回流式自激振蕩器脈沖流動特性數(shù)值研究

張景躍 王宗明 于振興 周耀東 李文飛 夏文安

摘要：自激振蕩器產(chǎn)生的脈動射流會對鉆柱起到激勵振動作用，將鉆柱與井壁的靜摩擦轉(zhuǎn)化為動摩擦，實現(xiàn)動態(tài)減阻。對于井下作業(yè)高圍壓、大流量工況，為使自激振蕩器所產(chǎn)生的脈動射流頻率進一步降低，在前人研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合附壁射流效應(yīng)、渦激振動效應(yīng)以及流體反饋作用，提出了高圍壓低頻回流式自激振蕩器，并利用CFD方法分析了振蕩器內(nèi)部脈沖流動特性。分析結(jié)果表明：由于附壁流動、漩渦推動、圓柱繞流以及碰撞反饋，造成主射流在振蕩腔內(nèi)來回擺動、出口射流脈動；隨著圓柱形整流塊半徑增大，頻率先增大后減小；回流通道寬度超過一定值，頻率變化不明顯；隨著振蕩腔長度增加，頻率單調(diào)減小；隨前振蕩壁夾角增大，脈動射流頻率存在極小值。研究結(jié)果可為振蕩器脈沖頻率調(diào)節(jié)及新型自激振蕩器開發(fā)提供參考。

關(guān)鍵詞：回流式自激振蕩器；脈動特性；振動頻率；渦漩；結(jié)構(gòu)參數(shù)；CFD

中圖分類號：TE921 文獻標識碼：A DOI：10.16082／j．cnki．issn．1001-4578.2022.12.004

Numerical Study on Pulse Flow Characteristics of Reflux Self-excited Oscillator

Zhang Jingyue' Wang Zongming' Yu Zhenxing' Zhou Yaodong Li Wenfei' Xia Wenan3

（1.College of New Energy， China University of Petroleum （East China）; 2. Patent Examination Cooperation Jiangsu Center of the Patent Office，SIPO;3.Drilling Technology Research Institute，Sinopec Shengli Petroleum Engineering，Co.，Lid.）

Abstract： The pulse jet produced by self-excited oscillator excites and vibrates the drill string and converts the static friction between drill string and borehole wall into the dynamic friction， reducing the friction dynamically. In order to reduce the frequency of pulse jet produced by self-excitedI oscillator under the downhole conditions of high confining pressure and large flow rate，a reflux self-excited oscillator with high confining pressure and low fre- quency was presented based on previous studies， considering the wall-attached jet effect， vortex-induced vibration effect and fluid feedback effect. In addition， the CFD method was used to analyze the flow characteristics of pulse in the oscillator.The analysis results show that the wall-attached flow，vortex push， circular cylinder and collision feedback make the main jet swing back and forth in the oscillating cavity，leading to the outlet jet pulse. As the ra- dius of the cylinder rectifier block increases， the frequency increases first and then decreases. When the width of reflux passage exceeds a certain value， the frequency does not change obviously. As the length of the oscillating cavity increases，the frequency reduces monotonically. As the angle of the front oscillating wall increases，the fre- quency of pulse jet has a minimum value. The results provide references for the adjustment of oscillator pulse fre- quency and the development of new self-excited oscillators.

Keywords： reflux self-excited oscillator; pulse characteristics; vibration frequency; vortex; structural parameters;CFD

0引言

在石油鉆井中，鉆柱貼附井壁會造成鉆柱整體摩阻加大，影響鉆壓的傳遞，使驅(qū)動扭矩加大，降低鉆進速度。而且鉆井井底壓持效應(yīng)（2］的存在容易造成鉆屑堆積井底，堵塞裂縫，形成巖屑重復(fù)破碎，也會影響鉆頭壽命和機械鉆速。無論是鉆柱摩阻還是井底的壓持效應(yīng)，都可以通過使用自激振蕩器來抑制。一方面，自激振蕩器產(chǎn)生的脈動射流會對鉆柱起到激勵振動作用，將鉆柱與井壁的靜摩擦轉(zhuǎn)化為動摩擦，實現(xiàn)動態(tài)減阻3；另一方面，自激振蕩器產(chǎn)生的脈動壓力在一定程度上可以克服井下巖屑的壓持效應(yīng)，并且脈動射流的駐點壓力最大值是普通連續(xù)射流的4～10倍［4—6］，能夠增強鉆頭的破巖效果。

目前，產(chǎn)生自激振蕩脈動射流的裝置主要是基于赫姆霍茲式和風琴管式自激振蕩噴嘴［7—9］。赫姆霍茲式自激振蕩噴嘴依靠振蕩波在振蕩腔內(nèi)的傳播與反饋來產(chǎn)生脈動射流，振蕩波在流體中傳播速度較大，導(dǎo)致脈動頻率過高，達到102、103甚至更高的數(shù)量級。而且依靠空化原理形成自激脈動射流的自激空化裝置，不適用于鉆井高圍壓的工況［10］。

國內(nèi)外學(xué)者對自激振蕩脈動射流產(chǎn)生的機理以及自激振蕩裝置進行了較多研究。P.A.LUSH＇］對附壁射流振蕩器中射流產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)的機理進行理論和試驗探究，研究結(jié)果表明，射流的偏轉(zhuǎn)其實是主射流受附著壁之間漩渦影響的結(jié)果。V．TESAR等［12］提出了一種新型的自激振蕩器，這種射流振蕩器特點是在結(jié)構(gòu)中加入了一個赫姆霍茲共振腔，通過振蕩波在振蕩腔內(nèi)的來回傳播發(fā)展，進而引發(fā)射流的振蕩，可以滿足大多數(shù)高頻振動應(yīng)用場合，但不滿足低頻振動應(yīng)用場合。雷純兵［13］創(chuàng)新性地設(shè)計了一種高圍壓條件下的脈動射流噴嘴，設(shè)計了附著壁及回流通道，可在一定程度上降低脈動射流的頻率。

對于井下作業(yè)高圍壓、大流量工況，為使自激振蕩器所產(chǎn)生的脈動射流頻率進一步降低，筆者在前人研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合附壁射流效應(yīng)、渦激振動效應(yīng)以及流體反饋作用，提出了高圍壓低頻回流式自激振蕩器，并利用CFD方法分析了振蕩器內(nèi)部脈沖流動特性。所得結(jié)果可為振蕩器脈動頻率調(diào)節(jié)及新型自激振蕩器開發(fā)提供參考。

1 計算模型及參數(shù)確定

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計與網(wǎng)格劃分

新型回流式自激振蕩器結(jié)構(gòu)如圖1所示。該回流式自激振蕩器主要包括本體、楔形整流塊及圓柱形整流塊等部件。本體左端為連接外螺紋，右端為連接內(nèi)螺紋。楔形整流塊和圓柱形整流塊安裝于本體中部，在本體內(nèi)依次形成射流入口、振蕩腔、回流通道、射流出口以及后振蕩壁、附著壁和前振蕩壁。

使用GAMBIT軟件對回流式自激振蕩器計算區(qū)域進行網(wǎng)格劃分。由于振蕩腔內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，需要對計算區(qū)域進行 split分塊。近壁區(qū)域采用邊界層網(wǎng)格，網(wǎng)格層數(shù)為5層。對整個計算區(qū)域采用cooper方式進行六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，計算模型網(wǎng)格劃分如圖2所示，綠色部分為邊界層網(wǎng)格。

1.2 計算條件與邊界設(shè)置

應(yīng)用Fluent軟件、采用RNGk—ε湍流模型，對振蕩器振動本體內(nèi)部流場進行數(shù)值模擬。計算條件及邊界設(shè)置如下：

（1）根據(jù)現(xiàn)場數(shù)據(jù)，選取鉆井液密度為1300kg／m3，動力黏度相應(yīng)設(shè)置為0.015 Pa·s。

（2）入口采用壓力入口條件，壓力為15.5MPa；出口采用壓力出口條件，壓力為14.5 MPa。

（3）固體壁面設(shè)為靜止壁面。

1.3 網(wǎng)格無關(guān)性與結(jié)果正確性驗證

計算發(fā)現(xiàn)，當網(wǎng)格數(shù)超過60萬時，脈動頻率趨于一個穩(wěn)定值，繼續(xù)增加網(wǎng)格數(shù)量到100萬，計算結(jié)果與60萬時的頻率變化幅度相差不足1％。為了得到較為精確的解，最終選取的計算模型網(wǎng)格數(shù)量為643230。

王暉利用測力傳感器、高速攝像機等信息采集裝置，配合射流裝置組合成試驗系統(tǒng)。該試驗系統(tǒng)中自振噴頭的主要參數(shù)為：上噴嘴直徑d1＝0.8mm，下噴嘴直徑d2＝1.2mm，振蕩腔長度Lc＝3.5mm，振蕩腔寬度Dc＝8mm。采用上述數(shù)學(xué)模型進行數(shù)值模擬，圖3為數(shù)值模擬結(jié)果與王暉的試驗結(jié)果對比圖。由圖3可見，模擬結(jié)果與試驗結(jié)果較為接近，誤差在10％以內(nèi)，驗證了模型的可用性和結(jié)果的正確性。

2 振蕩器脈沖流動特性

2.1 內(nèi)部流場特性

圖4為自激振蕩器內(nèi)部流場的典型流動過程。由圖4可見，流場中存在流體反饋、渦漩推動作用以及附壁效應(yīng)。

由圖4a可見，在t＝1.83995s時，主射流由于上附著壁與主射流間的渦漩作用被推至下附著壁上，然后經(jīng)過圓柱形整流塊的繞流后主射流向上彎曲，大部分流體直接從出口流出，少部分流體由于彎曲幅度較大直接從上回流通道入口流入，繼續(xù)增強上附著壁與主射流間的渦漩作用。另外，還有部分緊貼下附著壁的流體未經(jīng)圓柱形整流塊繞流直接進入下回流通道，開始形成回流。此時大部分主射流流體直接流出出口。

由圖4b可見，在t＝1.85495s時，隨著上部漩渦的增大，越來越多的緊貼于下附著壁的流體流入下回流通道，導(dǎo)致在下回流通道的出口形成了一個初生渦漩。該初生渦漩會逐漸增大并向下游移動，將下回流通道出口附近原本緊貼在下附著壁的主射流推開一段距離。雖然大部分主射流仍然還貼在下附著壁上面，但是進入上回流通道的流體大大減少。

由圖4c可見，在t＝1.87995s時，初生渦漩增大到一定規(guī)模，會使主射流完全偏離下附著壁，并貼附在上附著壁上，大部分主射流從圓柱形整流塊的上方通過了；但由于繞流作用的存在，主射流的下半部分會向下偏轉(zhuǎn)，這就使得一部分流體流入下回流通道實現(xiàn)回流，另一部分則直接從出口流出。

由圖4d可見，在t＝1.88480s時，主射流的主體已經(jīng)被推至上附著壁面，發(fā)育完成，向下游移動的渦漩也已經(jīng)達到最大值并充滿下游區(qū)域。下游部分向下彎曲的流體大部分還是直接從出口流出，少部分流體由于彎曲幅度較大進入下回流通道，還有部分緊貼上附著壁的經(jīng)前振蕩壁的反饋流入上回流通道形成回流，該狀態(tài)即圖4a所示狀態(tài)的對稱狀態(tài)，僅僅是上下切換而已。隨著上回流通道回流量的增多，上回流通道出口處的初生渦漩將會產(chǎn)生，繼續(xù)重復(fù)圖4b～圖4c的過程。

回流式自激振蕩器內(nèi)部主射流完成一次偏轉(zhuǎn)的過程，也是主射流在2個附著壁之間來回擺動1次所需時間的1／2。主射流之所以可以來回偏轉(zhuǎn)，就是由于經(jīng)前振蕩壁反饋的回流流體產(chǎn)生的渦漩增大并向下游移動、推動附壁流動偏離壁面、結(jié)合圓柱繞流的結(jié)果。

2.2 出口脈沖射流特性

圖5為振蕩器出口的速度頻譜圖和壓力頻譜圖。由圖5可知，兩張頻譜圖變化規(guī)律相似，振蕩器計算區(qū)域的出口處所形成的脈動射流頻率為24.178 Hz，相比于傳統(tǒng)自激振蕩器產(chǎn)生的102數(shù)量級射流頻率，有較大幅度下降，為其適用于低頻工況打下堅實的基礎(chǔ)。

3 結(jié)構(gòu)參數(shù)對脈動特性的影響

由于井下自激振蕩工具1階固有振動頻率一般較低，而且自激振蕩工具的響應(yīng)頻率受工具長度和徑向尺寸影響較大。下面應(yīng)用數(shù)值模擬方法，探究圓柱形整流塊半徑、回流通道寬度、振蕩腔長度及前振蕩壁夾角等4個振蕩器結(jié)構(gòu)參數(shù)對脈動射流頻率的影響規(guī)律［15］。

使用控制變量法探究單一結(jié)構(gòu)參數(shù)與脈動射流頻率的變化關(guān)系，控制其他結(jié)構(gòu)參數(shù)不變。根據(jù)前期計算結(jié)果，選取基準參考組合：前振蕩壁夾角α＝120°，后振蕩壁外圓角半徑R＝42mm，振蕩器振蕩腔長度L＝190mm，回流通道寬度d＝15mm，圓柱形整流塊半徑r＝12mm，圓形整流塊距定位尺寸為m＝50mm，具體結(jié)構(gòu)如圖6所示。

3.1 圓柱形整流塊半徑的影響

回流式自激振蕩器引入圓柱形整流塊，強化了繞流效應(yīng)。在此取圓柱形整流塊半徑在10～20mm范圍，每隔2mm變化1次，其他參數(shù)值與參考組合保持一致，進行數(shù)值模擬，射流頻率隨圓柱形整流塊半徑的變化趨勢如圖7所示。由圖7可知，隨著圓柱形整流塊半徑的增大，脈動射流頻率整體上呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，可根據(jù)不同的需求選擇合適的圓柱形整流塊半徑。

3.2 回流通道寬度的影響

回流式自激振蕩器將楔形整流塊邊緣處設(shè)計為小段圓弧過渡，回流通道寬度在10～25mm范圍，其他結(jié)構(gòu)參數(shù)值與參考組合保持一致，最終選擇7組結(jié)構(gòu)參數(shù)進行模擬研究。圖8為脈動射流頻率隨回流通道寬度變化關(guān)系。由圖8可知，脈動射流頻率在d＝13mm處達到最大值，之后的流動頻率受回流通道寬度的影響不大，在24Hz上下變化。

3.3 振蕩腔長度的影響

圖9為脈動射流頻率隨腔長的變化趨勢。由圖9可見，脈動射流頻率隨振蕩腔長度的增大而減小，二者呈二次曲線型分布。曲線的擬合公式為：y=0.000 723 795x2-0.432 03x+80.379 45 （1） 式中：自變量x為振蕩腔長度，mm；因變量y為脈動射流頻率，Hz。

因為振蕩腔長度越長，對應(yīng)的附著壁長度以及回流通道長度就越長，射流振蕩過程中附著在上、下附著壁以及通過回流通道所需時間也相應(yīng)延長，故振蕩1次的周期得到延長，振蕩頻率也會隨著腔長的增長而降低。

式（1）可用于其他結(jié)構(gòu)參數(shù)不變時，通過腔長的改變來控制脈動射流頻率，使其適合自激振蕩工具的固有振動頻率，達到強化激勵的作用。

3.4 前振蕩壁夾角的影響

取前振蕩壁夾角在80°～180°范圍，每隔20°均勻變化，其他參數(shù)值與參考組合保持一致，計算得到脈動射流頻率隨前振蕩壁夾角的變化趨勢，如圖10所示。由圖10可知，隨著前振蕩壁夾角α的增大，脈動射流頻率隨前振蕩壁夾角α的增大呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢，且在α＝120°處最小。在回流式自激振蕩器設(shè)計中，推薦前振蕩壁夾角α取120°。

4 結(jié)論

（1）基于回流自激振蕩原理，開發(fā)了一種適于高圍壓條件的低頻回流式自激振蕩器；應(yīng)用Flu—ent 軟件對自激振蕩器內(nèi)部流場進行了數(shù)值模擬，揭示了附壁流動、漩渦推動、圓柱繞流以及碰撞反饋造成主射流在振蕩腔內(nèi)來回擺動、出口射流脈動的根本原因。

（2）基于控制變量法探究了幾個關(guān)鍵參數(shù)對脈動射流頻率的影響規(guī)律，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：隨著圓柱形整流塊半徑增大，頻率先增大后減小；回流通道寬度超過一定值，頻率變化不明顯；隨著振蕩腔長度增加，頻率單調(diào)減小；隨前振蕩壁夾角增大，脈動射流頻率存在極小值。

參考文獻

[1]胡豫磊，李永剛，王穎穎.井下鉆柱振動減阻理論與技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀［J］．現(xiàn)代經(jīng)濟信息，2014（22）：409.

HU YL，LIY G， WANG Y Y. Development status of the theory and technology of downhole drill string vibra- tion drag reduction [J]. Modem Economic Informa- tion，2014（22）：409.

[2]馬琳.井底直接調(diào)制式脈沖粒子射流性能分析與優(yōu)化［D］．東營：中國石油大學(xué)（華東），2011．

MA L. Performance analysis and optimization of the par- ticle pulse jet directly modulated in bottom hole [D]. Dongying：China University of Petroleum（East Chi- na），2011.

[3]張康，馮強，王建龍，等.水力振蕩器最優(yōu)安放位置研究與應(yīng)用［J］，石油機械，2016，44（2）：38-41.

ZHANG K， FENG Q， WANG J L， et al. Research and application of optimal placement of hydraulic oscilla- tor [J].China Petroleum Machinery，2016，44（2）： 38-41.

[4]王樂勤，王循明，徐如良，等.自激振蕩脈沖噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)配比試驗研究［J］.工程熱物理學(xué)報，2004，25（6）：956-958.

WANG L Q， WANG X M， XU R L， et al. Experi- mental study on structural parameters optimized design of the self-excited oscillation pulsed jet nozzle [J]. Journal of Engineering Thermophysics，2004，25（6）： 956-958.

[5]王樂勤，王循明，徐如良，等.低壓大流量自激振蕩脈沖射流噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化研究［J］.流體機械，2004，32（3）：7-10，31.

WANG LQ，WANG X M， XU R L，et al. Structure- parameter optimized study of self-exicited oscillation pul- sation-jet nozzle in low-press and amount-flux [J]. Fluid Machinery，2004，32（3）：7-10，31.

[6]李綱，胡東.自激振蕩脈沖水射流噴嘴數(shù)值模擬及試驗研究［J］．機械工程師，2014（10）：71—73．

LI G，HU D. Numerical simulation and experimental study of the self-excited oscillation pulsed water jet noz- zle [J].Mechanical Engineer，2014（10）：71-73.

[7]HUANG M，KANG Y，WANG X C，et al. Experi- mental investigation on the rock erosion characteristics of a self-excited oscillation pulsed supercritical CO2 jet [J].Applied Thermal Engineering，2018，139：445- 455.

[8]韓健，蔡騰飛，潘巖，等.風琴管噴嘴和赫姆霍茲噴嘴射流特性分析［J］．煤礦安全，2017，48（7）：134-137.

HAN J，CAI T F， PAN Y， et al. Study on jet's char- acteristics of organ nozzle and Helmholtz nozzle [J]. Safety in Coal Mines，2017，48（7）：134-137.

[9]SAMI S， ANDERSON C. Helmholtz oscillator for the self-modulation of a jet [C]//The 7th International Symposium on Jet Cutting Technology.北京：［s.n.］， 1984：91-98.

[10]劉恩孝.低壓自激脈沖空化射流噴嘴內(nèi)部流場研究［D］．濟南：山東大學(xué)，2013．

LIU E X. Study on the inner flow field of low-pressure self-excited pulse cavitation jet nozzle [D]. Jinan： Shandong University，2013.

[11]LUSH P A.A theoretical and experimental investiga- tion of the switching mechanism in a wall attachment fluid amplifier [C]//Proc. 1st IFAC Symposium on Fluidics A， 1968： 3.

[12]TESAR V， ZHONG S， RASHEED F. New fluidic-os- cillator concept for flow-separation control [J].AIAA Joumal，2013，51（2）：397-405.

[13]雷純兵.回流式渦激振蕩射流噴嘴內(nèi)部流場數(shù)值模擬［D］．青島：中國石油大學(xué)（華東），2017．

LEI C B. Numerical simulation on the intemal flow field of a vortex-excited pulsed jet nozzle with reflow [D].Qingdao：China University of Petroleum（East China），2017.

[14]王暉.自振脈沖磨料水射流安全切割試驗及應(yīng)用研究［D］．北京：中國礦業(yè)大學(xué)（北京），2012．

WANG H. Research on experiment and applications of safe cutting of self-vibration pulsation abrasive waterjet [D].Beijing：China University of Mining and Tech- nology（Beijing），2012.

[15]王傳鴻，鄒剛，周歆，等.自激式水力振蕩器結(jié)構(gòu)性能及其振動特性研究［J］．石油機械，2020，48（11）：16-21.

WANG C H，ZOU G， ZHOU X，et al. Research on design features and vibration characteristics of self-ex- cited hydraulic oscillator [J].China Petroleum Ma- chinery，2020，48（11）：16-21.

第一作者簡介：張景躍，女，生于1998年，現(xiàn)為在讀碩士研究生，研究方向為新型流體機械。地址：（266580）山東省青島市。E-mail：s21150021＠s．upc．edu．cn。

通信作者：王宗明，E-mail：wzmcc＠upc.edu.cn。

收稿日期：2022—07—13

（本文編輯 王剛慶）