脉冲液气射流泵内部流场的数值模拟

第３０卷第３期２　０　１　２年３月水　电　能　源　科　学Ｗａｔｅｒ　Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ　ａｎｄ　ＰｏｗｅｒＶｏｌ．３０Ｎｏ．３Ｍａｒ．２　０　１　２文章编号：１０００－７７０９（２０１２）０３－０１３６－０４脉冲液体射流泵能量平衡的数值研究张晋华１，程　鹏２，高传昌１（１．华北水利水电学院电力学院，河南郑州４５００１１；２．华北水利水电学院数学与信息科学学院，河南郑州４５００１１）摘要：运用能量平衡分析原理，根据脉冲液体射流泵主要流动部件的能量损失压力比公式，利用脉冲液体射流泵性能数值计算模块，对脉冲液体射流泵能量平衡进行了数值研究，分析了主要流动部件的能量损失变化及其对脉冲液体射流泵性能的影响，并与恒定液体射流泵的能量损失压力比、性能及效率进行了对比。

结果表明，脉冲射流是提高射流泵传能、传质效率的有效途径。

关键词：脉冲液体；射流泵；能量损失；基本性能；数值研究中图分类号：ＴＶ１３６文献标志码：Ａ收稿日期：２０１１－０７－２１，修回日期：２０１１－０９－３０基金项目：国家自然科学基金资助项目（５０３７９０１３）；水利部公益性行业科研专项经费基金资助项目（２０１２０１０８５）作者简介：张晋华（１９８０－），女，讲师，研究方向为水利水电，Ｅ－ｍａｉｌ：ｚｈａｎｇｊｈ＠ｎｃｗｕ．ｅｄｕ．ｃｎ 射流泵是一种利用射流紊动扩散作用传递能量与质量的流体机械及混合反应设备。

由于射流泵内两股不同压力的流体混合时会产生较大的能量损失，其传能传质的效率较低［１］，因此提高射流泵的传能传质效率一直倍受关注。

２０世纪７０年代以来，提高射流泵的效率主要通过两种途径：①研制新型结构的射流泵，如采用多股射流、多级射流等；②在相同的射流泵装置上采用脉冲射流。

其中第２种途径受到了高度重视，并进行了大量的试验研究［１～５］，由于在相同的射流泵装置上脉冲液体射流泵与恒定液体射流泵内部流场分布规律不同，因此二者内部流体的能量传递、转换与损耗也不同。

石油机械CHINA PETROLELM MACHINERY2021 年 第 49 卷 第 3 期— 15 —V 钻井技术与装备A脉冲射流动力机构的结构设计和数值模拟**基金项目：中石化集团公司项目“页岩气井高效破岩工具关键技术研究与应用”（JP19010）。

严忠1陈小元1王委1纪照生2史杏杏2(1.中石化华东石油工程公司江苏钻井公司2.中国石油大学(北京))严忠，陈小元，王委，等.脉冲射流动力机构的结构设计和数值模拟.石油机械，2021, 49 (3) : 15-24.摘要：现有文献针对脉冲射流动力机构脉冲特性控制的研究尚存不足，为此，以典型的叶片 驱动盘阀式脉冲射流发生机构为研究对象，采用数值计算方法，从排量、叶轮内径、叶片个数、叶片型线安放角和阻力扭矩5个方面对动力机构的速度场、压力场、转速及压耗进行分析，揭示 动力机构结构参数对最终脉冲特性的影响规律。

模拟结果显示：内径与安放角对转速影响较为明显，转速随内径的增大先减小后增大，内径为56 mm 、排量为15 L/s 时转速最低达到546 r/min ；在分析范围内，叶轮转速随叶片个数的增加而增大，叶片个数由3增加至6时，转速在600-1 200 r/min 间变化，不同排量下平均增幅仅为59 r/min ；叶轮转速随安放角的增大而减小，不同排量下平均减幅为673 r/min 。

研究结果可为同类工具的脉冲压力和频率等特性控制提供理论指导。

关键词：脉冲射流；动力机构；结构参数；特性控制中图分类号：TE248文献标识码：A DOI ： 10. 16082/j. cnki. issn. 1001-4578. 2021. 03. 003Structural Design and Numerical Simulation of Pulse Jet Power MechanismYan Zhong 1 Chen Xiaoyuan 1 Wang Wei 1 Ji Zhaosheng 2 Shi Xingxing 2(1. Jtangsu Dr,〃加g Company ，STA^OPEC Eas£ CA/na OH Eng/^eer/ng Company； 2. CA/na 弘,©ersdy of Pe^ro/eurn (Beijing ) )Abstract : The existing paper has insufficient research on the pulse characteristic control of the pulse jet powermechanism. For this reason , taking the typical blade-driven disc valve pulse jet generator as the research object , the numerical calculation method is adopted to study the effects of displacement , the impeller inner diameter , blade number , blade profile installation angle and resistance torque on the velocity field , pressure field , rotation speedand pressure loss of the power mechanism ， and reveal the influence of power mechanism structure parameters on the final pulse characteristics. The simulation results show that the inner diameter and the installation angle have great effects on the rotation speed. The rotation speed first decreases and then increases with the inner diameter. Theminimum speed reaches 546 r/min under the inner diameter of 56 mm and the displacement of 15 L/s. Within the analysis range , the rotation speed of the impeller increases with the number of blades. When the number of bladesincreases from 3 to 6, the rotation speed varies from 600 to 1, 200 r/min , while the average increase is only 59 r/min under different displacements. The impeller rotation speed decreases with the installation angle , and the aver ­age decrease is 673 r/min under different displacements. The study can provide theoretical guidance for the charac ­teristic control of similar tools such as pulse pressure and frequency.Keywords : pulse jet; power mechanism ； structure parameter ； characteristic control余资源量多、发展潜力大等特点［|-2］，但是也存在0 引 言地层环境复杂和岩石硬度大等问题，亟需高效破岩方法以提高钻井效率，缩短建井周期，进而提高深 我国深层油气资源较为丰富，深部地层具有剩层油气开采效益［3-4］ o 脉冲射流钻井技术能够有效—16—石油机械2021年第49卷第3期利用并优化分布井底水力能量，在井底形成交变流场，提高射流的清岩效率，并通过降低井底瞬时压力改变井底岩石的应力状态实现辅助破岩［5-7］。

蒙特卡罗法对射流泵模型内部流场的数值模拟随着科学技术的不断发展，人们对于流场研究的需求越来越高。

而数值模拟则成为现代科学研究中不可或缺的一部分。

本文将围绕“蒙特卡罗法对射流泵模型内部流场的数值模拟”这一主题展开讲解，带领小伙伴们一步一步深入了解相关知识。

第一步，了解射流泵模型的内部流场特性。

射流泵是利用高速流体的动能来传递压缩气体或输送液体的机械设备，其内部流场特性主要包括压力分布、速度分布、流线分布等。

这些特性对于射流泵的性能有着决定性的影响。

第二步，介绍蒙特卡罗法。

蒙特卡罗法是一种基于概率统计的数值模拟方法，其主要思想是利用多次重复采样的方法，通过统计得到随机事件的概率分布。

在流场模拟中，可以应用蒙特卡罗法模拟粒子在流场中的运动状态，进而得到流场的特性数据。

第三步，探索蒙特卡罗法在射流泵模型内部流场数值模拟中的应用。

通过对射流泵模型的内部流场进行数值模拟，我们可以得到流场中各个位置的速度、压力、流线等特性数据。

基于这些数据，可以对射流泵的性能进行准确的预报，也可以更加深入地了解流场特性。

第四步，总结蒙特卡罗法在射流泵模型内部流场数值模拟中的优势。

相较于传统的数值模拟方法，蒙特卡罗法具有计算量小、可靠性高、适用范围广等优点。

在射流泵模型内部流场数值模拟中应用蒙特卡罗法，可以更加准确地描述流场的特性，提高研究的精度和可信度。

综上所述，蒙特卡罗法对射流泵模型内部流场的数值模拟具有重要意义和应用价值。

通过深入理解射流泵模型内部流场特性，熟练掌握蒙特卡罗法的基本原理和计算流程，我们可以更加准确地预报射流泵的性能、优化流场设计、提高产品的质量和效率。

液体射流泵内部三维流场的数值模拟
常洪军;朱熠
【期刊名称】《排灌机械工程学报》
【年(卷),期】2005(023)006
【摘要】应用FLUENT 6.0软件对液体射流泵三维流场进行了计算分析.在前处理软件GAMBIT2.1.6中将泵内的流场划分为71 153个计算单元.计算中采用可实现K-ε双方程模型,边界条件为压力进口、压力出口,速度、压力采用SIMPLEC算法.计算得出了射流泵内部的流场分布,其结果可以为射流泵的设计提供依据.
【总页数】3页(P13-15)
【作者】常洪军;朱熠
【作者单位】武汉大学动力与机械学院湖北武汉 430072;武汉大学动力与机械学院湖北武汉 430072
【正文语种】中文
【中图分类】TP271.31;O242.1
【相关文献】
1.环形自激振荡射流泵内部流动特性的数值模拟 [J], 高全杰;李海洋;汪朝晖;杨宵
2.浅谈射流泵内部流场数值模拟研究现状 [J], 陈文徽;韩岐清;李少甫;孙福山;王新红
3.液体射流泵内流场的数值模拟 [J], 陈雨涵;何燕彬;李兰;崔晓云
4.液体射流泵内部流动分析:Ⅱ理论计算参数确定 [J], 王玉川;曹树良;高传昌;王松林
5.液体射流泵内部流动分析:Ⅰ试验与三维数值模拟 [J], 王松林;王玉川;桂绍波;高传昌;曹树良
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４．３．１恒定液体射流泵内部流场的模拟轮廓图模拟恒定液体射流泵内部流场，当计算达到收敛精度时，内部流场的速度、压力基本趋于稳定。

图禾２为初始工作压力Ｐｏ－ｏ．２Ｍｐａ，面积比ｍ＝６．２５，喉管直径ｄ＝２５ｍｍ，喉管长Ｌ＝２００ｍｍ时，射流泵内部的压力场轮廓图；图４．３为初始工作压力Ｐｏ＝ｏ。

２５Ｍｐａ，面积比ｍ＝２．７８，喉管直径ｄ＝２５ｍｍ，喉管长Ｌ＝２００ｍｍ时，射流泵内部的速度场轮廓图。

图４．２压力场轮廓图Ｃｈａｒｔ４－２ＴｈｅＣＯｎｔＯＵｒｏｆｐｒｅｓｓｕｒｅ图４１３速度场轮廓图Ｃｈａｒｔ４－３Ｔｈｅｃｏｎｔｏｕｒｏｆｖｅｌｏｃｉｔｙ３９４．３．２脉冲液体射流泵内部流场的模拟轮廓图模拟脉冲液体射流泵内部流场，当计算达到精度时，脉冲过程呈现交替性变化，图４．３和图４－４分别为初始工作压力Ｐｏ＝０．２５Ｍｐａ，面积比ｍ＝１１．１１，喉管直径ｄ＝４０ｍｍ，喉管长Ｌ＝４００ｍｍ，周期Ｔ三１．５＋Ｉ时，射流泵内部不同时刻的压力场及速度场轮廓图。

图４－＿４压力场瞬时轮廓图Ｃｈａｒｔ４－４ＴｈｅｉｎｓｔａｎｔａｎｅｏｕｓｏＤｌｌｔｏｕｒｏｆｐｒｅｓｓｕｒｅ图４＿＿５速度场瞬时轮廓图Ｃｈａｒｔ４－５Ｔｈｅｉｎｓｔａｎｔａｎｅｏｕｓｃｏｎｔｏｕｒｏｆｖｅｌｏｃｉｔｙ４．３．３脉冲液体射流泵内部速度场的矢量图图４．６为喉管直径ｄ＝２５ｍｍ，喉管长Ｌ＝２００ｍｍ，面积比ｍ＝６．２５，平均流量比ｇ＝０．６１，初始工作压力Ｐｏ＝０．２５Ｍｐａ，周期Ｔ＝（１．５＋Ｄｓ，不同时刻的瞬时速度矢量图。

４１华北水利水Ｉｎ学院硕ｌ’论空图４．６脉冲速度场矢量图Ｃｈａｒｔ４－６Ｔｈｅｖｅｃｔｏｒｏｆｊｃ！ｖｅｌｏｃｉｔｙ图４．７为喉管直径ｄ＝２５ｍｍ，喉管长Ｌ＝２００ｒａｍ，面积比ｍ＝４．３４，平均流量比石＝０．５２，初始工作压力Ｐｏ＝０．２５Ｍｐａ，周期Ｔ＝（１．５＋１）ｓ，不同时刻的瞬时速度矢量图。

图４－７脉冲速度场矢量图Ｃｈａｒｔ４－７Ｔｈｅｖｏｃｌｏｒｏｆｊｅｔｖｅｌｏｃｉｔｙ图４－８为喉管直径ｄ＝２５ｍｍ，喉管长Ｌ＝２００ｒａｍ，面积比ｍ＝２．７８，平均流量比ｉ＝０．５８，初始工作压力Ｐｏ＝０．２５Ｍｐａ，周期Ｔ＝（１．５＋１）ｓ，不同时刻的瞬时速度矢量图图４－８脉冲速度场矢量图Ｃｈａｒｔ４－６Ｔｈｅｖｅｃｔｏｒｏｆｊｅｔｖｅｌｏｃｉｔｙ限于篇幅，本文只列出了脉冲液体射流泵部分工况下的内部流场矢量图，对图４．６到４．８喉管内部不同断面的速度分布分析整理得各个工况下最优喉管长度范围，如表４．１和表４．２：。