回流式自激振荡器脉冲流动特性数值研究*

张景跃 王宗明 于振兴 周耀东 李文飞 夏文安

(1.中国石油大学(华东)新能源学院 2.国家知识产权局专利局专利审查协作江苏中心 3.中石化胜利石油工程有限公司钻井工艺研究院)

0 引 言

在石油钻井中，钻柱贴附井壁会造成钻柱整体摩阻加大，影响钻压的传递，使驱动扭矩加大，降低钻进速度[1]。而且钻井井底压持效应[2]的存在容易造成钻屑堆积井底，堵塞裂缝，形成岩屑重复破碎，也会影响钻头寿命和机械钻速。无论是钻柱摩阻还是井底的压持效应，都可以通过使用自激振荡器来抑制。一方面，自激振荡器产生的脉动射流会对钻柱起到激励振动作用，将钻柱与井壁的静摩擦转化为动摩擦，实现动态减阻[3]；另一方面，自激振荡器产生的脉动压力在一定程度上可以克服井下岩屑的压持效应，并且脉动射流的驻点压力最大值是普通连续射流的4～10倍[4-6]，能够增强钻头的破岩效果。

目前，产生自激振荡脉动射流的装置主要是基于赫姆霍兹式和风琴管式自激振荡喷嘴[7-9]。赫姆霍兹式自激振荡喷嘴依靠振荡波在振荡腔内的传播与反馈来产生脉动射流，振荡波在流体中传播速度较大，导致脉动频率过高，达到102、103甚至更高的数量级。而且依靠空化原理形成自激脉动射流的自激空化装置，不适用于钻井高围压的工况[10]。

国内外学者对自激振荡脉动射流产生的机理以及自激振荡装置进行了较多研究。P.A.LUSH[11]对附壁射流振荡器中射流产生偏转的机理进行理论和试验探究，研究结果表明，射流的偏转其实是主射流受附着壁之间漩涡影响的结果。V.TESAR等[12]提出了一种新型的自激振荡器，这种射流振荡器特点是在结构中加入了一个赫姆霍兹共振腔，通过振荡波在振荡腔内的来回传播发展，进而引发射流的振荡，可以满足大多数高频振动应用场合，但不满足低频振动应用场合。雷纯兵[13]创新性地设计了一种高围压条件下的脉动射流喷嘴，设计了附着壁及回流通道，可在一定程度上降低脉动射流的频率。

对于井下作业高围压、大流量工况，为使自激振荡器所产生的脉动射流频率进一步降低，笔者在前人研究的基础上，结合附壁射流效应、涡激振动效应以及流体反馈作用，提出了高围压低频回流式自激振荡器，并利用CFD方法分析了振荡器内部脉冲流动特性。所得结果可为振荡器脉动频率调节及新型自激振荡器开发提供参考。

1 计算模型及参数确定

1.1 结构设计与网格划分

新型回流式自激振荡器结构如图1所示。该回流式自激振荡器主要包括本体、楔形整流块及圆柱形整流块等部件。本体左端为连接外螺纹，右端为连接内螺纹。楔形整流块和圆柱形整流块安装于本体中部，在本体内依次形成射流入口、振荡腔、回流通道、射流出口以及后振荡壁、附着壁和前振荡壁。

1—后振荡壁；2—前振荡壁；3—连接内螺纹；4—圆柱形整流块；5—附着壁；6—楔形整流块；7—本体；8—连接外螺纹。

使用GAMBIT软件对回流式自激振荡器计算区域进行网格划分。由于振荡腔内部结构较为复杂，需要对计算区域进行split分块。近壁区域采用边界层网格，网格层数为5层。对整个计算区域采用cooper方式进行六面体结构化网格划分，计算模型网格划分如图2所示，绿色部分为边界层网格。

图2 计算模型网格划分

1.2 计算条件与边界设置

应用Fluent软件、采用RNGk-ε湍流模型，对振荡器振动本体内部流场进行数值模拟。计算条件及边界设置如下：

(1)根据现场数据，选取钻井液密度为1 300 kg/m3，动力黏度相应设置为0.015 Pa·s。

(2)入口采用压力入口条件，压力为15.5 MPa；出口采用压力出口条件，压力为14.5 MPa。

(3)固体壁面设为静止壁面。

1.3 网格无关性与结果正确性验证

计算发现，当网格数超过60万时，脉动频率趋于一个稳定值，继续增加网格数量到100万，计算结果与60万时的频率变化幅度相差不足1%。为了得到较为精确的解，最终选取的计算模型网格数量为643 230。

王晖[14]利用测力传感器、高速摄像机等信息采集装置，配合射流装置组合成试验系统。该试验系统中自振喷头的主要参数为：上喷嘴直径d1=0.8 mm，下喷嘴直径d2=1.2 mm，振荡腔长度LC=3.5 mm，振荡腔宽度DC=8 mm。采用上述数学模型进行数值模拟，图3为数值模拟结果与王晖的试验结果对比图。由图3可见，模拟结果与试验结果较为接近，误差在10%以内，验证了模型的可用性和结果的正确性。

图3 试验频率与模拟频率对比图

2 振荡器脉冲流动特性

2.1 内部流场特性

图4为自激振荡器内部流场的典型流动过程。由图4可见，流场中存在流体反馈、涡漩推动作用以及附壁效应。

图4 自激振荡器内部流动过程图

由图4a可见，在t=1.839 95 s时，主射流由于上附着壁与主射流间的涡漩作用被推至下附着壁上，然后经过圆柱形整流块的绕流后主射流向上弯曲，大部分流体直接从出口流出，少部分流体由于弯曲幅度较大直接从上回流通道入口流入，继续增强上附着壁与主射流间的涡漩作用。另外，还有部分紧贴下附着壁的流体未经圆柱形整流块绕流直接进入下回流通道，开始形成回流。此时大部分主射流流体直接流出出口。

由图4b可见，在t=1.854 95 s时，随着上部漩涡的增大，越来越多的紧贴于下附着壁的流体流入下回流通道，导致在下回流通道的出口形成了一个初生涡漩。该初生涡漩会逐渐增大并向下游移动，将下回流通道出口附近原本紧贴在下附着壁的主射流推开一段距离。虽然大部分主射流仍然还贴在下附着壁上面，但是进入上回流通道的流体大大减少。

由图4c可见，在t=1.879 95 s时，初生涡漩增大到一定规模，会使主射流完全偏离下附着壁，并贴附在上附着壁上，大部分主射流从圆柱形整流块的上方通过了；但由于绕流作用的存在，主射流的下半部分会向下偏转，这就使得一部分流体流入下回流通道实现回流，另一部分则直接从出口流出。

由图4d可见，在t=1.884 80 s时，主射流的主体已经被推至上附着壁面，发育完成，向下游移动的涡漩也已经达到最大值并充满下游区域。下游部分向下弯曲的流体大部分还是直接从出口流出，少部分流体由于弯曲幅度较大进入下回流通道，还有部分紧贴上附着壁的经前振荡壁的反馈流入上回流通道形成回流，该状态即图4a所示状态的对称状态，仅仅是上下切换而已。随着上回流通道回流量的增多，上回流通道出口处的初生涡漩将会产生，继续重复图4b～图4c的过程。

回流式自激振荡器内部主射流完成一次偏转的过程，也是主射流在2个附着壁之间来回摆动1次所需时间的。主射流之所以可以来回偏转，就是由于经前振荡壁反馈的回流流体产生的涡漩增大并向下游移动、推动附壁流动偏离壁面、结合圆柱绕流的结果。

2.2 出口脉冲射流特性

图5为振荡器出口的速度频谱图和压力频谱图。由图5可知，两张频谱图变化规律相似，振荡器计算区域的出口处所形成的脉动射流频率为24.178 Hz，相比于传统自激振荡器产生的102数量级射流频率，有较大幅度下降，为其适用于低频工况打下坚实的基础。

图5 振荡器出口频谱图

3 结构参数对脉动特性的影响

由于井下自激振荡工具1阶固有振动频率一般较低，而且自激振荡工具的响应频率受工具长度和径向尺寸影响较大。下面应用数值模拟方法，探究圆柱形整流块半径、回流通道宽度、振荡腔长度及前振荡壁夹角等4个振荡器结构参数对脉动射流频率的影响规律[15]。

使用控制变量法探究单一结构参数与脉动射流频率的变化关系，控制其他结构参数不变。根据前期计算结果，选取基准参考组合：前振荡壁夹角α=120°，后振荡壁外圆角半径R=42 mm,振荡器振荡腔长度L=190 mm，回流通道宽度d=15 mm，圆柱形整流块半径r=12 mm，圆形整流块距定位尺寸为m=50 mm，具体结构如图6所示。

图6 结构参数示意图

3.1 圆柱形整流块半径的影响

回流式自激振荡器引入圆柱形整流块，强化了绕流效应。在此取圆柱形整流块半径在10～20 mm范围，每隔2 mm变化1次，其他参数值与参考组合保持一致，进行数值模拟，射流频率随圆柱形整流块半径的变化趋势如图7所示。由图7可知，随着圆柱形整流块半径的增大，脉动射流频率整体上呈现先增大后减小的趋势，可根据不同的需求选择合适的圆柱形整流块半径。

图7 脉动射流频率随圆柱形整流块半径变化趋势

3.2 回流通道宽度的影响

回流式自激振荡器将楔形整流块边缘处设计为小段圆弧过渡，回流通道宽度在10～25 mm范围，其他结构参数值与参考组合保持一致，最终选择7组结构参数进行模拟研究。图8为脉动射流频率随回流通道宽度变化关系。由图8可知，脉动射流频率在d=13 mm处达到最大值，之后的流动频率受回流通道宽度的影响不大，在24 Hz上下变化。

图8 脉动射流频率随回流通道宽度变化趋势

3.3 振荡腔长度的影响

图9为脉动射流频率随腔长的变化趋势。由图9可见，脉动射流频率随振荡腔长度的增大而减小，二者呈二次曲线型分布。曲线的拟合公式为：y=0.000 723 795x2-0.432 03x+80.379 45

图9 脉动射流频率随腔长变化趋势

(1)

式中：自变量x为振荡腔长度，mm；因变量y为脉动射流频率，Hz。

因为振荡腔长度越长，对应的附着壁长度以及回流通道长度就越长，射流振荡过程中附着在上、下附着壁以及通过回流通道所需时间也相应延长，故振荡1次的周期得到延长，振荡频率也会随着腔长的增长而降低。

式(1)可用于其他结构参数不变时，通过腔长的改变来控制脉动射流频率，使其适合自激振荡工具的固有振动频率，达到强化激励的作用。

3.4 前振荡壁夹角的影响

取前振荡壁夹角在80°～180°范围，每隔20°均匀变化，其他参数值与参考组合保持一致，计算得到脉动射流频率随前振荡壁夹角的变化趋势，如图10所示。由图10可知，随着前振荡壁夹角α的增大，脉动射流频率随前振荡壁夹角α的增大呈现出先减小后增大的趋势，且在α=120°处最小。在回流式自激振荡器设计中，推荐前振荡壁夹角α取120°。

图10 脉动射流频率随前振荡壁夹角变化趋势

4 结 论

(1)基于回流自激振荡原理，开发了一种适于高围压条件的低频回流式自激振荡器；应用Fluent软件对自激振荡器内部流场进行了数值模拟，揭示了附壁流动、漩涡推动、圆柱绕流以及碰撞反馈造成主射流在振荡腔内来回摆动、出口射流脉动的根本原因。

(2)基于控制变量法探究了几个关键参数对脉动射流频率的影响规律，结果发现：随着圆柱形整流块半径增大，频率先增大后减小；回流通道宽度超过一定值，频率变化不明显；随着振荡腔长度增加，频率单调减小；随前振荡壁夹角增大，脉动射流频率存在极小值。