自进式旋转射流钻进机理的研究

论文摘要

自进式水射流系统由于无需另外设置动力,依靠自身射流的反冲力便能提供动力,因而在煤矿煤层气中的水平孔的钻进、水力开采与供水、发电厂的供水与冷却、化工厂罐道的清洗等领域有着可观的潜在市场。本文通过分析旋转射流的速度分布特点,从理论上计算了旋转射流和普通射流反冲力的大小:即相同条件下旋转射流在射流轴线方向的反冲力小于普通射流,并通过反冲力与自进力之间的关系,设计出了正向喷嘴采用旋转射流形式的自进式喷头。本课题在研究过程中,首先建立了自进式喷头的运动方程,从理论上分析了流量、反向喷嘴数目和反向喷嘴与射流轴线的夹角对自进式喷头钻进情况的影响,结果表明:改变系统的流量,可以使自进式喷头的最大钻进速度和最大钻进距离发生明显改变;改变反向喷嘴的数目和反向喷嘴与射流轴线的夹角,只能在较小的范围内改变自进式喷头的最大钻进速度和最大钻进距离。其次利用计算流体动力学软件Fluent将加旋元件尺寸参数对于旋转射流流场的影响进行了数值模拟,并由模拟的结果分析了不同尺寸参数的加旋元件对自进式喷头钻进速度的影响,初步确定了加旋元件尺寸参数为:长度L=25mm,螺距P=8mm,双头螺线。对加旋元件参数对旋转射流的影响进行了实验研究,实验结果与数值模拟结果基本一致。数值模拟与实验结果表明:加旋元件长度一定时,加旋元件螺距不变而改变头数,或者加旋元件的头数不变而改变螺距,均可使自进式喷头出口的切向速度发生改变,进而使自进式喷头的钻进速度发生改变。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 引言
• 1 绪论
• 1.1 水射流技术概述
• 1.2 自进式旋转射流的研究现状
• 1.2.1 磨料射流技术
• 1.2.2 旋转射流研究现状
• 1.2.3 自进式旋转射流的研究现状
• 1.3 课题来源、主要研究内容及意义
• 1.3.1 课题来源
• 1.3.2 课题的主要研究内容
• 1.3.3 课题研究的意义
• 2 旋转射流理论
• 2.1 旋转射流的理论基础
• 2.1.1 旋转射流的形成
• 2.1.2 旋度的概念
• 2.1.3 吸卷能力
• 2.2 旋转射流的速度分析
• 2.2.1 切向速度
• 2.2.2 径向速度
• 2.2.3 轴向速度
• 2.3 旋转射流的运动方程
• 2.4 旋转磨料射流钻孔效果分析
• 2.4.1 旋转磨料射流钻孔过程
• 2.4.2 旋转磨料射流钻孔机理
• 3 自进式旋转射流钻进系统研究
• 3.1 自进力的计算
• 3.1.1 射流基本参数
• 3.1.2 普通射流反冲力的计算
• 3.1.3 旋转射流反冲力的计算
• 3.1.4 普通射流与旋转射流反冲力的比较
• 3.1.5 反冲力和自进力的关系
• 3.1.6 自进力与功率的关系
• 3.2 自进式旋转射流喷头的设计
• 3.2.1 正向喷嘴结构的确定
• 3.2.2 喷头及主要零部件的设计
• 3.3 自进式喷头钻进的理论分析
• 3.3.1 喷头的运动方程及分析
• 3.3.2 自进式喷头运动方程与各参数之间的关系
• 4 基于Fluent的旋转射流数值模拟
• 4.1 CFD技术概述
• 4.1.1 CFD技术及其应用
• 4.1.2 CFD的基本方程组
• 4.2 Fluent基础知识
• 4.2.1 Fluent的组成
• 4.2.2 Fluent求解问题的步骤
• 4.3 建模和数值模拟
• 4.3.1 三维实体模型的建立
• 4.3.2 实体模型的网格划分
• 4.3.3 方法的选择与初始化
• 4.4 模拟结果与分析
• 4.4.1 加旋元件尺寸的影响
• 4.5 本章小节
• 5 加旋元件性能实验研究
• 5.1 实验平台介绍
• 5.2 实验过程与步骤
• 5.2.1 实验目的与结果分析
• 5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介及读研期间主要科研成果