21世纪以来,水力喷射径向钻井技术已发展成为煤气开采领域的一项重要方法,为我国的清洁能源的补充带来了深远影响。为进一步提升脉冲射流峰值速度,拟设计出双腔室脉冲射流钻头。本文运用理论分析、数值模拟以及破岩实验等方法,开展了关于双腔室脉冲射流流场特性以及破碎煤岩的相关研究,主要研究内容和结果如下: (1)双自激振荡脉冲射流喷嘴结构设计以及对三种不同射流的流场特性进行对比分析。进行数值模拟后对三种不同射流的流场特性进行对比分析,双脉冲射流在峰值速度上相对于直射流、单脉冲射流增幅达107%、16%。 (2)双腔室脉冲射流流场特性和演化机理分析。建立双腔室脉冲射流数值计算模型并进行数值模拟,分析认为,第一腔室内的空隙度较大且处于使高速涡流较为稳定的范围内,有效抑制次生涡的能量占比和分离涡出现频率。当流体进入第二腔室时,周期性脱落涡环与主涡形成速度耦合,使射流的脉动强度和峰值速度“二次放大”。 (3)双腔室脉冲射流关键参数影响分析。使用FLUENT流体仿真软件对双脉冲射流流场进行仿真模拟,分别研究了不同结构参数的直径比(d₁/d₃),腔径比(L_c2/D_c2),长度比(l₁/l₃)对双脉冲射流的影响:随直径比变化,速度初始阶段增速显著,短暂回升后急剧下降;腔径比在初始阶段轴心速度呈现快速增长,随后出现系统性衰减;长度比在初始阶段减小显著提升轴心速度后续速度衰减。根据以上数值模拟结果,初步得到关键参数最优值:长度比为1.75,直径比为1.3,腔径比为0.35。 (4)双腔室脉冲射流破煤岩特性研究。首先进行了不同靶距下的冲击试验,冲蚀效果随靶距的增加而降低;不同进水压力下,破碎体积与施加压力呈现显著的正相关,其增长趋势符合近似线性关系;射流破岩体积随直径比、腔径比和长度比的增加而先增加后减小,结合实验结果得到:直径比为1.3、腔径比为0.35、长度比1.75的钻头破岩效果最好,与数值模拟结果相印证。 本文研究成果可为双腔室脉冲射流喷嘴确定合理的参数以及钻头优化设计准则提供参考与指导,具有一定的工程意义。 图[46]表[2]参[96]