同軸直旋混合射流噴嘴結構參數優化的數值模擬研究

關鍵詞：水射流；煤層氣；直旋混合射流；徑向鉆井

中圖分類號：TE921 文獻標志碼：A 文章編號：1003-5168（2025）07-0027-07

DOI： 10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2025.07.006

Numerical Simulation of Structure Optimization of Coaxial Straightswirling Mixed JetNozzle

PENG Zhao DU Peng （School of Mechanical Engineering，Anhui University ofScience and Technology，Huainan 232O01，China）

Abstract：[Purposes] This paper aims to determine the reasonable parameters for the straight-swirling mixed jetdrill bit.[Methods] In this paper，numerical simulation software such as ANSYS and Fluent is used to studythe flow field characteristicsof coaxial direct swirl mixed jetbyusing the control variable method，and the influence law of the key structural parameters of the bit （direct swirl flow ratio slot aspect ratio ， mixed cavity length-diameter ratio linear section length-diameter ratio ） on the flow field is analyzed.[Findings] affects the distribution ratio of direct flow and rotating jet， and mainly affects the spinning energy of rotating jet.[Conclusions] It can be concluded that the flow field suitable for self-feeding driling canbe obtainedby adjusting the bit structure.Taking the axial velocity and radial distribution of the jet as evaluation indexes，the optimal parameters of the bit are： =0.46，d/d =0.67， =0.56，providing engineering guidance for radial drilling construction. Keywords： water jet; coal bed methane; straight-swirling mixed jet; radial drilling

0引言

自進式直旋混合射流是將直射流和旋轉射流相結合的組合射流[1-2]，有效地結合了兩者的優點，噴射能量分布均勻，鉆探孔徑較大，有效破巖距離長，尺寸小，結構簡單，且避免了形狀不均勻，偏離預定角度的問題。相比于直射流鉆頭和旋轉射流鉆頭，其優點更加突出，滿足了極小半徑徑向鉆井技術的需求。Buckman等[3]和Willian[4]設計的新型直旋混合射流鉆頭，與其他幾種鉆頭相比，該直旋混合射流鉆頭具有尺寸小、破巖沖孔形態圓整及破碎體積量大等優點，適用于極小半徑轉彎鉆井。宋劍等5利用Fluent仿真方法研究了直旋混合射流的流場特性；廖華林等通過高速攝影分析了直旋混合射流流場速度分布；Du等通過PIV技術研究了直旋混合射流流場，探討了中心孔徑、葉輪傾角、靶距、噴嘴長徑比對流場的影響。本研究則運用Flu-ent數值分析的辦法，對直旋混合鉆頭流場特性進行分析研究，得到鉆頭的最優結構參數，為類似工程提供一定的參考。

1直旋混合射流鉆頭結構

鉆頭主要由一個帶有中心孔和多個槽的葉輪、一個帶有收縮錐的混合腔、幾個后噴嘴、一個前噴嘴和一個擴張段組成，具體如圖1所示。該鉆頭通過后噴嘴的推進力自行前進，純凈水經泵加壓后，在葉輪靠近入口的端面分為通過中心孔的直射流和通過葉輪的旋轉射流。其中，通過中心孔的直射流與葉輪槽的旋轉射流的作用是沖擊破碎煤巖。

射流鉆頭結構初步設計的關鍵參數見表1。其中，對應的直線段長徑比 為 0 . 0 . 5 6 、 1 . 1 1 、 1 . 6 7 混合腔長徑比 為0.44、0.67和0.89；槽面長寬比 為 ；入口流量比 為0、0.20、0.46、0.81和 1 . 2 7 。

2直旋混合射流流場速度分布特性研究

2.1數值模擬設置

采用Solidworks軟件建立直旋混合射流內外流

場的三維模型，如圖2所示，結合以往流場仿真模擬經驗，外流場設計成直徑為 4 0 m m 、高為 6 0 m m 的圓柱體，以確保流場均勻擴散。

入口壓力設置為 3 0 M P a ，出口壓力設置為1 0 1 3 2 5 P a ，其余邊界設為 Δ W a l l ，并且固定無滑

移。流體設為液態水，密度為 ，動態黏 度為 ·So

計算方法使用COUPLED算法，壓力求解格式設為PRESTO，動力求解格式為QUICK，勾選翹曲面梯度校正。

2.2數值模擬結果與分析

2.2.1直旋混合射流速度分布規律。選取鉆頭編號為3#的鉆頭作為研究對象，直旋混合射流的速度云圖如圖3所示。由圖3可以直觀地看出，直旋混合射流不僅具有直射流的特性（即在噴嘴中心處附近存在高速區，隨噴距的增加軸心速度發生衰減），還具有旋轉射流的特性（即射流隨著噴距的增大，射流逐漸擴散）。

圖4展示了在不同無因次噴距（噴距與前噴嘴直徑的比值）下，即Ls/Df為2.78、5.56、11.11、16.67、22.22時，射流在五個橫截面上的速度分布情況。由圖4可以發現，隨著Ls/Df的增大，射流能量從軸心處向外圍區域擴散，覆蓋面積逐漸增大，同時外圍射流面積也隨之增加。

圖4各橫截面速度分布云圖

2.2.2入口流量比 對射流速度的影響。根據上述對速度分布規律的分析，當為 為5.56時，射流具有較大的速度及擴散面積，符合徑向鉆井技術的要求。因此選取 為5.56處的橫截面為參考靶面，沿徑向方向提取靶面上的三維速度（軸向速度、切向速度、徑向速度），提取位置如圖5所示。

選擇鉆頭編號為1#、2#、3#、4#和5#的鉆頭作為仿真模擬對象，研究不同 條件下的流場特性。圖6展示了在無因次噴距為5.56處，沿徑向方向上的三維速度變化規律。從圖6（a）可以觀察到，隨著 的增加，相同位置處的軸心速度逐漸增大，最大速度從 增加到 2 1 6 m / s 。從圖6（b）可知，軸心速度持續增加，但增幅不明顯，并最終穩定在 1 5 6 m / s 左右。在圖6（c）中可以看到，隨著 的增加，相同位置的切向速度逐漸減小。圖6（d）則顯示，在不同 參數下，射流的徑向速度變化規律保持一致，并且峰值速度近似相等。綜上所述，當 為0.46時，鉆頭的破巖能力最佳。

2.2.3槽面長寬比 對射流速度的影響。選擇鉆頭編號為3#、6#、7#和8#的鉆頭作為仿真模擬對象，研究不同 條件下（保持葉輪槽面積近似相等）的流場特性。圖7展示了在這些條件下流場軸心速度的變化規律。從圖7（a）可以觀察到，隨著 的增大，相同位置處的軸心速度也逐漸增大，最大值達到 2 1 5 m / s 。圖7（b）顯示，隨著 從3.0增加到3.88，軸向速度有較大幅度的增加，增幅約為 8 m / s ；當從3.88增加到6.83時，速度增幅明顯減??；然而，當 從3.88增加到6.83時，速度增幅明顯減小。在圖7（c）中可以觀察到，隨著dJd的增大，切向速度呈現出減小的趨勢。圖7（d）則顯示，在 為3.0時，徑向速度明顯達到最大值。綜合考慮dJd為3.88時最優。

2.2.4直線段長徑比 對射流速度的影響。選擇鉆頭編號為3#、11#、12#、13#的鉆頭作為仿真模擬對象，研究不同 條件下的流場特性。圖8展示了在這些條件下流場軸心速度的變化規律。從圖8（a）可以觀察到，軸心速度先加大后降低，最大值 2 0 8 m / s 在噴距為 2 . 4 m m 時得到。圖8（b）顯示，當徑向半徑在 0 m m 到 2 . 5 m m 時，其軸向速度高于其他參數；當半徑超過 時，各個軸向速度趨于相同。在圖8（c）圖8（d）中，隨著 的增大，切向速度和徑向速度的峰值和分布面積都先加大后降低。綜合考慮 為0.56時最優。

2.2.5混合腔長徑比 對射流速度的影響。選擇鉆頭編號為3#、9#、10#的鉆頭作為仿真模擬對象，研究不同 條件下的流場特性。圖9展示了在這些條件下流場軸心速度的變化規律。從圖9（a）上看，隨著 的增大，相同位置上的軸心速度呈現一直減小的趨勢，軸心速度的最大值從 2 1 5 m / s 減小到了 2 0 8 m / s 。從圖9（b）上看，在徑向半徑 到 1 . 5 m m 范圍內，相同位置的軸向速度隨著混合腔長徑比的增大一直減小。

從圖9（c）上看，切向速度的峰值隨著混合腔直徑比的增大，表現出先增大后減小的趨勢。從圖9（d）上看， 的改變，對于徑向速度沒有影響，其最大值穩定在 3 . 7 m / s 。當 較低時，直射流和旋轉射流在混合腔中未充分混合，使得切向速度低。隨著混合腔直徑比的增大，直射流和旋轉射流充分混合，使得切向速度增大，繼而減小。綜合考慮 為0.67時最優。

3結語

本文研究了不同結構參數下流場軸心速度變化規律及在不同無因次噴距三維速度沿徑向的分布規律：射流速度沿徑向持續衰減，到某一處時，速度消失，消失處的徑向半徑隨噴距的增大逐漸增大，最終確定了最佳無因次噴距。

通過數值模擬仿真了直旋混合射流鉆頭的 和 ，對仿真的射流空間三維速度進行分析對比，從而優化了其結構參數，并通過具體的室內鉆進試驗結果分析，與仿真結果相驗證，確定 的最優參數分別為3.88、0.46、0.56。

參考文獻：

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[4]WILLIAMG，BUCKMAN S.Nozzle for jet drillingandassociated methodP].2001.

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[6]廖華林，牛繼磊，程宇雄，等.多孔噴嘴破巖鉆孔特性的實驗研究[J].煤炭學報，2011，36（11）：1858-1862.

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（欄目編輯：孫焱）