高速超高压水射流喷管内外湍流流场的数值模拟

基于对现有研究成果的分析，选用了应用最广泛的涡动粘性系数法中的ｋε模型对高速超高压射流辅助钻井钻头井底湍流流场进行了数值模拟，研究了高速超高压射流的结构特性和喷管内外流场的分布规律．模拟精度基本达到了工程技术要求．对高速超高压射流喷管内外（井底）湍流流场的全场数值模拟表明，高速超高压射流井底流场是由射流冲击区、漫流区、涡流区和返流区组成的，对于有较大锥形角的斜面或曲面内流道喷嘴，一般可不必考虑流体的压缩性影响（约为５％）．     

圆形射流流场流动结构的数值模拟

用间歇涡环代替圆形射流剪切层，对圆形射流流场的流动结构进行了数值模拟。研究中考虑了喷嘴喉部结构形状对旋涡脱落的影响及其与射流流场的相互作用。计算结果表明，内流过渡曲面为椭球面而出口形状对锥面的风琴管式喷嘴，喷射出的圆形射流流场具有良好的大尺度涡环结构。     

锥形旋转射流井底流场的数值模拟

针对旋转水射流代替机械钻头破岩钻径向水平井的实际要求,运用数值模拟方法研究了旋转射流在井底的流动规律。结果表明,旋转射流的流动不同于普通圆射流,它的第一个质点都具有三维速度,射流能量不是集中在射流中心部位,而是集中在定定半径的圆环上,同时具有明显的扩散性,并在中心形成回流区。随着旋流强度的增大,射流扩散能力增强。 数值模拟得到的流动规律与实验结果完全一致。     

井底边界条件下喷嘴射流流的数值模拟

用数值模拟的方法研究了符合井底边界条件的轴对称单喷嘴淹没非自由射流流场，给出了不同喷嘴直径、不同喷速、不同喷距下的流场磁量图，并研究了上述工况下的射流轴心速度衰减规律。结果表明，除射流区、撞击区、漫流区、返回区之外，还存在一明显的回流旋涡区，射流出口雷诺数对轴心速度衰减的影响很小，而温流的存在命名得射流轴心速度在靠近井底的区域内受到很大程度的影响。     

风琴管喷嘴外湍流射流流场的数值模拟

用湍流ｘ－ｅ方程模型对风琴管式喷嘴外流场进行数值模拟，得出轴向速度、径向速度的分布规律和衰减规律，为提高清除岩屑效率提供依据。计算结果表明，在喷嘴出口处存在抽吸现象，射流剪切层的边界处具有大尺度的涡流结构。射流剪切层的边界形状为波状，流场中轴心速度和沿径向的轴向速度衰减规律不随雷诺数的变化而变化。随着喷距的增加，沿径向的轴向速度衰减变慢。随着喷嘴出口到井底间距离的增大，射流轴心速度衰减变慢，但其变     

轴对称紊流射流流场数值模拟

选取标准的Ｋ－ｅ二方程模型及优选的紊模型系数，运用有限差分方法对淹没轴对称紊流射流流场进行数值计算。计算结果表明，射流轴心速度是逐渐服装厂物，其衰减规律和射流出口雷诺数无关，无因次等速长度约为４－５，和实验数据符合较好。     

风琴管喷嘴外湍流射流流场的数值模拟

用湍流κ－ε方程模型对风琴管式喷嘴外流场进行数值模拟，得出轴向速度、径向速度的分布规律和衰减规律，为提高清除岩屑效率提供依据．计算结果表明，在喷嘴出口处存在抽吸现象，射流剪切层的边界处具有大尺度的涡流结构．射流剪切层的边界形状为波状，流场中轴心速度和沿径向的轴向速度衰减规律不随雷诺数的变化而变化．随着喷距的增加，沿径向的轴向速度衰减变慢，随着喷嘴出口到井底间距离的增大，射流轴心速度衰减变慢，但其变化幅度不大．     

轴对称紊流射流流场数值模拟

选取标准的Ｋ－ε二方程模型及优选的紊流模型系数，运用有限差分方法对淹没轴对称紊流射流流场进行数值计算．计算结果表明，射流轴心速度是逐渐衰减的，其衰减规律和射流出口雷诺数无关，无因次等速核长度（Ｌ／Ｄ）约为４～５，和实验数据符合较好．对射流径向速度Ｖ沿径向截面的分布及射流基本段内轴向速度分布的相似住进行了预测．     

井底受限射流流场的数值模拟

考虑到深井、超深井中井底围压对射流流场有一定的影响，建立了井底受限射流流场的物理模型。采用κ-ε模型，并对模型的主要系数进行了优选，用有限元方法对围压条件下井底受限射流的流场进行了数值模拟。给出了高围压条件下射流轴心动压力、径向速度和轴心线上湍流动能等流场参数分布，并与零围压条件下淹没自由射流的参数进行了比较，得出了高围压条件下受限射流轴心动压力衰减规律的数学模式，进一步完善了钻井水力参数设计的理论和方法。     

圆管内宾汉流体湍流流场的数值模拟

依据牛顿流体中建立的标准Ｋ－ε湍流模型这一基本思想，考虑宾汉流体本构关系的特点，建立了适用于求解宾流流动的控制方程。采用压力耦合半隐式算法，对管内宾汉流体紊流强度及流速分布进行了数值计算研究，取得了与实测值吻合较好的结果。     

锥形旋转射流井底流场的数值模拟

针对旋转水射流代替机械钻头破岩钻径向水平井的实际要求,运用数值模拟方法研究了旋转射流在井底的流动规律。结果表明,旋转射流的流动不同于普通圆射流,它的每一个质点都具有三维速度,射流能量不是集中在射流中心部位,而是集中在一定半径的圆环上,同时具有明显的扩散性,并在中心形成回流区。随着旋流强度的增大,射流扩散能力增强。数值模拟得到的流动规律与实验结果完全一致。     

耐磨风量调节阀气相流场的数值模拟

为了提高风量调节阀的耐磨性能,基于多孔射流扩散及叠加原理,提出一种耐磨风量调节阀,其结构特点是阀芯由活动多孔板及具有导流板的固定多孔板组成．利用RNGκ-ε模型分别对耐磨风量调节阀及传统插板阀气相流场进行了数值模拟与分析比较,研究结果表明：在耐磨风量调节阀的出口处流场分布比较均匀,而插板阀在出口处存在严重的偏流及回流现象,气流均匀程度很差,所提出的耐磨风量调节阀的结构是合理的,具有较好的耐磨性能．     

MPC模块三分支联接湍流流场的数值模拟

用任意拉格朗日－欧拉（ＡＬＥ）法模拟了ＭＰＣ模块的二维定常可压缩湍流流场．以某一型号发动机的ＭＰＣ排气系统为例，对仅支管进气及支管总管都进气两种情况获得了速度场和压力场，揭示了ＭＰＣ模块三分支联接湍流流动特性，也为用ＡＬＥ法模拟ＭＰＣ模块三维流场奠定了基础．     

双进口双锥旋流管湍流流场的数值模拟

采用湍流Girimaji非线性模型对双进口双锥旋流管内部湍流流场进行数值模拟。得到了该旋流管流场不同截面上的速度矢量分布情况和压力分布图，初步揭示了旋流管内部流场的分布规律。     

MPC模块三分支联接湍流流场的数值模拟

用任意拉格朗日－欧拉法模拟了ＭＰＣ模块的二维定常可压缩湍流流场。以某一型号发动机的ＭＰＣ排气系统为例，对仅支管进气及支管总管都进气两种情况获得了速度场和压力场，揭示了ＭＰＣ模块三分支联接流流动特性，也为用ＡＬＥ法模拟ＭＰＣ模块三维流场奠定了基础。     

喷嘴内液固两相射流流场的数值模拟

基于连续介质理论，考虑了液固两相间的相互作用，给出了喷嘴流道内液固两相射流的控制方程，利用标准的k-ε两方程模型对磨料射流喷嘴内流场进行了数值模拟研究，并对模型中的主要参数进行了优选。研究结果表明，水与磨料颗粒之间存在速度滑移，在相间力的作用下磨料颗粒一直作加速运动，颗粒速度逐渐趋向水的速度；进入喷嘴收缩段后，水与磨料颗粒同时得到加速，但由于惯性力的作用，达到相同速度磨料颗粒的加速过程要长；进入直柱段后，液相速度继续增加至最大速度，此后缓慢降低，而磨料颗粒在整个直柱段内一直加速，液固两相的速度差逐渐减小，直至从喷嘴喷出；喷嘴出口处液固两相的速度剖面近似为抛物线形，在喷嘴截面中心处速度最大，沿径向逐渐减小，离壁面越近，速度降低的幅度越明显。与前人的研究结果对比发现，模拟所得的结果是正确的。     

井底边界条件下单喷嘴射流流场的数值模拟

用数值模拟的方法研究了符合井底边界条件的轴对称单喷嘴淹没非自由射流流场，给出了不同喷嘴直径、不同喷速、不同喷距下的流场矢量图，并研究了上述工况下的射流轴心速度衰减规律。结果表明，除射流区、撞击区、漫流区、返回区之外，还存在一明显的回流旋涡区，射流出口雷诺数对轴心速度衰减的影响很小，而漫流的存在使得射流轴心速度在靠近井底的区域内受到很大程度的影响．数值模拟结果和有关实验数据有较好的一致性。     

用离散涡方法模拟喷嘴出口射液流场的数值模型

根据流体力学原理,用离散涡方法建立了在复平面上模拟嘴出口流场的一套完整模型。在此基础上,用ＦＯＲＴＲＡＮ语言编写了计算机程序,模拟了喷嘴出口流场的速度分布,利用涡失矢量图对计算结果进行了分析,得出 射流嘴出口分离动及流场中旗旋涡形成发展的规律。     

液-液旋流分离管湍流流场的数值模拟

采用雷诺应力模型(RSM)对一种旋流管内部的单相流动进行了湍流数值模拟。通过数值计算得到了旋流管内部流动的速度矢量分布情况,计算结果与经典文献资料吻合,证明了模型的正确,为进一步数值模拟打下了基础。     

圆形射流流场流动结构的数值模拟

用间歇涡环代替圆形射流剪切层，对圆形射流流场的流动结构进行了数值模拟。研究中考虑了喷嘴喉部结构形状（喷嘴内流过渡曲面为球面或椭球面或其它旋转曲面，出口形状为锥面或锥面加环套）对旋涡脱落的影响及其与射流流场的相互作用。计算结果表明，内流过渡曲面为椭球面而出口形状为锥面的风琴管式喷嘴，喷射出的圆形射流流杨具有良好的大尺度涡环结构。