動(dòng)量方程可類似推出。（三）能量方程（3-4）式中，式中等號(hào)左邊第一項(xiàng)是瞬變項(xiàng)，第二項(xiàng)是對(duì)流項(xiàng)，等號(hào)右邊第一項(xiàng)是擴(kuò)散項(xiàng)，第二、三項(xiàng)是源項(xiàng)。3.2紊流模式理論概況紊流模型在三維N-S方程計(jì)算模型中，較常使用的一種方法是雷諾時(shí)均方程法。該方程是在將紊流看成時(shí)均運(yùn)動(dòng)和脈動(dòng)運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)上建立的。紊流運(yùn)動(dòng)的任何變參量都分解為時(shí)間平均值和脈動(dòng)值，例如：，等。不可壓縮粘性流體的三維N-S方程組作時(shí)均處理后的時(shí)均方程為：連續(xù)性方程：,（3-5）動(dòng)量方程（雷諾方程）：（3-6）式中，為二階相關(guān)項(xiàng)，又稱為雷諾應(yīng)力，為壓力值，為速度，為坐標(biāo)軸，=1，2，3，=1，2，3，分別表示x，y，z三個(gè)空間坐標(biāo)，腳標(biāo)在某一項(xiàng)中相同時(shí)，表示求和。變量上方有“-”者為時(shí)均值，變量上標(biāo)有“′”者為脈動(dòng)量。顯然方程（3-5）、（3-6）包含有十個(gè)未知量，而方程只有四個(gè)，方程不封閉，只是因?yàn)閷?duì)N-S方程取平均，使得脈動(dòng)時(shí)空的細(xì)節(jié)抹平，失去了反映流動(dòng)內(nèi)部的細(xì)節(jié)信息，導(dǎo)致了方程的不封閉。為了找回平均過(guò)程中失去的紊流流動(dòng)的細(xì)節(jié)信息，科學(xué)工作者建立和引入了多種紊流模式來(lái)彌補(bǔ)失去的信息和封閉時(shí)均N-S方程，從而能反映紊流特性和封閉雷諾方程的模式稱為紊流模型（TurbulenceModel）。時(shí)均N-S方程中的二階相關(guān)項(xiàng)，即雷諾應(yīng)力項(xiàng)是未知量，它有自己的表示式稱為紊流模型。紊流模型的表示式與時(shí)均N-S方程形成封閉的方程組。常用的紊流模型都是建立在渦粘性概念的基礎(chǔ)上的，雷諾應(yīng)力與渦粘性的關(guān)系為：（3-7）式中：μt為渦粘性系數(shù)。各種紊流模型都是表示紊流渦粘性系數(shù)μt的方程式。目前已有許多的工程紊流模式，并且還在不斷的發(fā)展之中，目前工程上廣泛應(yīng)用的有（1）零方程紊流模型；（2）一方程紊流模型；（3）二方程紊流模型；（4）雷諾應(yīng)力方程模型（5）代數(shù)應(yīng)力紊流模型等理論。FLUENT中采用的湍流模擬方法包括Spalart-Allmaras模型、standard(標(biāo)準(zhǔn))k-ε模型、RNG(重整化群)k-ε模型、Realizable(現(xiàn)實(shí))k-ε模型、v2-f模型、RSM(ReynoldsStressModel,雷諾應(yīng)力模型)模型，大渦模擬模型（LES）。本文采用Spalart-Allmaras模型。首先，對(duì)PDC鉆頭頭部的流場(chǎng)作如下假定：（1）鉆頭如口處來(lái)流均勻；（2）鉆頭出口界面處的流動(dòng)過(guò)程已經(jīng)充分發(fā)展。在次基礎(chǔ)上，可以認(rèn)為鉆頭的內(nèi)外部流場(chǎng)為穩(wěn)定的不可壓縮湍流流場(chǎng)。然后求解三維不可壓湍流流場(chǎng)的N-S方程，用Spalart-Allmaras湍流模型進(jìn)行封閉。單方程（Spalart-Allmaras）模型簡(jiǎn)介：Spalart-Allmaras模型的求解變量是，表征出了近壁（粘性影響）區(qū)域以外的湍流運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)。的輸運(yùn)方程為：（3-8）式中，是湍流粘性產(chǎn)生項(xiàng)；是由于壁面阻擋與粘性阻尼引起的湍流粘性的減少；和是常數(shù)；ν是分子運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)。Spalart-Allmaras模型是相對(duì)簡(jiǎn)單的單方程模型，只需求解湍流粘性的輸運(yùn)方程，并不需要求解當(dāng)?shù)丶羟袑雍穸鹊拈L(zhǎng)度尺度。該模型對(duì)于求解有壁面影響流動(dòng)及有逆壓力梯度的邊界層問(wèn)題有很好模擬效果，在透平機(jī)械湍流模擬方面也有較好結(jié)果。Spalart-Allmaras模型的初始形式屬于對(duì)低雷諾數(shù)湍流模型，這必須很好解決邊界層的粘性影響區(qū)求解問(wèn)題。在Fluent中，當(dāng)網(wǎng)格不是很細(xì)時(shí)，采用壁面函數(shù)來(lái)解決這一問(wèn)題。當(dāng)網(wǎng)格比較粗糙時(shí)，網(wǎng)格不滿足精確的湍流計(jì)算要求，用壁面函數(shù)也許是最好的解決方案。另外，該模型中的輸運(yùn)變量在近壁處的梯度要比中的小，這使得該模型對(duì)網(wǎng)格粗糙帶來(lái)數(shù)值誤差不太敏感。但是，Spalart-Allmaras模型不能預(yù)測(cè)均勻各向同性湍流的耗散。并且，單方程模型沒(méi)有考慮長(zhǎng)度尺度的變化，這對(duì)一些流動(dòng)尺度變換比較大的流動(dòng)問(wèn)題不太適合。比如，平板射流問(wèn)題，從有壁面影響流動(dòng)突然變化到自由剪切流，流場(chǎng)尺度變化明顯。3.3離散方法隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和計(jì)算方法的發(fā)展，許多復(fù)雜的工程問(wèn)題都采用區(qū)域離散化的數(shù)值計(jì)算并借助計(jì)算機(jī)得到滿足工程要求的數(shù)值解。區(qū)域離散化就是用一組有限個(gè)離散的點(diǎn)來(lái)代替原來(lái)連續(xù)的空間。實(shí)施過(guò)程是把所計(jì)算的區(qū)域劃分成許多互不重疊的子區(qū)域，確定每個(gè)子區(qū)域的節(jié)點(diǎn)位置和該節(jié)點(diǎn)所代表的控制體積。常用的離散方法有有限差分法（FDM）、有限元法(FEM)和有限體積法(FVM)。本文運(yùn)用的CFD軟件FLUENT中數(shù)值離散方法為有限體積法（FiniteVolumeMethod，F(xiàn)VM）。有限體積法又稱為控制體積法，在Fluent軟件中就是采用這種方法。其基本思路是：將計(jì)算區(qū)域劃分為一系列不重復(fù)的控制體積，并使每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)周圍有一個(gè)控制體積，將待解的微分方程對(duì)每個(gè)控制體積積分，得出一組離散方程。其中的未知數(shù)是網(wǎng)格點(diǎn)上的因變量Φ的數(shù)值。為了求出控制體積的積分，必須假定Φ值在網(wǎng)格點(diǎn)之間的變化規(guī)律，即假定Φ值的分段的分布剖面。從積分區(qū)域的選取方法來(lái)看，有限體積法屬于加權(quán)剩余法中的子區(qū)域法；從未知解的近似方法來(lái)看，有限體積法屬于采用局部近似的離散方法。簡(jiǎn)而言之，子區(qū)域法加離散，就是有限體積法的基本方法。有限體積法的基本思想易于理解，并能得出直接的物理解釋。有限體積法實(shí)際上是流體力學(xué)中用微元體概念推導(dǎo)微分方程的逆過(guò)程，網(wǎng)格就相當(dāng)于放大的微元體。離散方程的物理意義，就是因變量Φ在有限大小的控制體積中的守恒原理，如同微分方程表示因變量在無(wú)限小的控制體積中守恒原理一樣。有限體積法得出的離散方程，要求因變量的積分守恒對(duì)任意一組控制體積都得到滿足，對(duì)整個(gè)計(jì)算區(qū)域，自然也得到滿足，因此用有限體積法導(dǎo)出的離散方程可以保證具有守恒性，對(duì)區(qū)域形狀的適應(yīng)性也比有限差分法好，這是有限體積法吸引人的優(yōu)點(diǎn)。有一些離散方法，例如有限差分法，僅當(dāng)網(wǎng)格及其細(xì)密時(shí)，離散方程才滿足積分守恒；而有限體積法即使在粗網(wǎng)格情況下，也顯示出準(zhǔn)確的積分守恒。就離散方法而言，有限體積法可視為有限單元法和有限差分法的中間物。有限單元法必須假定Φ值在網(wǎng)格點(diǎn)之間的變化規(guī)律（即插值函數(shù)），并視其為近似解。有限差分法只考慮網(wǎng)格點(diǎn)上Φ的數(shù)值而不考慮Φ值在網(wǎng)格點(diǎn)之間如何變化。有限體積法只尋求Φ的結(jié)點(diǎn)值，這與有限差分法相類似；但有限體積法在尋求控制體積的積分時(shí)，必須假定Φ值在網(wǎng)格點(diǎn)之間的分布，這又與有限單元法相類似。在有限體積法中，插值函數(shù)只用于計(jì)算控制體積的積分，得出離散方程之后，便可忘掉插值函數(shù)；如果需要的話，我們可以對(duì)微分方程中不同的項(xiàng)采用不同的插值函數(shù)。有限體積法目前在二維和三維紊流數(shù)值計(jì)算中有限體積法得到了廣泛而成功的應(yīng)用。FLUENT中用于計(jì)算通量的方法包括一階迎風(fēng)格式、指數(shù)律格式、二階迎風(fēng)格式、QUICK格式和中心差分格式。本文選擇一階迎風(fēng)格式。3.4流場(chǎng)的計(jì)算過(guò)程控制方程被離散化以后，就可以進(jìn)行求解了。FLUENT中有兩種求解器，即分離求解器（segregatedsolver）和耦合求解器（coupledsolver），對(duì)應(yīng)有三種求解方法分別是分離求解法、耦合隱式求解和耦合顯式求解，三種求解方法應(yīng)用的場(chǎng)合有所不同。分離求解方法主要用于不可壓縮或低馬赫數(shù)壓縮性流體的流動(dòng)。耦合求解方法則可以用在高速可壓縮流動(dòng)。FLUENT默認(rèn)設(shè)置是非耦合求解．但對(duì)于高速可壓縮流動(dòng)?；蛐枰紤]體積力(浮力或離心力)的流動(dòng)，求解問(wèn)題時(shí)網(wǎng)格要比較密．建議采用耦合隱式求解方法求解能量和動(dòng)量方程，可較快的得到收斂解。缺點(diǎn)是需要的內(nèi)存比較大(是非耦合求解迭代時(shí)的1.5-2倍)。如果必須要耦合求解。但機(jī)器內(nèi)存不夠時(shí)，可以考慮用耦合顯式解法器求解問(wèn)題。該解法器也耦合了動(dòng)量，能量及組分方程，但內(nèi)存卻比隱式求解方法小。缺點(diǎn)是收斂時(shí)間長(zhǎng)。分離求解法有三種算法，分別是SIMPLE格式、SIMPLEC格式、PISO格式。SIMPLE算法，就是求解壓力耦合方程的半隱方法（Semi-ImplicitMethodforPressureLinkedEquations）。它是Patankar與Spalding在1972年提出的。本文將應(yīng)用SIMPLE方法進(jìn)行壓力-速度的耦合，求解不可壓流體力學(xué)方程組。SIMPLE算法的計(jì)算步驟如下：（1）給定壓力場(chǎng)P*；（2）解動(dòng)量方程，得到u*、v*、w*；（3）由u*、v*、w*計(jì)算壓力校正方程中的b項(xiàng)，代入方程后，解出的解；（4）由方程，解出p；（5）用速度校正公式計(jì)算u、v、w；（6）對(duì)涉及的其它物理量（如溫度、濃度、湍流度等）進(jìn)行計(jì)算；（7）用p代替p*，回到第一步。3.5FLUENT軟件簡(jiǎn)介FLUENT是用于計(jì)算流體流動(dòng)和傳熱問(wèn)題的程序。它提供的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格生成程序，對(duì)相對(duì)復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)網(wǎng)格生成非常有效?？梢陨傻木W(wǎng)格包括二維的三角形和四邊形網(wǎng)格；三維的四面體、六面體及混合網(wǎng)格。FLUENT還可根據(jù)計(jì)算結(jié)果調(diào)整網(wǎng)格，這種網(wǎng)格的自適應(yīng)能力對(duì)于精確求解有較大梯度的流場(chǎng)有很實(shí)際的作用。由于網(wǎng)格自適應(yīng)和調(diào)整只是在需要加密的流動(dòng)區(qū)域里實(shí)施，而非整個(gè)流場(chǎng)，因此可以節(jié)約計(jì)算時(shí)間。3.5.1FLUENT軟件各組軟件之間關(guān)系（1）FLUENT求解器——FLUENT軟件的核心，所有計(jì)算在此完成。（2）prePDF——FLUENT用PDF模型計(jì)算燃燒過(guò)程的預(yù)處理軟件。（3）GAMBIT——FLUENT提供的網(wǎng)格生成軟件。（4）TGRID——FLUENT用于從表面網(wǎng)格生成空間網(wǎng)格的軟件。（5）過(guò)濾器——或者叫翻譯器，可以將其他CAD/CAE軟件生成的網(wǎng)格文件變成能被FLUENT識(shí)別的網(wǎng)格文件。上述幾種軟件之間的關(guān)系如圖3-1所示。圖3-1FLUENT下軟件各組件之間的關(guān)系GAMBIT即可以生成用于FLUENT計(jì)算的網(wǎng)格，也可以生成其他一些CAE軟件的網(wǎng)格。一旦網(wǎng)格文件被輸入到FLUENT中，剩下的工作就由FLUENT完成。這些工作包括設(shè)定邊界條件和物質(zhì)屬性、調(diào)整網(wǎng)格、進(jìn)行計(jì)算、對(duì)結(jié)果進(jìn)行后處理并顯示結(jié)果等等。3.5.2用FLUENT程序求解問(wèn)題的步驟利用FLUENT軟件進(jìn)行求解的步驟如下：(1)確定幾何形狀，生成計(jì)算網(wǎng)格(用GAMBIT，也可以讀入其他指定程序生成的網(wǎng)格)；(2)輸入并檢查網(wǎng)格；(3)選擇求解器(2D或3D等)；(4)選擇求解的方程：層流或湍流(或無(wú)粘流)，化學(xué)組分或化學(xué)反應(yīng)，傳熱模型等。確定其他需要的模型，如：風(fēng)扇、熱交換器、多孔介質(zhì)等模型；(5)確定流體的材料物性；(6)確定邊界類型及其邊界條件；(7)條件計(jì)算控制參數(shù)；(8)流場(chǎng)初始化；(9)求解計(jì)算；(10)保存結(jié)果，進(jìn)行后處理等。3.5.3關(guān)于FLUENT求解器的說(shuō)明(1)FLUENT2D——二維單精度求解器；(2)FLUENT3D——三維單精度求解器；(3)FLUENT2ddp——二維雙精度求解器；(4)FLUENT3ddp——三維雙精度求解器；3.6Gambit操作過(guò)程簡(jiǎn)介鉆頭射流流動(dòng)模擬計(jì)算模型是先將建立的物理模型導(dǎo)入GAMBIT中獲得初始模型，然后以初始模型進(jìn)行建模獲得的。在物理模型導(dǎo)入GAMBIT中后，運(yùn)行GAMBIT軟件，進(jìn)入GAMBIT軟件的工作界面后依次點(diǎn)擊File—Import—STEP彈出圖3-2所示的對(duì)話框，F(xiàn)ileName選擇bit.stp文件點(diǎn)擊accept即可，這樣物理模型就導(dǎo)入了GAMBIT里面。導(dǎo)入GAMBIT之后GAMIT的主控制畫(huà)面如圖3-3所示：圖3-2讀入bit.stp文件對(duì)話框圖3-3GAMBIT的主控制畫(huà)面圖3-3中右邊上半部分為建模工具區(qū)，下半部分為屏幕顯示工具區(qū)；左邊上面部分為工作區(qū)，下面左邊部分為命令反饋區(qū)，下面右邊部分為圖標(biāo)說(shuō)明區(qū)。當(dāng)用鼠標(biāo)指向工具欄中的圖標(biāo)時(shí)．圖標(biāo)說(shuō)明區(qū)將顯示該圖標(biāo)的作用和簡(jiǎn)單介紹，這一功能非常實(shí)用。當(dāng)執(zhí)行了某一項(xiàng)操作后其命令和命令執(zhí)行結(jié)果以及相關(guān)提示將在命令反饋區(qū)中顯示，當(dāng)內(nèi)容較多時(shí)，還可點(diǎn)擊其右側(cè)上方向上的箭頭將命令反饋區(qū)展開(kāi)。點(diǎn)擊建模工具區(qū)里面的Mesh—volume—Meshvolumes，打開(kāi)Meshvolumes對(duì)話框，如圖3-4所示。在Elements右面的方框中選擇Tet/Hybrid，Type選擇TGrid，點(diǎn)Tet/Hybrid，Type選擇TGrid，令spacing后面的intervalsize數(shù)值為1，點(diǎn)擊volume右面的黃色區(qū)域，然后鼠標(biāo)左鍵選中整個(gè)幾何體點(diǎn)擊Apply，則網(wǎng)格圖如圖3-5所示。劃分完網(wǎng)格之后需要設(shè)置邊界條件。依次點(diǎn)擊建模工具區(qū)的Zones—SpecifyBoundaryTypes，打開(kāi)SpecifyBoundaryTypes對(duì)話框如圖3-6所示。Action項(xiàng)選擇Add，Entity項(xiàng)選擇Faces，Type項(xiàng)選擇VELOCITY_INLET，Name項(xiàng)輸入“inlet”，點(diǎn)擊Faces右邊的黃色區(qū)域．然后鼠標(biāo)左鍵選中流體進(jìn)入鉆頭經(jīng)過(guò)的第一個(gè)面。Type項(xiàng)選擇PRESSURE_OUTLET，Name項(xiàng)輸入“outlet”，點(diǎn)擊Faces右邊的黃色區(qū)域，然后選中流體從井底上返經(jīng)過(guò)的面。剩下的面設(shè)置為WALL。圖3-5定義邊界條件圖3-4GAMBIT劃分的網(wǎng)格圖圖3-6保存網(wǎng)格文件對(duì)話框定義完邊界條件之后點(diǎn)擊File—Export—Mesh彈出圖3-6所示的對(duì)話框，保持默認(rèn)狀態(tài)點(diǎn)擊Accept即可，則文件保存在GAMBIT的啟動(dòng)目錄下，bit.msh文件是在FLUENT里面要用到的文件。3.7FLUENT操作過(guò)程簡(jiǎn)介選擇三維精度求解器啟動(dòng)FLUENT軟件，F(xiàn)LUENT軟件的操作界面如圖3-7所示。圖3-7FLUENT軟件的工作界面圖3-8讀入網(wǎng)格文件的信息反饋3.7.1與網(wǎng)格相關(guān)的操作(1)讀入網(wǎng)格文件依次點(diǎn)擊File—Read—Case彈出選擇文件對(duì)話框，選擇bit.msh文件點(diǎn)擊ok．在讀入網(wǎng)格文件后會(huì)在信息反饋窗口顯示圖3-8所示的信息，其中包括節(jié)點(diǎn)數(shù)175082等，最后的Done表示讀入成功。(2)網(wǎng)格檢查單擊Grid—Check，在信息反饋窗口顯示如圖3-9所示的信息，網(wǎng)格檢查列出了x、y的最小和最大值，還報(bào)告出網(wǎng)格的其他特性(比如單元的最大體積和最小體積、最大面積和最小面積等)和有關(guān)網(wǎng)格的任何錯(cuò)誤，特別是要求確保雖小體積不能是負(fù)值，否則FLUENT無(wú)法進(jìn)行計(jì)算；(3)平滑和變換網(wǎng)格這一步是為確保網(wǎng)格質(zhì)量的操作，對(duì)于三角形單元來(lái)說(shuō)尤為重要。單擊Grid—Smooth/Swap打開(kāi)Smooth/SwapGrid對(duì)話框如圖3-10所示，點(diǎn)擊Smooth按鈕，再點(diǎn)擊Swap，重復(fù)以上操作直到FLUENT報(bào)告沒(méi)有需要交換的面為止。圖3-9網(wǎng)格檢查信息反饋圖3-10平滑與交換網(wǎng)格對(duì)話框(4)改變長(zhǎng)度單位在SI單位制中刻度的默認(rèn)單位是m，所以需要改為mm。單擊Grid—Scale打開(kāi)ScaleGrid對(duì)話框如圖3-11所示。在單位轉(zhuǎn)換(UnitsConversion)欄中的(GridWasCreatedIn)網(wǎng)格長(zhǎng)度單位右側(cè)下拉列表中選擇mm。點(diǎn)擊ChangeLengthsUnits，此時(shí)在DomainExtents欄中給出了區(qū)域的范圍和度量的單位。點(diǎn)擊Scale，然后點(diǎn)擊Close關(guān)閉對(duì)話框即可。圖3-11長(zhǎng)度單位設(shè)置對(duì)話框3.7.2建立求解模型(1)求解器設(shè)置單擊Define-Models-Solver，彈出圖3-12所示的對(duì)話框，將Time(時(shí)間屬性)一欄改為Steady(定常流動(dòng))，其他的保持默認(rèn)狀態(tài)即可，點(diǎn)擊ok。圖3-12解器設(shè)置對(duì)話框(2)湍流模型選擇單擊Define—Models—Viscous打開(kāi)ViscousModel對(duì)話框如圖3-13所示。圖中Inviscid表示無(wú)黏(理想)流體：Laminar表示層流模型；另外4個(gè)為常見(jiàn)的湍流模型。選擇Spalart-Allmaras，保持默認(rèn)值點(diǎn)擊ok。由于在本模型中涉及不到熱量．所以不需要啟動(dòng)能量方程。圖3-13湍流模型選擇對(duì)話框(3)設(shè)置流體物理屬性點(diǎn)擊Define—Materials，打開(kāi)Materials對(duì)話框如圖3-14所示，點(diǎn)擊右面的FluentDatabase打開(kāi)FluentDatabaseMaterials對(duì)話框如圖3-15所示，在FluentFluidMaterials下拉列表中選擇Water-liquid．其他設(shè)置保持不變點(diǎn)擊copy，然后點(diǎn)擊close關(guān)閉對(duì)話框回到Materials對(duì)話框，將Name改為drill-fluid，ChemicalFormula中h2o<1>刪除保持空白即可。將Density(密度)大小改為1025，Viscosity(粘度)大小改為0.001，點(diǎn)擊change／create然后點(diǎn)擊close關(guān)閉對(duì)話框。圖3-14材料設(shè)置對(duì)話框圖3-15FLUENT材料庫(kù)對(duì)話框3.7.3設(shè)置邊界條件點(diǎn)擊Define—BoundaryConditions打開(kāi)BoundaryConditions對(duì)話框如圖3-16所示，圖中Zone欄為區(qū)域標(biāo)示：Type欄內(nèi)為相應(yīng)的屬性。圖3-16邊界選擇對(duì)話框圖3-17流體選擇對(duì)話框在Zone欄內(nèi)選擇fluid，其類型在右邊Type欄內(nèi)選擇fluid。然后點(diǎn)擊下面的Set按鈕打開(kāi)Fluid設(shè)置對(duì)話框如圖3-17所示。在MaterialName下拉列表中選擇drill-fluid，點(diǎn)擊ok，關(guān)閉材料選擇對(duì)話框。在Zone欄內(nèi)選擇inlet，其類型在右邊Type欄內(nèi)選擇velocity-inlet。點(diǎn)擊下面的Set按鈕，打開(kāi)速度邊界設(shè)置對(duì)話框如圖3-18所示。圖3-18速度入口設(shè)置對(duì)話框在VelocitySpecificationMethod(速度給定方式)下拉列表中選擇Magnitude，NormaltoBoundary(給定速度大小，速度方向垂直于邊界)：在VelocityMagnitude(入口速度)一欄輸入45.5,右側(cè)欄內(nèi)選擇constant(常數(shù))；在TurbulenceSpecificationMethod(湍流定義方法)一欄的下拉列表中選擇IntensityandHydraulicDiameter(強(qiáng)度與水力直徑)，在TurbulenceIntensity(湍流強(qiáng)度)一欄填入2(來(lái)流的湍流強(qiáng)度)，在HydraulicDiameter(水力直徑)一欄輸入0.44(入口尺寸)。點(diǎn)擊ok關(guān)閉速度邊界設(shè)置對(duì)話框，然后點(diǎn)擊close關(guān)閉BoundaryConditions對(duì)話框。在Zone欄內(nèi)選擇outlet，其類型在右邊Type欄內(nèi)outflow。點(diǎn)擊下面的Set按鈕，打開(kāi)出流邊界設(shè)置對(duì)話框如圖3-19所示。圖3-19出流邊界設(shè)置對(duì)話框3.7.4求解(1)流場(chǎng)初始化點(diǎn)擊Solve—Initialize，打開(kāi)SolutionInitialization對(duì)話框如圖3-20所示。在ComputerFrom列表中選擇inlet，則表中數(shù)據(jù)與邊界inlet相同。鑒于初始化僅是對(duì)內(nèi)部流動(dòng)的一個(gè)猜測(cè)值．可以對(duì)其數(shù)據(jù)進(jìn)行更改，其結(jié)果影響到迭代計(jì)算的收斂速度。點(diǎn)擊Init，然后點(diǎn)擊close關(guān)閉對(duì)話框。圖3-20流場(chǎng)初始化對(duì)話框(2)設(shè)置監(jiān)視窗口在出口處關(guān)心的是速度是否達(dá)到穩(wěn)定值，為此，F(xiàn)LUENT可以設(shè)置監(jiān)視器對(duì)所關(guān)心的截面和物理量進(jìn)行監(jiān)測(cè)。點(diǎn)擊Solve—Monitors—Surface打開(kāi)SurfaceMonitor(表面監(jiān)視器)設(shè)置對(duì)話框如圖3-21所示。將SurfaceMonitor右側(cè)的數(shù)目增加到1，選擇plot，點(diǎn)擊monitor最右邊的Define按鈕，則出現(xiàn)如圖3-22所示的對(duì)話框。在Reportof項(xiàng)選擇Velocity和velocitymagnitude，在Surfaces項(xiàng)選擇監(jiān)測(cè)表面為outlet，點(diǎn)擊ok，點(diǎn)擊SurfacesMonitors對(duì)話框中的ok。圖3-21表面監(jiān)視器對(duì)話框圖3-22面監(jiān)視器定義對(duì)話框(3)修改計(jì)算精度點(diǎn)擊solve—Monitors--Residual打開(kāi)ResidualMonitors對(duì)話框如圖3-23所示，將收斂的精度由原來(lái)的0.001改為0.01，其他的保持默認(rèn)點(diǎn)擊ok。點(diǎn)擊solve—Iterate打開(kāi)Iterate對(duì)話框如圖3-24所示，在NumberofInteractions(迭代次數(shù))欄中輸入1000，點(diǎn)擊Iterate開(kāi)始迭代。結(jié)果收斂。如圖3-25，圖3-26所示。圖3-23殘差監(jiān)視對(duì)話框圖3-24代次數(shù)選擇對(duì)話框圖3-25速度殘差監(jiān)視圖圖3-26殘差收斂判定圖(4)保存結(jié)果文件點(diǎn)擊File-Write-case&Data打開(kāi)保存結(jié)果文件對(duì)話框，選擇要保存的目錄文件，點(diǎn)擊ok。第4章鉆頭射流數(shù)值模擬及分析4.1鉆頭流動(dòng)實(shí)體的幾何模型及網(wǎng)格劃分選用某有切削齒的PDC鉆頭進(jìn)行流場(chǎng)的數(shù)值模擬，鉆頭有6片刮刀，2對(duì)噴嘴直徑不同，噴射角度不同。鉆頭的幾何模型由Pro/ENGINEER軟件完成。鉆頭有6片刮刀，2對(duì)噴嘴直徑不同，噴射角度不同。如下圖示：圖4-1PDC鉆頭實(shí)體圖圖4-2（a）鉆頭在FLUENT中的外形(正視）圖4-2(b)鉆頭在FLUENT中的外形（俯視）利用已建立的幾何模型在GAMBIT軟件中對(duì)流動(dòng)區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用了Tgrid網(wǎng)格劃分方案，此方案運(yùn)用的是混合網(wǎng)格模式，因此能很好的適應(yīng)PDC鉆頭流場(chǎng)復(fù)雜的幾何形狀，又能提高運(yùn)算速度。整個(gè)計(jì)算域網(wǎng)格數(shù)目達(dá)到120萬(wàn)（圖4-3）。圖4-3鉆頭表面生成的計(jì)算網(wǎng)格圖圖4-4用GAMBIT在模型上逐面生成網(wǎng)格圖4-5鉆頭及計(jì)算區(qū)域的網(wǎng)格圖4.2鉆頭射流數(shù)值模擬邊界條件流動(dòng)邊界條件主要包括鉆頭的進(jìn)、出口條件和固壁條件。邊界條件一般會(huì)影響數(shù)值計(jì)算的收斂速度，甚至決定計(jì)算是否收斂，因此選擇合理的邊界條件尤為重要。具體邊界條件：噴嘴進(jìn)口邊界采用速度進(jìn)口邊界條件，環(huán)空部分出口邊界采用出流邊界條件，噴嘴出口流量根據(jù)計(jì)算環(huán)境分配，不具體限定，壁面邊界設(shè)為光滑壁面，滿足無(wú)滑移條件，即流體在壁面處的速度為0。參考實(shí)際工況，流動(dòng)的入口條件根據(jù)給定的排量來(lái)估算。進(jìn)口采用速度入口邊界，出口采用出流邊界條件，計(jì)算介質(zhì)采用海水介質(zhì)。目前采用的導(dǎo)管外徑主要有兩種，36in（1in＝2.54cm）和30in,導(dǎo)管下入完成后，還要利用噴射BHA繼續(xù)進(jìn)行下一個(gè)井段的鉆進(jìn)作業(yè)，所以噴射BHA尺寸主要取決于下一井段尺寸要求。但是有一個(gè)原則就是導(dǎo)管尺寸越大，相應(yīng)的噴射BHA尺寸也越大，如常見(jiàn)的36in導(dǎo)管通常采用26in噴射BHA，30in導(dǎo)管通常采用17in噴射BHA。我國(guó)第一口水深超千米的深水井——荔灣3-1-1井利用噴射下導(dǎo)管技術(shù)成功完成了導(dǎo)管的安裝。荔灣3-1-1井水深1482m,完鉆井深3843m，該井所處海床表層主要為粘土沉積,采用噴射導(dǎo)管鉆井技術(shù)鉆進(jìn)并將Ф9141.4mm（36in）導(dǎo)管下至海床以下82.2m?，F(xiàn)場(chǎng)的參數(shù)如表1所示[16]。表4-1噴射導(dǎo)管鉆壓和排量參數(shù)導(dǎo)管入泥深度/鉆壓/排量/00～4513.24100～4513.242089～13313.243017813.2435178～22313.2440178～22317.4150267～35625.307035650.478035650.4780356～62350.47導(dǎo)管入泥15m深度以內(nèi)，要采用低排量（通常189l/min），避免沖刷導(dǎo)管外部，然后逐步增加排量至正常排量（通常4163.5l/min），要滿足攜巖要求設(shè)定鉆頭排量為69l/s[17]。綜合考慮，本文試取水深1000m,排量69l/s，又因?yàn)殂@頭模型入口內(nèi)徑為44mm，面積為1518mm2，則根據(jù)Q=V*A(Q為排量，單位l/s；V為入口速度，單位m/s；A為入口橫截面積，單位m2)，可得初始速度V為45.5m/s。湍流定義方法采用水力直徑（HydraulicDiameter）和湍流強(qiáng)度（TurbulenceIntensity）。（4-1）（4-2）式中——入口管道直徑，其大小為0.44；

——流動(dòng)速度，其大小為45.5；——流體密度,其大小為；——運(yùn)動(dòng)粘度，其大小為（20℃時(shí)）；由式4-2,4-1計(jì)算可得=2%。4.3數(shù)值模擬結(jié)果與分析通過(guò)數(shù)值計(jì)算，對(duì)鉆頭表面的壓力場(chǎng)和速度場(chǎng)進(jìn)行分析。圖4-6(a)鉆頭縱切面速度向量圖圖4-6（b）鉆頭縱切面速度向量放大圖圖4-6是鉆頭縱切面速度向量圖，與第二章多噴嘴射流井底流場(chǎng)物理模型分為6個(gè)區(qū)：（A）離噴嘴出口較近的射流高速區(qū)，（B）產(chǎn)生壓力波沖擊井底的沖擊區(qū)；（C）沖洗井底并攜巖的徑向漫流區(qū)；（D）鉆井液排出至環(huán)空的過(guò)渡區(qū)；((E)占據(jù)空間的射流大渦區(qū)；F)多股射流干擾區(qū)相吻合。從圖可看出井底的低速區(qū)主要在鉆頭井底的肩部,此處由于旋渦發(fā)生回流而速度很小,這不利于肩部切削齒的清洗和冷卻,易造成此部分先出現(xiàn)鉆頭破壞。圖4-7鉆頭表面壓力分布圖圖4-8鉆頭縱切面速度等值線圖(最大速度182m/s)圖4-9鉆頭表面附近速度圖從上面圖4-7可以看出鉆頭表面壓力分布，整個(gè)鉆頭表面上壓力分布比較均勻，但在刀口靠近鉆頭中心部分壓力較低，說(shuō)明射流沒(méi)有直接作用在鉆頭刀口邊緣面，射流經(jīng)噴嘴射出后再經(jīng)空間的旋渦運(yùn)動(dòng)后作用在鉆頭表面上（如圖4-8所示），而水眼由于傾斜角度不合理致使射流直接作用在刀翼上引起高壓（圖中紅色部