钻头射流流动数值模拟-石油工程等专业毕业设计-毕业论文

钻头射流流动数值模拟石油工程等专业毕业设计毕业论文目录第1章前言 11.1研究背景 11.1.1PDC钻头喷射钻井现状 11.1.2钻头射流在喷射下导管技术的应用 11.2国内外研究概况 51.2.1PDC钻头射流流动模拟研究现状 51.2.2射流应用在喷射下导管技术研究现状 5第2章射流基本理论 62.1射流概念 62.2射流技术的发展概况 82.3射流的分类 92.4射流技术的特点 102.5射流技术的应用 112.6钻头射流特性及井底流场模型 122.6.1射流特性 122.6.2井底流场模拟 132.7钻头射流水力效率衡量参数 15第3章钻头射流数值模拟理论与操作过程 173.1流体力学基本方程组 173.2紊流模式理论概况 183.3离散方法 193.4流场的计算过程 213.5FLUENT软件简介 213.5.1FLUENT软件各组软件之间关系 223.5.2用FLUENT程序求解问题的步骤 223.5.3关于FLUENT求解器的说明 233.6Gambit操作过程简介 233.7FLUENT操作过程简介 263.7.1与网格相关的操作 263.7.2建立求解模型 283.7.3设置边界条件 303.7.4求解 32第4章钻头射流数值模拟及分析 374.1钻头流动实体的几何模型及网格划分 374.2钻头射流数值模拟边界条件 384.3数值模拟结果与分析 404.5结论 454.6建议 45致谢 47参考文献 48第1章前言1.1研究背景在油气田开采过程中，钻头射流流动关系到井下钻头的冷却，润滑，钻井液携带岩屑效率。同时，射流流场对深水钻井喷射下导管技术液有重要影响。井底流场的特性与喷射下导管的效率、钻井安全、井底清洗、岩屑运移等有着密切的关系。1.1.1PDC钻头喷射钻井现状射流技术是近20年来发展起来的一门高新技术，在采矿、冶金、石油、航空、建筑、化工、市政建设及轻工业等领域得到广泛应用，并取得了可喜成果。该技术在钻井方面有两个重要应用：PDC钻头喷射钻井以及喷射下导管。无论海上或者陆地，用PDC钻头进行喷射钻井均能十分显著地提高机械钻速，节约钻井成本，这是因为具有很高能量的泥浆射流不仅能有效地清洗了井底，创造良好的破岩环境，而且强大的水力能量具有直接或辅助钻头机械破碎岩石的作用。1.1.2钻头射流在喷射下导管技术的应用深水表层导管（也称之为表层套管或结构套管）是整个深水油井建造过程中安装的第一层套管，它为其后所有的套管、海底防喷器组及将来生产用的水下采油树等提供结构支撑。喷射下导管技术，是将钻具下入导管内，利用导管及钻具的重力和钻井液的喷射来进行岩石破碎的钻井技术。利用该技术，实现钻进和下导管同时进行，钻井液返回液不通过套管与井眼的环空而是通过钻杆与套管的环空返回海底，钻至预定深度后，静止竹柱，利用地层的粘附力和摩擦力稳固导管，不需进行固井作业，而后，起出管内钻具或继续钻进[1-4]。利用喷射下入方法进行表层导管安装已经是全世界进行深水钻井作业的通用作法。目前，大于500m为深水，大于1500m则为超深水。海上浅水区的导管作业通常采用钻孔、下导管然后固井的作业方式。在深水区，由于海底浅部地层比较松软，存在着泥线不稳定问题，地层孔隙压力与破裂压力之间的窗口很窄，采用常规的钻孔——下导管——固井方式比较困难，而且作业风险高、时间长，对于日费昂贵的深水钻井作业显然不合适。目前新出现的深水喷射下导管技术是利用水射流和管串的重力，边喷射开孔边下导管，同时在喷射管柱中下入动力钻具组合以提高作业效率（如图1-1）。钻至预定井深后,静止管串,利用地层的粘附力和摩擦力稳固住导管,然后脱手送入工具并起出管内钻具,从而完成导管的安装。常用的动力钻具组合包括泥浆马达、钻铤和钻头等部件。钻具组合下入到泥线，泥浆马达提供液力冲刷和钻头旋转，岩屑和沉积物沿导管和喷射钻具组合之间的环空上返，并通过送入工具上的返出口排放到外面。已钻(冲刷)出的井眼轮廓小于套管直径，套管依靠自重穿透软的泥线地层，下入到井眼中。图1-1喷射导管管串示意图喷射下导管技术的优点为：a)喷射下导管技术可在钻进的同时下导管，解决了深水表层钻孔后下导管不容易下入的难题。b)喷射下导管技术采用一开二眼技术，一开和二开采用同一套钻具组合，省去了一趟起下钻时间，可节约钻井时间，对于日花费上百万美元的深水钻井来说，效益可观。c)喷射下导管作业结束后无需固井，可避免因水泥浆密度过大而压破地层,避免了固井时井漏问题，同时可避免低温等因素影响固井质量而造成井口下沉[5]。喷射下导管的发展历程[2]如下：喷射历史可以追溯到在美国墨西哥湾在1960年的第一个浮动钻井平台（由壳牌石油有限公司开发），Minton描述了在该平台上结构套管的安装过程。一个长度为29-1/2英寸，壁厚为1.0英寸的导管通过组合驱动器喷射过程在海底进行安装。导管由3英尺冲程的J型开缝工具连接到喷射组合钻具，这使得入喷射组合钻具可以进行驱动。喷射组合钻具由5-1/2英寸钻杆，两个22英寸的含铅钻铤组成。它重达60000磅，对海底沉积物施加冲击力及额外刺穿重量。图1-2给出了了该组合的示意图。喷射接头（不带钻头及马达）产生射流，钻井液携带岩屑经过导管外部返回。图1-图1-2最初的喷射组合示意图图1-3最初喷射过程19世纪70年代，诸如容积式泥浆马达和井口头下入工具的发展使得喷射技术得以发展。井口工具的接口使得喷射由原来的由导管外返回转变为由导管内返回，这一结果使得土层扰动量减少。容积式泥浆马达使得钻头在喷射导管中的旋转及沉积岩更有效的破碎、流态化成为可能。喷射技术传播到全世界其它海域。Salies，Nogueira以及Evandro发表声明：巴西石油公司于1993年开始在坎普斯盆地进行30英寸导管的喷射下导管。在20世纪90年代中期到后期，埃克森美孚公司的子公司将喷射概念传到非洲西部国家安哥拉，尼日利亚及刚果。在特立尼达拉岛，加拿大，澳大利亚及西南亚的深水盆地，运营商都采用了喷射下导管作为首选的安装方法。图1-4显示了目前喷射的基本过程。井底钻具组合由钻头、泥浆马达及其它部分组成，它在导管内部，并与井口下入工具相连。这一混合组合下入到泥线。导管通过自身重量刺穿泥线沉积岩层，泥浆马达产生钻井液循环来提供水力冲洗以及钻头旋转。这一过程之所以叫“射流”是因为沉积物沿导管进行水力冲洗。因为钻进或者冲洗的区域比导管外径小，导管通过施加在地层上的自重挤压进入比自身小的钻孔中。被水力冲击而破碎松散的岩屑及沉积物通过导管环空上行通过喷射井底钻具组合。环空中的沉积物经过井口装置及井口下入工具的接口进入海洋。图1-4目前喷射下入表层导管示意图1.2国内外研究概况1.2.1PDC钻头射流流动模拟研究现状井底流场数值模拟研究的现状[6]如下：钻头井底流场是指以井底面为基础，向上至均匀环空流场为止的空间流场。由于钻头的结构复杂多样，钻头在井底工作时多喷嘴撞击射流在井底的液流流动规律十分复杂，使得人们在进一步深入了解井底流场结构和液流流动特性方面从认识手段上还存在着一定的困难。以往对这一问题的研究中，主要采用实验研究的方法，并且取得了不少的实验研究成果。但由于目前流体实验测量技术和流场显示技术的限制，致使人们利用实验研究井底流场，只能得到有限条件下的实验结果，无论是流场研究、压力场研究，还是速度场研究、排屑能力研究，所得结果均比较粗糙、简单，并且没有定量化、规律化和预见能力，因而不能有效地用于新型钻头设计和产品评价。为了发展有预见性的定量化井底流场研究技术，人们将目光转向了井底流场的数值模拟方向。至今为止，国内外多家机构进行了这方面的工作:休斯公司、Smith公司、克里斯坦森、挪威国家流体研究所、中国石油大学和西南石油学院等。所用方法主要有三大类:一是根据N-S方程编制令用软件(如休斯的牙轮钻头流场模拟、中国石油大学PDC钻头井底流场的数值模拟[7]；二是用通用流体力学软件建立三维实体模型进行解算，其实质仍为N-S方程的数值解(如Christanson的PDC钻头流道设计，挪威国家研究所的钻头流场，中国石油大学、西南石油学院牙轮钻头井底流场[8]等)；三是采用近似方法，如西南石油学院的井底漫流流场研究。1.2.2射流应用在喷射下导管技术研究现状在国外自19世纪60年代开始得到发展，壳牌公司、巴西石油公司、埃克森美孚公司等知名公司均进行探索研究，早期的研究内容主要集中在喷射下导管的设计以及施工上[2,4]。国内对该技术的研究起步较晚，现有的研究方向为井身结构设计[9]、力学分析[10-12]、下入深度确定[13,14]等。第2章射流基本理论2.1射流概念流体从小孔、喷嘴或者管道进入较大的空间，继续扩散流动，形成射流。此空间的介质可以是流动的，也可以是静止的。射流的基本特点：射流对周围流体有强烈的卷吸作用，使得射流宽度沿流动方向不断增加，却远小于射流长度。在射流中垂直于流动方向的速度梯度远大于沿流动方向的速度梯度。在射流的外边界上，即间断面上，射流与周围介质相互作用将产生极不稳定的旋涡，其旋涡的运动可以是沿着横向的，也可以是沿着纵向的。而这些旋涡有大尺度的，也有小尺度的，大尺度的旋涡运输能量，小尺度的旋涡耗散能量。这些大大小小的旋涡运动和分布都是杂乱无章的、随机的。射流的内边界和外边界之间的区域为边界层。在边界层内由于旋涡的运动使流体质点之间产生质量、动量交换及温度交换。交换的结果是:在射流边界层内产生沿横的时均速度，沿射流的轴向也将产生时均速度的变化。射流边界层横向宽度称为射流边界层厚度，其值等2b，如图2-1所示。图2-1表示了主射流从喷嘴中流出到另一射流中的情况(伴随射流)。从喷嘴射出的主射流起始速度为，次射流的速度为,大于。在CAC'锥形区域的射流速度等于喷嘴出口的速度。此区称为核心区(等速核)，区内的流动为有势流。CA为射流的内边界，CBDF为射流的外边界。内外边界之间的空间区域为边界层。在射流的起始处(喷嘴的出口处)的厚度等于零，即b=0。随着喷距的增加射流边界层的厚度(2b)增加。绝大多数的射流是紊流射流。由于具有紊动性，射流不断地卷吸周围的流体，使外边界CBDF随时间上下波动，但在宏观上可以近似认为一条射线。图2-1射流结构示意图射流的几何结构如上图所示，可分为初始段、过渡段和基本段。初始段:由喷嘴出口至等速核断面之间的射流区域称为射流的初始段。该段的核心区内的速度等于喷嘴出口的速度u0，为有势流，各点的速度大小、方向均相同。射流的内边界和外边界之间的区域为剪切层或称为边界层。在剪切层内存在速度梯度，因而产生雷诺应力。在此区内随着喷距的增加核心区逐渐减少，最后消失。过渡段由此断面开始。过渡段:从等速核消失的BB'断面至DD’断面之间的区域称为过渡段。BD线不是射线，而是由CB射线过渡到DF射线的过渡线。在过渡段中的流动情况极为复杂，但是这段区域较短，在射流计算中通常忽略不计。过渡段末的断面称为转折断面，也是基本段的开始。基本段:转折断面以后的区段称为基本段。在该段中射流的紊动特性充分地表现出来。射流极点:射流基本段的外边界射线的交点。为极点，在由极点发出的射线上各流体质点的时均速度相等，称为等速线(等值线)。极点可能在喷嘴内部，也可能在喷嘴的外部，与喷嘴内流道的几何参数(尺寸)有关。2.2射流技术的发展概况19世纪中叶，在北美洲第一次使用射流开采非固结的矿床。本世纪50年代初前苏联和中国利用射流进行采煤(称为水力采煤)。随着水力采煤技术的推广，人们认识到提高水的压力和适当减小喷嘴直径可以显著地提高射流落煤效果。于是人们开始研究较高压力的压力源(高压泵和增压器)及高压脉冲射流(俗称水炮)。进人60年代，大批高压柱塞泵和增压器的问世大大推动了射流技术的研究工作。当时，部分学者片面认为射流的压力越高越好。日本研究出1900MPa的增压器，前苏联和美国研究出5600MPa的脉冲射流发生器。到70年代末，射流技术出现了一个新的动向，即从单一提高射流压力转向研究如何提高射流的威力。开始出现了高频冲击射流、共振射流和磨料射流，这些射流的水压并不算太高，但它们的威力却大大高于同样压力下的普通连续射流。20世纪80年代后，为提高射流的总体冲击效果，相继出现了以脉冲射流、空化射流和磨料射流等为代表的高效射流。不同的射流方式有其各自的特点和应用。脉冲射流是以脉冲的形式将射流作用在靶体上，主要有阻断式、激励式和挤出冲击式。它能充分利用水锤效应，使作用在靶物上的作用力增大，便于材料的破坏裂纹迅速扩散。脉冲射流在靶物表面产牛的冲击力会大大的超过了一般连续射流的滞止压力，从而非常显著地提高了射流的切割、破碎能力。而在20世纪七、八十年代发展起来的空化射流技术，则是一种利用空化破坏能量的成功尝试。空化射流是指在从喷嘴出来的射流内人为地诱发空泡初生，适度地控制喷嘴出口截面与靶物表面之间的距离，使空泡在运动过程中长大，并使空泡在射流冲击靶物表面的滞止压力作用下溃灭。空化射流在相同泵压和流量条件下，清洗与切割效果大大优于普通射流。目前，空化射流理论及应用研究异常活跃，已发展到深水切割、航天、航空和核反应堆等的清洗，以及利用空化射流空泡溃灭时产生的复杂物理、化学效应进行污水处理。在切割作业当中，如果采用高压纯射流来切割钢材和钢筋混凝七等材料，需要约700～1000MPa的极高压力。然而在较低压力下，磨料射流就能有效地完成上述切割作业。磨料射流是将一定数量的磨料与高压水互相混合而形成的液固两相射流。高压水的部分动能传递给磨料，从而把射流对靶体的持续作用变为磨料粒子流对靶体的高频冲击、磨削作用，从而大大地提高了射流的品质和工作效率。由于磨料射流成本低，切割效率比相同条件下的射流高8～10倍，因此，磨料射流一问世，便在清洗、除锈、切割和破岩等作业中得到广泛的应用。同时，各国学者也开始对各种射流的基础理论和切割机理等方面进行研究。射流技术的应用范围也由采矿工业扩大到航空、建筑、建材、交通运输、市政建设、化工、机械、轻工业及医学等领域。射流作为一种良好的切割、破碎和清洗垢的工具，已被人们所公认，一大批射流切割机、采煤机、掘进机、打桩机和不同用途、不同形式的清洗机已投人市场。中国射流技术的研究是从本世纪70年代开始的，最初主要是在煤炭部门研究和应用，以后逐渐发展到石油、冶金、航空、化工、建筑、机械、市政建设和交通等领域。经过20多年的研究和实践，取得很大进展，开发出了一批新技术和新产品，有的在国际上还处于先进水平。我国从1979年开始每两年召开一次全国射流技术讨论会，至今已举行8次，并出版了《高压射流》杂志。1987年在北京还组织召开了第一届环太平洋国际射流会议。1995年成立了中国劳动保护科学技术学会射流技术专业委员会。为发展我国射流技术起到了巨大的推动作用。回顾射流技术的发展概况，大体上可分为四个阶段:(1)第一阶段(探索试验阶段):60年代初，主要研究低压射流采矿。(2)第二阶段(设备研制阶段):60年代初至70年代初，主要研制高压泵、增压器和高压管件，同时推广射流清洗技术。(3)第三阶段(工业应用阶段):70年代初至80年代初，主要特点是大量的射流采煤机、切割机、清洗机相继问世，并进行了工业试验和推广应用。其应用领域也由采矿发展到其他领域。(4)第四阶段(迅速发展阶段):80年代初至90年代中，主要特点是射流技术研究进一步深化，磨料射流、空化射流和自激振动射流等新型射流发展很快，许多产品已达到商品化。2.3射流的分类（1）按流体性质分类：气体射流和液体射流。（2）按流态：射流分为层流射流和紊流射流。在工程中，射流雷诺数一般较高，大都属于紊流射流。钻井液经过喷嘴的流动都属于紊流射流。（3）按驱动压力分类：低压（0.5-35MPa），高压（35-140MPa），超高压（140-420MPa）。按工作和环境介质分类:淹没射流(射流的工作介质与环境介质相同)和非淹没射流(环境介质与工作介质不同)。（4）按固壁条件分类：流体射流的作业环境内有或没有固体壁面的限制，对射流的形成和动力特性有明显的影响。在有固壁约束下的射流称为非自由射流;反之，则为自由射流。淹没射流不受固壁的限制，这种射流称为淹没自由射流;反之，称淹没非自由射流。同样，非淹没射流不受固壁条件约束，称为非淹没自由射流;反之，称为非淹没非自由射流。喷射钻井中的钻井液经钻头喷嘴流出后，不仅被井筒的液体所淹没，而且还收到井壁和井底的限制以及饭喷液流的干扰。所以从钻头喷嘴流出的液流是淹没非自由射流。（5）按射流流体力学特性分类：定常射流（射流的各个断面上的流体力学特性不随时间而变化，仅为位置的函数）和非定常射流（射流各断面上的流体力学特性不仅随位置而变化，而且随时间而变化）。定常射流一定是连续射流，而非定常射流可以是连续射流，也可以是非连续射流。喷射钻井在泵压和排量稳定的情况下，从钻头喷嘴流出的射流基本上可认为是定常射流，其物理特性基本上不随时间而变化。（6）按射流对物料的施载特性分类：连续射流、冲击射流和混合射流。连续射流对物料施载开始时有一个短时的冲击峰值压力，以后是稳定的较低压力。这种射流只有冲击峰值压力后的稳定压力才具有代表性。这种射流常用于切割和清洗物料；冲击射流对物料的施载特点是产生一个只持续极短时间的压力峰值，这时只有压力峰值才具有代表性。高速水滴冲击和脉冲射流可以看作是冲击射流；介于上面两种施载方式之间的射流为混合射流。其施载特点是冲击压力和稳定压力相结合。空化射流可以看作是混合射流。具有一定长度的液柱间断射流，其施载过程为一冲击压力加上一段稳定压力。稳定压力维持时间与柱状液滴速度和大小有关。2.4射流技术的特点射流技术之所以能得到这样高速的发展，主要是这种技术与其他加工方法相比具有一系列优点。优点主要有：(1)工作介质低廉射流工作介质是水，不仅易取而且成本低廉。如果进行切割加工，由于喷嘴小(一般0.5mm以下)，用量很少，而且水一般无污染。(2)切口窄而整齐用射流切割物料时，射流对切割物的作用力集中在射流喷射方向，其横向分力很小。因此，切口窄而整齐，可以对物料进行精密切割和成形加工。(3)工作机件易于实现自动控制由于射流机构具有喷头体积小、后坐力小、移动方便，便于实现光控、数控或机械手控制。利用机械手可以在人不能靠近的危险环境下工作，如拆除废核反应堆的混凝土掩体和清洗有毒、易爆的容器等。(4)能降温、除尘和延长截齿寿命射流用在煤矿采掘机上，它除参与切割提高采掘能力外，还可以冷却和润滑截齿，减少磨损，提高截齿寿命。同时，还能降低采掘工作面的粉尘，实现无火花切割，从而为煤矿采掘工作提供一个安全卫生的环境。(5)体积小射流整套装置体积小，可以装在汽车上进行远距离野外作业。射流技术虽然有以上优点，但也存在着一些需要进一步解决的问题。主要有:（1）与机械切割相比，消耗比能高。（2）一些射流部件还不太过关，如超高压泵、旋转密封、耐磨喷嘴和高压管件等。2.5射流技术的应用射流技术的应用范围和领域十分广泛。应用范围主要有以下五个方面:(1)工业切割；(2)挖掘、开采和钻探；(3)岩石切割和掘进；(4)表面清洗；(5)材料破碎。射流技术在石油钻井中的应用——喷射钻井技术：喷射钻井技术是高压射流技术在石油钻井中的一个具体应用。在钻进中，及时将钻头牙齿所破碎的岩屑冲离井底并携带出来，是安全快速钻井的重要条件之一。喷射钻井的一个显著特点就是从钻头喷嘴中喷出强大的钻井液射流，它具有很高喷射速度和很大水功率，能给予井底岩屑一个很大的冲击力，从而使岩屑及时、迅速的离开井底，始终保持井底干净。这就是喷射钻井能够大幅度提高钻速的主要原因之一。钻井液射流的作用，不仅能使岩屑冲离井底，而且在一定条件下可直接破碎岩石，这一理论已被喷射钻井的实践所证明。我国从60年代初期开始研究喷射钻井理论，70年代初期开始现场应用，成效显著。1978年全国各油田大力推广喷射钻井技术，在相同地层和参数条件下，喷射钻并比普通钻井速度提高一倍以上，钻井成本明显降低；而且随着泵压增加，效果更加显著。70年代喷射钻并，泵压一般为10-12MPa；80年代普遍增加到18-20MPa,1983年，石油天然气总公司(原石油工业部)提出了我国喷射钻井发展三个阶段的总体规划，逐步提高泵压和水功率。喷射钻井三阶段的特点和参数如表2-1所示:表2-1喷射钻井三阶段特点和参数阶阶段泵泵压/M/比比水功率水/喷喷速速/排排量量/钻速度进/一一1010-12464652-52039595-1053232-366 6二二1414-15575782-6938121252626-281010三三1818-20808094-1156314145-1652424-261414由此可见，随着泵压和水功率增加，钻井速度明显提高。第二阶段比第一阶段钻速提高60%，第三阶段比第二阶段钻速提高40%。我国喷射钻井技术与国外传统喷射钻井技术相比较有两点发展:第一是突破了传统喷射钻井经济水功率范围的限制。按传统喷射钻井理论，射流只起清除岩屑的作用，比水功率应该限定在2313-5782kW/m2，范围内。该范围内的水功率称为经济水功率。超过此范围，钻速不再增加，而成本将上升。我国喷射钻井水功率大多超过这一范围，实践证明，水功率增加，钻速继续提高，成本继续下降。第二点发展是射流不仅起着清岩、作用，而且起破岩作用。室内实验和现场实践都证明，在目前泵功率条件下，随着射流压力和水功率的增加，钻井速度呈线性增加，成本直线下降，未发现拐点。这充分说明射流的破岩作用。这一认识上的飞跃，是一次突破性的发展。因此在泵功率允许的条件下，应尽量提高泵压和水功率。2.6钻头射流特性及井底流场模型2.6.1射流特性钻井液从钻头喷嘴流出的射流属于淹没紊流非自由定常射流。射流出喷嘴后，由于摩擦作用，射流流体与周围流体产生动量交换，带动周围流体一起运动，使射流的周界肖径不断扩大。射流纵刨面上周界母线的夹角称为射流扩散角(如图2-2中的α)，射流扩散角α表示了射流的密集程度。显然α越小，则射流的密集性越高，能量就越集中。射流在喷嘴出口断面，各点的速度基本相等，为初始速度。随着射流的运动和向前发展，由于动量交换并带动周围介质运动，首先射流周边的速度分布受到影响，且影响范围不断向射流中心推进，使原来保持初始速度运动的流束直径逐渐减小，直至射流中心的速度小于初始速度。射流中心这一部分保持初始速度流动的流束，称为射流等速核(如图2-2所示)。射流等速核的长度主要受喷嘴直径和喷嘴内流道的影响。由于周围介质是由外向里逐渐影响射流的，在射流的任一横截而上，射流轴心上的速度最高，自射流中心向外速度很快降低，到射流边界上速度为零(射流各截而上的速度分布见图2-2)。在等速核以内，射流轴线上的速度等于出口速度；超过等速核以后，射流轴线上的速度图2-2喷射式钻头的井底射流特性规律图2-3射流轴线上的速度衰减规律迅速降低。射流轴线上的速度衰减规律如图2-3所示。图中为喷嘴直径；L为射流轴线上某点距出口的距离；为射流出口流速；为距出口L处的最大流速。总结，淹没非自由射流速度分布有如下规律：（1）在射流刚出口的断面上，各点速度分布基本相等，质点将保持出口时流速的大小和方向；（2）在射流中心，由于受到介质影响较小，速度最高；（3）射流出口后有一段长度，这段长度内的中心部分始终保持刚出口的速度称为射流的等速核；(4)射流在轴线方向上超过初始阶段后其速度与该点距极点的距离成反比。射流撞击井底后，射流的动能转换成对井底的压能，形成井底冲击压力波。且射流流体在井底限制下沿井底方向流动，形成一层沿井底高速流动的漫流。射流具有等速核和扩散角；在射流横截而上中心速度最大；在射流轴线上，超过等速核以后射流轴线上的速度迅速降低；撞击井底后，形成井底冲击压力波和井底漫流；这是淹没非自由连续射流的基本特征。2.6.2井底流场模拟（1）单喷嘴射流井底流场物理模型：假设单喷嘴在钻头中心，且喷嘴位置距井壁有一定距离；钻头旋转速度低，它所引起的射流质点周向速度与轴向速度相比是很小的，故可假定钻头静止不转。从喷嘴喷出的射流冲击到井底后又从井底反喷并向四周横向扩散，到达井壁附近向上拐入环形空间。因此井底流场的物理模型可以分为如图2-4所示的四个区。图2-4单喷嘴井底流场的物理模型第Ⅰ区：为近似自由射流的淹没射流区，可以用一个流动液体的圆锥体来说明它的特征。该流动液体以射入周围液体时发生扩散，其速度逐渐衰减。沿射流轴线产生最大的速度。当x（距喷嘴出口的轴向距离）大于喷嘴直径d六倍时，可按下式计算：（2-1）式中，为常数。=5.75~7.32，通常取=6.3。第Ⅱ区：冲击区。通过测速可以确定冲击区的轴向起始位置约为0.86L(L为喷距)。冲击中心为滞流点（死点）。在冲击区正向射流和反喷液流相互作用下，必然形成强烈的漩涡。已有不少研究者对冲击区进行过实验研究。例如，戴维尼波（Davanipour）等研究了短冲击距地非自由射流，贝尔塔斯（Beltaos）等研究了长冲击距的非自由射流。他们的研究结果表明，壁面（指井底平面）上的压力沿径向随距滞流点（或称“死点”）的距离而递减，并在距滞流点r=0.22L处降至环境液体所具有的压力。冲击射流的最大剪切应力的位置在距滞流点r=0.14L处。壁面（指井底平面）上的剪应力沿径向随距滞流点的距离而递减，并在r=0.3L处降至其最大值的一半。第Ⅲ区：井底漫流区，常称为壁面射流区。流体质点的速度主要是沿井底向外的横向速度，沿井眼轴线方向的流速几乎为零，可近似地看作是二维流动问题。漫流速度与射流的动量通量的平方根成正比(Q为环空中钻井液排量，为喷嘴出口流速)，与距滞流点之半径r成反比。第Ⅳ区：近壁区。在这一区域内存在滞流区（死区），并有强烈的涡旋。（2）多喷嘴射流井底流场物理模型[8]：通过分析计算所得的流场结果，这种非自由淹没多股射流的流场可以分为如图2-5所示的六个区域：图2-5多喷嘴井底流场的物理模型（A）离喷嘴出口较近的射流高速区；（B）产生压力波冲击井底的冲击区；（C）冲洗井底并携岩的径向漫流区；（D）钻井液排出至环空的过渡区；(E)占据空间的射流大涡区；(F)多股射流干扰区2.7钻头射流水力效率衡量参数射流对井底清洗的两个主要作用形式：射流的冲击压力作用；漫流的横推作用。人们在水力作用对井底清洗机理认识上的差异，通常有最大钻头水功率、最大射流冲击力和最大射流喷速三个标准，目前钻井现场常用的是最大钻头水功率和最大射流冲击力标准。王宁从现场实践和理论两个方面讨论了水力参数对PDC钻头的影响。在泵功率一定的条件下，PDC钻头的机械钻速对排量更敏感。井底漫流与射流对机械钻速都有极其重要的作用，最佳水力效果不是在射流水功率最大时，还必须同时考虑漫流的水力作用。提出漫流水功率的概念，并以漫流水功率最大为约束条件求取射流水功率的极值，建立了PDC钻头最优排量和泵压的关系式，并得出PDC钻头的钻井水力参数优选设计应采用最大冲击力工作方式[15]。射流作用在井底的冲击力：(2-2)式中——射流冲击力，；——喷嘴出口射流压力，；——特征半径，；λ——轴心压力衰减系数，；——喷嘴出口射流压力，；——射流中心最大压力，；——无因次喷距(即射流等速核长度L与喷嘴直径的比值)，；——无因次等速核长度（即等速核与喷嘴直径的比值），；——无因次半衰距（即射流轴心速度自喷出后衰减到一半的距离与喷嘴直径的比值）；，当<≤时，当>时（2-3）特征半径即半衰径：射流喷出喷嘴出口后，在某一横截剖面上，中心压力沿径向衰减到一半时的距离叫半衰径。（2-4）式中，—喷嘴直径，；同时，环空中钻井液上返速度应满足携岩要求。岩屑的沉降速度可以计算如下：（2-5）式中——岩屑的沉降速度，；岩屑的直径，；——岩屑的密度，；——钻井液密度，；——阻力系数，无因次。紊流时（Re>2000），=1.5。环形空间内钻井液的上返速度必须大于岩屑的沉降速度。第3章钻头射流数值模拟理论与操作过程3.1流体力学基本方程组流体的流动一般遵循三个基本的守恒定律：质量方程、动量守恒和能量守恒，具体体现为连续性方程（质量守恒方程）、动量方程和能量方程。对于所有流动，Fluent都求解质量和动量守恒方程。对于包含传热或可压性流动，还需要增加能量守恒方程。对于有组分混合或者化学反应的流动问题则要增加组分守恒方程程。如果是湍流问题，还有相应的输运方程需要求解。（一）连续性方程（质量守恒方程）（3-1）式中——流体密度——流体速度分量（二）动量方程（x方向）对于不可压流体（即）（3-2）式中——运动粘性系数——压力对于可压缩流体（3-3）式中，等号后前两项是粘性力y，z方向上的动量方程可类似推出。（三）能量方程（3-4）式中，式中等号左边第一项是瞬变项，第二项是对流项，等号右边第一项是扩散项，第二、三项是源项。3.2紊流模式理论概况紊流模型在三维N-S方程计算模型中，较常使用的一种方法是雷诺时均方程法。该方程是在将紊流看成时均运动和脉动运动的基础上建立的。紊流运动的任何变参量都分解为时间平均值和脉动值，例如：，等。不可压缩粘性流体的三维N-S方程组作时均处理后的时均方程为：连续性方程：,（3-5）动量方程（雷诺方程）：（3-6）式中，为二阶相关项，又称为雷诺应力，为压力值，为速度，为坐标轴，=1，2，3，=1，2，3，分别表示x，y，z三个空间坐标，脚标在某一项中相同时，表示求和。变量上方有“-”者为时均值，变量上标有“′”者为脉动量。显然方程（3-5）、（3-6）包含有十个未知量，而方程只有四个，方程不封闭，只是因为对N-S方程取平均，使得脉动时空的细节抹平，失去了反映流动内部的细节信息，导致了方程的不封闭。为了找回平均过程中失去的紊流流动的细节信息，科学工作者建立和引入了多种紊流模式来弥补失去的信息和封闭时均N-S方程，从而能反映紊流特性和封闭雷诺方程的模式称为紊流模型（TurbulenceModel）。时均N-S方程中的二阶相关项，即雷诺应力项是未知量，它有自己的表示式称为紊流模型。紊流模型的表示式与时均N-S方程形成封闭的方程组。常用的紊流模型都是建立在涡粘性概念的基础上的，雷诺应力与涡粘性的关系为：（3-7）式中：μt为涡粘性系数。各种紊流模型都是表示紊流涡粘性系数μt的方程式。目前已有许多的工程紊流模式，并且还在不断的发展之中，目前工程上广泛应用的有（1）零方程紊流模型；（2）一方程紊流模型；（3）二方程紊流模型；（4）雷诺应力方程模型（5）代数应力紊流模型等理论。FLUENT中采用的湍流模拟方法包括Spalart-Allmaras模型、standard(标准)k-ε模型、RNG(重整化群)k-ε模型、Realizable(现实)k-ε模型、v2-f模型、RSM(ReynoldsStressModel,雷诺应力模型)模型，大涡模拟模型（LES）。本文采用Spalart-Allmaras模型。首先，对PDC钻头头部的流场作如下假定：（1）钻头如口处来流均匀；（2）钻头出口界面处的流动过程已经充分发展。在次基础上，可以认为钻头的内外部流场为稳定的不可压缩湍流流场。然后求解三维不可压湍流流场的N-S方程，用Spalart-Allmaras湍流模型进行封闭。单方程（Spalart-Allmaras）模型简介：Spalart-Allmaras模型的求解变量是，表征出了近壁（粘性影响）区域以外的湍流运动粘性系数。的输运方程为：（3-8）式中，是湍流粘性产生项；是由于壁面阻挡与粘性阻尼引起的湍流粘性的减少；和是常数；ν是分子运动粘性系数。Spalart-Allmaras模型是相对简单的单方程模型，只需求解湍流粘性的输运方程，并不需要求解当地剪切层厚度的长度尺度。该模型对于求解有壁面影响流动及有逆压力梯度的边界层问题有很好模拟效果，在透平机械湍流模拟方面也有较好结果。Spalart-Allmaras模型的初始形式属于对低雷诺数湍流模型，这必须很好解决边界层的粘性影响区求解问题。在Fluent中，当网格不是很细时，采用壁面函数来解决这一问题。当网格比较粗糙时，网格不满足精确的湍流计算要求，用壁面函数也许是最好的解决方案。另外，该模型中的输运变量在近壁处的梯度要比中的小，这使得该模型对网格粗糙带来数值误差不太敏感。但是，Spalart-Allmaras模型不能预测均匀各向同性湍流的耗散。并且，单方程模型没有考虑长度尺度的变化，这对一些流动尺度变换比较大的流动问题不太适合。比如，平板射流问题，从有壁面影响流动突然变化到自由剪切流，流场尺度变化明显。3.3离散方法随着计算机技术和计算方法的发展，许多复杂的工程问题都采用区域离散化的数值计算并借助计算机得到满足工程要求的数值解。区域离散化就是用一组有限个离散的点来代替原来连续的空间。实施过程是把所计算的区域划分成许多互不重叠的子区域，确定每个子区域的节点位置和该节点所代表的控制体积。常用的离散方法有有限差分法（FDM）、有限元法(FEM)和有限体积法(FVM)。本文运用的CFD软件FLUENT中数值离散方法为有限体积法（FiniteVolumeMethod，FVM）。有限体积法又称为控制体积法，在Fluent软件中就是采用这种方法。其基本思路是：将计算区域划分为一系列不重复的控制体积，并使每个网格点周围有一个控制体积，将待解的微分方程对每个控制体积积分，得出一组离散方程。其中的未知数是网格点上的因变量Φ的数值。为了求出控制体积的积分，必须假定Φ值在网格点之间的变化规律，即假定Φ值的分段的分布剖面。从积分区域的选取方法来看，有限体积法属于加权剩余法中的子区域法；从未知解的近似方法来看，有限体积法属于采用局部近似的离散方法。简而言之，子区域法加离散，就是有限体积法的基本方法。有限体积法的基本思想易于理解，并能得出直接的物理解释。有限体积法实际上是流体力学中用微元体概念推导微分方程的逆过程，网格就相当于放大的微元体。离散方程的物理意义，就是因变量Φ在有限大小的控制体积中的守恒原理，如同微分方程表示因变量在无限小的控制体积中守恒原理一样。有限体积法得出的离散方程，要求因变量的积分守恒对任意一组控制体积都得到满足，对整个计算区域，自然也得到满足，因此用有限体积法导出的离散方程可以保证具有守恒性，对区域形状的适应性也比有限差分法好，这是有限体积法吸引人的优点。有一些离散方法，例如有限差分法，仅当网格及其细密时，离散方程才满足积分守恒；而有限体积法即使在粗网格情况下，也显示出准确的积分守恒。就离散方法而言，有限体积法可视为有限单元法和有限差分法的中间物。有限单元法必须假定Φ值在网格点之间的变化规律（即插值函数），并视其为近似解。有限差分法只考虑网格点上Φ的数值而不考虑Φ值在网格点之间如何变化。有限体积法只寻求Φ的结点值，这与有限差分法相类似；但有限体积法在寻求控制体积的积分时，必须假定Φ值在网格点之间的分布，这又与有限单元法相类似。在有限体积法中，插值函数只用于计算控制体积的积分，得出离散方程之后，便可忘掉插值函数；如果需要的话，我们可以对微分方程中不同的项采用不同的插值函数。有限体积法目前在二维和三维紊流数值计算中有限体积法得到了广泛而成功的应用。FLUENT中用于计算通量的方法包括一阶迎风格式、指数律格式、二阶迎风格式、QUICK格式和中心差分格式。本文选择一阶迎风格式。3.4流场的计算过程控制方程被离散化以后，就可以进行求解了。FLUENT中有两种求解器，即分离求解器（segregatedsolver）和耦合求解器（coupledsolver），对应有三种求解方法分别是分离求解法、耦合隐式求解和耦合显式求解，三种求解方法应用的场合有所不同。分离求解方法主要用于不可压缩或低马赫数压缩性流体的流动。耦合求解方法则可以用在高速可压缩流动。FLUENT默认设置是非耦合求解．但对于高速可压缩流动。或需要考虑体积力(浮力或离心力)的流动，求解问题时网格要比较密．建议采用耦合隐式求解方法求解能量和动量方程，可较快的得到收敛解。缺点是需要的内存比较大(是非耦合求解迭代时的1.5-2倍)。如果必须要耦合求解。但机器内存不够时，可以考虑用耦合显式解法器求解问题。该解法器也耦合了动量，能量及组分方程，但内存却比隐式求解方法小。缺点是收敛时间长。分离求解法有三种算法，分别是SIMPLE格式、SIMPLEC格式、PISO格式。SIMPLE算法，就是求解压力耦合方程的半隐方法（Semi-ImplicitMethodforPressureLinkedEquations）。它是Patankar与Spalding在1972年提出的。本文将应用SIMPLE方法进行压力-速度的耦合，求解不可压流体力学方程组。SIMPLE算法的计算步骤如下：（1）给定压力场P*；（2）解动量方程，得到u*、v*、w*；（3）由u*、v*、w*计算压力校正方程中的b项，代入方程后，解出的解；（4）由方程，解出p；（5）用速度校正公式计算u、v、w；（6）对涉及的其它物理量（如温度、浓度、湍流度等）进行计算；（7）用p代替p*，回到第一步。3.5FLUENT软件简介FLUENT是用于计算流体流动和传热问题的程序。它提供的非结构网格生成程序，对相对复杂的几何结构网格生成非常有效。可以生成的网格包括二维的三角形和四边形网格；三维的四面体、六面体及混合网格。FLUENT还可根据计算结果调整网格，这种网格的自适应能力对于精确求解有较大梯度的流场有很实际的作用。由于网格自适应和调整只是在需要加密的流动区域里实施，而非整个流场，因此可以节约计算时间。3.5.1FLUENT软件各组软件之间关系（1）FLUENT求解器——FLUENT软件的核心，所有计算在此完成。（2）prePDF——FLUENT用PDF模型计算燃烧过程的预处理软件。（3）GAMBIT——FLUENT提供的网格生成软件。（4）TGRID——FLUENT用于从表面网格生成空间网格的软件。（5）过滤器——或者叫翻译器，可以将其他CAD/CAE软件生成的网格文件变成能被FLUENT识别的网格文件。上述几种软件之间的关系如图3-1所示。图3-1FLUENT下软件各组件之间的关系GAMBIT即可以生成用于FLUENT计算的网格，也可以生成其他一些CAE软件的网格。一旦网格文件被输入到FLUENT中，剩下的工作就由FLUENT完成。这些工作包括设定边界条件和物质属性、调整网格、进行计算、对结果进行后处理并显示结果等等。3.5.2用FLUENT程序求解问题的步骤利用FLUENT软件进行求解的步骤如下：(1)确定几何形状，生成计算网格(用GAMBIT，也可以读入其他指定程序生成的网格)；(2)输入并检查网格；(3)选择求解器(2D或3D等)；(4)选择求解的方程：层流或湍流(或无粘流)，化学组分或化学反应，传热模型等。确定其他需要的模型，如：风扇、热交换器、多孔介质等模型；(5)确定流体的材料物性；(6)确定边界类型及其边界条件；(7)条件计算控制参数；(8)流场初始化；(9)求解计算；(10)保存结果，进行后处理等。3.5.3关于FLUENT求解器的说明(1)FLUENT2D——二维单精度求解器；(2)FLUENT3D——三维单精度求解器；(3)FLUENT2ddp——二维双精度求解器；(4)FLUENT3ddp——三维双精度求解器；3.6Gambit操作过程简介钻头射流流动模拟计算模型是先将建立的物理模型导入GAMBIT中获得初始模型，然后以初始模型进行建模获得的。在物理模型导入GAMBIT中后，运行GAMBIT软件，进入GAMBIT软件的工作界面后依次点击File—Import—STEP弹出图3-2所示的对话框，FileName选择bit.stp文件点击accept即可，这样物理模型就导入了GAMBIT里面。导入GAMBIT之后GAMIT的主控制画面如图3-3所示：图3-2读入bit.stp文件对话框图3-3GAMBIT的主控制画面图3-3中右边上半部分为建模工具区，下半部分为屏幕显示工具区；左边上面部分为工作区，下面左边部分为命令反馈区，下面右边部分为图标说明区。当用鼠标指向工具栏中的图标时．图标说明区将显示该图标的作用和简单介绍，这一功能非常实用。当执行了某一项操作后其命令和命令执行结果以及相关提示将在命令反馈区中显示，当内容较多时，还可点击其右侧上方向上的箭头将命令反馈区展开。点击建模工具区里面的Mesh—volume—Meshvolumes，打开Meshvolumes对话框，如图3-4所示。在Elements右面的方框中选择Tet/Hybrid，Type选择TGrid，点Tet/Hybrid，Type选择TGrid，令spacing后面的intervalsize数值为1，点击volume右面的黄色区域，然后鼠标左键选中整个几何体点击Apply，则网格图如图3-5所示。划分完网格之后需要设置边界条件。依次点击建模工具区的Zones—SpecifyBoundaryTypes，打开SpecifyBoundaryTypes对话框如图3-6所示。Action项选择Add，Entity项选择Faces，Type项选择VELOCITY_INLET，Name项输入“inlet”，点击Faces右边的黄色区域．然后鼠标左键选中流体进入钻头经过的第一个面。Type项选择PRESSURE_OUTLET，Name项输入“outlet”，点击Faces右边的黄色区域，然后选中流体从井底上返经过的面。剩下的面设置为WALL。图3-5定义边界条件图3-4GAMBIT划分的网格图图3-6保存网格文件对话框定义完边界条件之后点击File—Export—Mesh弹出图3-6所示的对话框，保持默认状态点击Accept即可，则文件保存在GAMBIT的启动目录下，bit.msh文件是在FLUENT里面要用到的文件。3.7FLUENT操作过程简介选择三维精度求解器启动FLUENT软件，FLUENT软件的操作界面如图3-7所示。图3-7FLUENT软件的工作界面图3-8读入网格文件的信息反馈3.7.1与网格相关的操作(1)读入网格文件依次点击File—Read—Case弹出选择文件对话框，选择bit.msh文件点击ok．在读入网格文件后会在信息反馈窗口显示图3-8所示的信息，其中包括节点数175082等，最后的Done表示读入成功。(2)网格检查单击Grid—Check，在信息反馈窗口显示如图3-9所示的信息，网格检查列出了x、y的最小和最大值，还报告出网格的其他特性(比如单元的最大体积和最小体积、最大面积和最小面积等)和有关网格的任何错误，特别是要求确保虽小体积不能是负值，否则FLUENT无法进行计算；(3)平滑和变换网格这一步是为确保网格质量的操作，对于三角形单元来说尤为重要。单击Grid—Smooth/Swap打开Smooth/SwapGrid对话框如图3-10所示，点击Smooth按钮，再点击Swap，重复以上操作直到FLUENT报告没有需要交换的面为止。图3-9网格检查信息反馈图3-10平滑与交换网格对话框(4)改变长度单位在SI单位制中刻度的默认单位是m，所以需要改为mm。单击Grid—Scale打开ScaleGrid对话框如图3-11所示。在单位转换(UnitsConversion)栏中的(GridWasCreatedIn)网格长度单位右侧下拉列表中选择mm。点击ChangeLengthsUnits，此时在DomainExtents栏中给出了区域的范围和度量的单位。点击Scale，然后点击Close关闭对话框即可。图3-11长度单位设置对话框3.7.2建立求解模型(1)求解器设置单击Define-Models-Solver，弹出图3-12所示的对话框，将Time(时间属性)一栏改为Steady(定常流动)，其他的保持默认状态即可，点击ok。图3-12解器设置对话框(2)湍流模型选择单击Define—Models—Viscous打开ViscousModel对话框如图3-13所示。图中Inviscid表示无黏(理想)流体：Laminar表示层流模型；另外4个为常见的湍流模型。选择Spalart-Allmaras，保持默认值点击ok。由于在本模型中涉及不到热量．所以不需要启动能量方程。图3-13湍流模型选择对话框(3)设置流体物理属性点击Define—Materials，打开Materials对话框如图3-14所示，点击右面的FluentDatabase打开FluentDatabaseMaterials对话框如图3-15所示，在FluentFluidMaterials下拉列表中选择Water-liquid．其他设置保持不变点击copy，然后点击close关闭对话框回到Materials对话框，将Name改为drill-fluid，ChemicalFormula中h2o<1>删除保持空白即可。将Density(密度)大小改为1025，Viscosity(粘度)大小改为0.001，点击change／create然后点击close关闭对话框。图3-14材料设置对话框图3-15FLUENT材料库对话框3.7.3设置边界条件点击Define—BoundaryConditions打开BoundaryConditions对话框如图3-16所示，图中Zone栏为区域标示：Type栏内为相应的属性。图3-16边界选择对话框图3-17流体选择对话框在Zone栏内选择fluid，其类型在右边Type栏内选择fluid。然后点击下面的Set按钮打开Fluid设置对话框如图3-17所示。在MaterialName下拉列表中选择drill-fluid，点击ok，关闭材料选择对话框。在Zone栏内选择inlet，其类型在右边Type栏内选择velocity-inlet。点击下面的Set按钮，打开速度边界设置对话框如图3-18所示。图3-18速度入口设置对话框在VelocitySpecificationMethod(速度给定方式)下拉列表中选择Magnitude，NormaltoBoundary(给定速度大小，速度方向垂直于边界)：在VelocityMagnitude(入口速度)一栏输入45.5,右侧栏内选择constant(常数)；在TurbulenceSpecificationMethod(湍流定义方法)一栏的下拉列表中选择IntensityandHydraulicDiameter(强度与水力直径)，在TurbulenceIntensity(湍流强度)一栏填入2(来流的湍流强度)，在HydraulicDiameter(水力直径)一栏输入0.44(入口尺寸)。点击ok关闭速度边界设置对话框，然后点击close关闭BoundaryConditions对话框。在Zone栏内选择outlet，其类型在右边Type栏内outflow。点击下面的Set按钮，打开出流边界设置对话框如图3-19所示。图3-19出流边界设置对话框3.7.4求解(1)流场初始化点击Solve—Initialize，打开SolutionInitialization对话框如图3-20所示。在ComputerFrom列表中选择inlet，则表中数据与边界inlet相同。鉴于初始化仅是对内部流动的一个猜测值．可以对其数据进行更改，其结果影响到迭代计算的收敛速度。点击Init，然后点击close关闭对话框。图3-20流场初始化对话框(2)设置监视窗口在出口处关心的是速度是否达到稳定值，为此，FLUENT可以设置监视器对所关心的截面和物理量进行监测。点击Solve—Monitors—Surface打开SurfaceMonitor(表面监视器)设置对话框如图3-21所示。将SurfaceMonitor右侧的数目增加到1，选择plot，点击monitor最右边的Define按钮，则出现如图3-22所示的对话框。在Reportof项选择Velocity和velocitymagnitude，在Surfaces项选择监测表面为outlet，点击ok，点击SurfacesMonitors对话框中的ok。图3-21表面监视器对话框图3-22面监视器定义对话框(3)修改计算精度点击solve—Monitors--Residual打开ResidualMonitors对话框如图3-23所示，将收敛的精度由原来的0.001改为0.01，其他的保持默认点击ok。点击solve—Iterate打开Iterate对话框如图3-24所示，在NumberofInteractions(迭代次数)栏中输入1000，点击Iterate开始迭代。结果收敛。如图3-25，图3-26所示。图3-23残差监视对话框图3-24代次数选择对话框图3-25速度残差监视图图3-26残差收敛判定图(4)保存结果文件点击File-Write-case&Data打开保存结果文件对话框，选择要保存的目录文件，点击ok。第4章钻头射流数值模拟及分析4.1钻头流动实体的几何模型及网格划分选用某有切削齿的PDC钻头进行流场的数值模拟，钻头有6片刮刀，2对喷嘴直径不同，喷射角度不同。钻头的几何模型由Pro/ENGINEER软件完成。钻头有6片刮刀，2对喷嘴直径不同，喷射角度不同。如下图示：图4-1PDC钻头实体图图4-2（a）钻头在FLUENT中的外形(正视）图4-2(b)钻头在FLUENT中的外形（俯视）利用已建立的几何模型在GAMBIT软件中对流动区域进行网格划分，采用了Tgrid网格划分方案，此方案运用的是混合网格模式，因此能很好的适应PDC钻头流场复杂的几何形状，又能提高运算速度。整个计算域网格数目达到120万（图4-3）。图4-3钻头表面生成的计算网格图图4-4用GAMBIT在模型上逐面生成网格图4-5钻头及计算区域的网格图4.2钻头射流数值模拟边界条件流动边界条件主要包括钻头的进、出口条件和固壁条件。边界条件一般会影响数值计算的收敛速度，甚至决定计算是否收敛，因此选择合理的边界条件尤为重要。具体边界条件：喷嘴进口边界采用速度进口边界条件，环空部分出口边界采用出流边界条件，喷嘴出口流量根据计算环境分配，不具体限定，壁面边界设为光滑壁面，满足无滑移条件，即流体在壁面处的速度为0。参考实际工况，流动的入口条件根据给定的排量来估算。进口采用速度入口边界，出口采用出流边界条件，计算介质采用海水介质。目前采用的导管外径主要有两种，36in（1in＝2.54cm）和30in,导管下入完成后，还要利用喷射BHA继续进行下一个井段的钻进作业，所以喷射BHA尺寸主要取决于下一井段尺寸要求。但是有一个原则就是导管尺寸越大，相应的喷射BHA尺寸也越大，如常见的36in导管通常采用26in喷射BHA，30in导管通常采用17in喷射BHA。我国第一口水深超千米的深水井——荔湾3-1-1井利用喷射下导管技术成功完成了导管的安装。荔湾3-1-1井水深1482m,完钻井深3843m，该井所处海床表层主要为粘土沉积,采用喷射导管钻井技术钻进并将Ф9141.4mm（36in）导管下至海床以下82.2m。现场的参数如表1所示[16]。表4-1喷射导管钻压和排量参数导管入泥深度/钻压/排量/00～4513.24100～4513.242089～13313.243017813.2435178～22313.2440178～22317.4150267～35625.307035650.478035650.4780356～62350.47导管入泥15m深度以内，要采用低排量（通常189l/min），避免冲刷导管外部，然后逐步增加排量至正常排量（通常4163.5l/min），要满足携岩要求设定钻头排量为69l/s[17]。综合考虑，本文试取水深1000m,排量69l/s，又因为钻头模型入口内径为44mm，面积为1518mm2，则根据Q=V*A(Q为排量，单位l/s；V为入口速度，单位m/s；A为入口横截面积，单位m2)，可得初始速度V为45.5m/s。湍流定义方法采用水力直径（HydraulicDiameter）和湍流强度（TurbulenceIntensity）。（4-1）（4-2）式中——入口管道直径，其大小为0.44；

——流动速度，其大小为45.5；——流体密度,其大小为；——运动粘度，其大小为（20℃时）；由式4-2,4-1计算可得=2%。4.3数值模拟结果与分析通过数值计算，对钻头表面的压力场和速度场进行分析。图4-6(a)钻头纵切面速度向量图图4-6（b）钻头纵切面速度向量放大图图4-6是钻头纵切面速度向量图，与第二章多喷嘴射流井底流场物理模型分为6个区：（A）离喷嘴出口较近的射流高速区，（B）产生压力波冲击井底的冲击区；（C）冲洗井底并携岩的径向漫流区；（D）钻井液排出至环空的过渡区；((E)占据空间的射流大涡区；F)多股射流干扰区相吻合。从图可看出井底的低速区主要在钻头井底的肩部,此处由于旋涡发生回流而速度很小,这不利于肩部切削齿的清洗和冷却,易造成此部分先出现钻头破坏。图4-7钻头表面压力分布图图4-8钻头纵切面速度等值线图(最大速度182m/s)图4-9钻头表面附近速度图从上面图4-7可以看出钻头表面压力分布，整个钻头表面上压力分布比较均匀，但在刀口靠近钻头中心部分压力较低，说明射流没有直接作用在钻头刀口边缘面，射流经喷嘴射出后再经空间的旋涡运动后作用在钻头表面上（如图4-8所示），而水眼由于倾斜角度不合理致使射流直接作用在刀翼上引起高压（图中红色部