斜螺旋式旋轉空化噴嘴性能仿真研究

基金項目：西華大學人才引進項目“小井眼側鉆單牙輪PDC鉆頭設計理論研究”（Z17119-0303）；邵陽學院研究生科研創新項目“空化射流噴嘴性能研究及結構優化”（CX2023SY081）；邵陽維克液壓股份有限公司企業橫向項目“高壓空化射流噴嘴設計與性能研究”（2023HX46）。

針對旋轉空化噴嘴（Spin Cavitation Nozzle，SCN）開采天然氣水合物時能耗高、效率低的問題，設計了一種斜螺旋式旋轉空化噴嘴（Oblique Spiral type Spin Cavitation Nozzle，OSSCN）。基于CFD方法，對OSSCN、SCN以及收縮-擴張型噴嘴（Contraction-Dilatation Cavitation Nozzle，CDCN）進行性能對比分析。仿真分析結果表明：與CDCN相比，OSSCN和SCN流場中空化泡的分布更廣泛、空化性能更優，且對水合物碎片有著更強的卷吸能力;與SCN相比，OSSCN在水合物壁面處產生的液壓沖擊能量更大，其徑向流速更高，對水合物壁面產生的沖蝕效果更佳； OSSCN的斜螺旋葉輪結構極大地降低了噴嘴液阻、減小了能耗，在與SCN性能相差不大的情況下，OSSCN較SCN降低了約39%的能耗，展現出高效節能的優勢。該設計可為空化射流鉆水平井+襯管完井技術的商業化應用提供技術支持。

空化射流鉆井；旋轉空化噴嘴;斜螺旋面；天然氣水合物;計算流體力學;射流沖蝕;空化性能；卷吸性能

TE75

A

004

Simulation Study on the Performance of Oblique

Spiral Type Spin Cavitation Nozzle

Chen Xiaoping¹ He Zhipeng¹ Liu Guangli² Ao Xin¹ Wen Xue¹ Liu Zhihui¹

（1.Key Laboratory of Hunan Province for Efficient Power System and Intelligent Manufacture，Shaoyang University; 2.School of Mechanical Engineering，Xihua University）

Exploitation of natural gas hydrate using spin cavitation nozzle （SCN） is challenged by the problems such as high energy consumption and low efficiency. To solve these problems，an oblique spiral type spin cavitation nozzle （OSSCN） was designed. Based on the computational fluid dynamics （CFD） method，the performances of OSSCN，SCN and contraction-dilatation cavitation nozzle （CDCN） were analyzed by simulation. The results show that compared with CDCN，OSSCN and SCN have a wider distribution of cavitation bubbles in the flow field，better cavitation performance and stronger entrainment capacity for hydrate fragments. Compared with SCN，OSSCN has a higher radial flow velocity and generates greater hydraulic impact energy at the hydrate wall，resulting in better erosion effect on the hydrate wall. The oblique spiral impeller structure of OSSCN greatly reduces the liquid resistance of the nozzle and the energy consumption. When the performance is not significantly different from SCN，OSSCN reduces energy consumption by about 39% compared to SCN，demonstrating an advantage of high efficiency and energy conservation. This innovative design provides technical support for the commercial application of cavitation jet drilling horizontal well + liner completion technology.

cavitating jet drilling;spin cavitation nozzle; oblique helicoid; natural gas hydrate; computational fluid dynamics （CFD）; jet erosion; cavitation performance; entrainment performance

0 引 言

2020年，我國南海的天然氣水合物第二輪試驗開采成功，其產氣量刷新了世界紀錄^［1］。然而，天然氣水合物不同于常規化石能源，其儲層結構多為膠結或松散巖架支撐，若采用傳統完井方法對其進行開采，易引發井壁出砂、礦井垮塌等安全事故^［2-5］。此外，天然氣水合物是類冰狀結晶物質，采用機械方法開采時，機器運行產生的熱量易引發水合物分解，進而削弱礦井的穩定性。

針對天然氣水合物開采所面臨的挑戰，李根生等^［6-7］提出“空化射流鉆水平井+襯管完井”的天然氣水合物開采新方法。空化射流技術的基礎是高壓水射流技術。2017年南海天然氣水合物試采工程中成功運用了固態流化法^［8］，驗證了高壓水射流開采天然氣水合物的可行性^［9-10］。王國榮等^［11-12］依據天然氣水合物試采工程的數據，設計了一種用于開采水合物的水射流噴嘴，并優選了水射流破碎水合物的臨界流速。TANG Y.等^［13］分析了噴嘴數量及水力參數對水合物開采效率的影響，設計了一種直旋混合噴嘴。CHEN C.等^［14］和潘棟彬等^［15］利用數值模擬研究了不同流速、噴距及噴嘴結構下，高壓水射流對水合物的破碎效果。這些關于高壓水射流技術的研究為空化噴嘴的設計應用提供了重要參考。

隨著天然氣水合物試采的成功，有關空化噴嘴的研究大量出現。空化噴嘴利用特殊結構激發空化，并通過空化泡的潰滅產生液壓脈動，進而增強射流破巖能力^［16］。李根生等^［17-18］設計了自激振蕩空化噴嘴，該噴嘴成功應用于油田現場，應用效果明顯。唐川林等^［19］通過優化設計提高了自激振蕩空化噴嘴的破巖效率。彭可文^［20］設計了收縮-擴張型空化噴嘴（Contraction-Dilatation Cavitation Nozzle，CDCN），并通過試驗驗證了CDCN破碎水合物的性能優勢。在CDCN的基礎上，張逸群等^［10］設計了旋轉空化噴嘴（Spin Cavitation Nozzle，SCN），并驗證了SCN的強大卷吸能力以及出色的沖蝕性能。武曉亞等^［21］也對SCN的葉輪進行了結構優化研究。

然而，優化后的SCN仍保留了葉輪軸。從結構上看，葉輪軸并非必要，而從流體力學角度看，葉輪軸可能會增加液阻，進而降低噴嘴的性能。為驗證這一猜想，筆者設計了一種斜螺旋式旋轉空化噴嘴（Oblique Spiral type Spin Cavitation Nozzle，OSSCN），并基于CFD方法，對比分析了OSSCN、SCN以及CDCN在相同入口流速條件下的空化性能、沖蝕性能、卷吸性能以及能耗特征，以期驗證OSSCN在無葉輪軸條件下的性能優勢。

1 空化射流流場模型

李根生等提出的“空化射流鉆水平井+襯管完井”方法的基本原理如圖1a所示。

該方法利用空化噴嘴在天然氣水合物儲層中鉆出水平井眼，同時通過留置多孔襯管的方式加固井眼，防止礦井坍塌。與傳統的完井方法相比，空化射流鉆出的井眼更寬，有效增大了水合物的分解陣面，有望提高天然氣水合物的開采效率^［7］。

1.1 幾何模型與網格劃分

CDCN的結構如圖1b所示。其基本結構分為收縮段、吼道段和擴張段，采用文獻［20］中優化的CDCN結構。

SCN的結構如圖1c所示。其基本結構可視為在CDCN的入口處加裝了葉輪，葉輪由葉輪軸和若干葉片構成，葉輪賦予了噴嘴出色的卷吸能力，并增強了其對砂的沖蝕能力^［10］，采用文獻［21］中優化的SCN結構。

SCN的葉輪如圖2a所示。對其去軸設計后得到如圖2b所示的無軸葉輪。為進一步降低液阻，將葉片的母線向噴嘴出口方向偏斜30°，得到如圖2c所示的斜螺旋葉輪。將斜螺旋葉輪置于CDCN的入口處，進而得到OSSCN，如圖2d所示。

由圖2可知：SCN的葉輪軸徑為0.2d；OSSCN舍去了葉輪軸結構，其中心流道直徑設為0.5d、螺旋面傾角為30°，其余設計尺寸均出自文獻［20］與文獻［21］，其中特征參數d =1 mm。圖2e為OSSCN的實物圖。

OSSCN的基本工作原理為：高壓流體流經葉輪結構時，獲得較高的切向流速；在流經收縮段時增壓，獲得較高的軸向流速，最后在擴張段的出口處產生旋轉空化射流。旋轉空化射流具有較高的切向流速，可引發切向渦流，對水合物碎片產生“卷吸”作用，同時增強了空化效果。

圖3展示了空化噴嘴的幾何模型結構與網格模型（網格劃分）。

其中，幾何模型包括噴嘴和外部流場，為降低計算域邊界對流場特性的影響，空化噴嘴的外部流場設為直徑d₁=30d、高度h₁=30d的大圓柱體。外部流場的底面用于模擬水合物壁面，噴嘴與壁面距離為h₂=20d，外部流場的頂面及側面設為恒壓出口。

網格模型為結構化的六面體網格，考慮到噴嘴及壁面處速度梯度較大，對該區域的網格進行局部加密，并劃分5層邊界層。

1.2 控制方程

（1）流動模型。空化射流的數值模擬研究依賴于連續性方程和動量守恒方程，鑒于空化射流的換熱較少，因此未采用傳熱方程^［10］。流體的連續性方程和動量守恒方程為：

式中：ρ、u、p與μ分別為流體的密度（kg/m³）、流速（m/s）、壓力（Pa）和黏度（Pa·s）；f為流體受到的重力、慣性力等質量力，N/kg；為哈密頓算子。

（2）湍流模型。姚立明等^［22］驗證了RNG k-ε湍流模型在空化噴嘴數值模擬研究中的適用性。文中采用RNG k-ε湍流模型，該模型為：

湍流黏度μ_t和修正系數C^*_1ε進一步展開為：

式中：k為湍動能，m²/s²；ε為湍動能的耗散率，m²/s³；μ_t為湍流黏度，Pa·s；G_k是為了消除流速梯度對湍動能k的影響而引入的修正項，Pa/s；α_k、α_ε、C_1ε、C_2ε、C_μ、η₀及β均為經驗系數，參考文獻［10］，將其分別取為1.39、1.39、1.42、1.68、0.084 5、4.377與0.012。

（3）空化模型。ANSYS軟件為用戶提供了3種空化模型，即Singhal、Schnerr amp; Sauer和Zwart gerber belamri模型。其中，Schnerr amp; Sauer模型因其出色的普適性^［23］、穩定的壓力場模擬能力以及易于收斂的特點^［24］，被認為是模擬孔內空化現象的理想選擇^［25］，故采用Schnerr amp; Sauer空化模型。

（4）多相流模型。ANSYS軟件為用戶提供了3種多相流模型，即Mixture、VOF和Eulerian。其中：VOF模型不適用于邊界流速較大的流場；Eulerian模型的穩定性與計算效率較低；而Mixture模型在模擬大規模混合流場時更為精確，且具有較高的計算效率^［26］。考慮到空化射流是一種各相混雜的復雜流場，故采用Mixture多相流模型。

1.3 邊界條件及求解策略

空化噴嘴流場的入口設為恒速入口，出口設為恒壓出口。根據天然氣水合物的試采經驗^［27-28］，流場的入口流速設為25 m/s，出口壓力設為0.1 MPa，其余邊界設為無滑移壁面^［21］。圖4展示了用于后處理的坐標系統。其中：豎直截面1穿過x軸，水平截面2垂直于x軸，且距離壁面0.5 mm，用于研究近壁面處的徑向流速；紅、黃、綠3條直線位于截面1或截面2上，綠色軸線長36 mm，黃色水平線長3 mm，紅色相交線長15 mm。

2 結果與分析

2.1 空化性能對比

圖5展示了CDCN、SCN及OSSCN的空化效果云圖。

由圖5可知，3種空化射流流場中的氣相均呈現對稱分布。當流體從吼道流入擴張段時，由于流道截面的增大，壓力會相應降低，從而引發空化現象。在CDCN的流場中，空泡主要沿擴張段壁面分布，且大部分空化泡在擴張段內潰滅；而SCN與OSSCN的空化泡呈紡錘形，主要分布于擴張段中部，且這2種噴嘴的空化泡大多會超出噴嘴，在外部流場潰滅。顯然，SCN與OSSCN的流場中空化泡含量更高且分布更廣泛，而空化泡潰滅產生的壓力脈動進而增強射流，因此這2種噴嘴的空化能力更強。CDCN的空化機理與水錘效應類似，即當流道截面增大時，由于流體的慣性，在流道壁面處產生局部低壓，從而引發空化；SCN與OSSCN的空化機理則與之不同，其通過螺旋葉輪產生切向渦流，進而在軸線處造成低壓，從而引發空化，顯然后者產生的空化效果更強。

圖6展示了3種空化噴嘴的軸向（對應圖4中綠色直線）和徑向（對應圖4中黃色直線）含氣體積分數。

由圖6可知，盡管OSSCN省去了葉輪軸并減小了葉片寬度，但其軸向和徑向含氣體積分數與SCN相差不大，因此葉輪軸結構在空化性能方面并非必要項。由圖6b可知：由于OSSCN與SCN的流場中存在切向渦流，使得密度較大的液相流被甩向外圍，而密度較小的氣相流則聚集于中部，圖6b中箭頭反映了這一機制；相比之下，CDCN的軸向和徑向中部含氣體積分數明顯較低，其空化性能不如前兩者。具體而言，CDCN的出口中心含氣體積分數為61%，而SCN的出口中心含氣體積分數高達94%，OSSCN的出口中心含氣體積分數也達到了92%。因此，2種旋轉空化噴嘴的空化性能明顯優于CDCN，而OSSCN與SCN的空化性能相近。

2.2 沖蝕性能對比

空化射流的沖蝕性能包括對水合物壁面的法向壓蝕性能以及切向沖蝕性能。其中，法向壓蝕性能通過圖4中截面1上的軸向流速云圖進行分析，切向沖蝕性能通過截面2上的徑向流速云圖進行分析。圖7展示了3種空化噴嘴的軸向流速云圖。

由圖7可知：3種空化噴嘴外部流場的軸向流速分布相似，其分布帶的長度及寬度大致相同；三者軸向流速分布的區別主要體現在噴嘴的擴張段，具體來說，CDCN的軸向流速呈舌形分布，其擴張段壁面處軸向流速較低，而中部則較高。相比之下，2種旋轉空化噴嘴軸向流速較高的區域主要分布于擴張段壁面，且其高速區的分布范圍更廣。圖8展示了3種空化射流流場中靠近壁面處的徑向流速分布情況。

由圖8可知：3種空化噴嘴在軸心處的徑向流速均為0，且其徑向流速沿徑向先增大后減小；3種空化噴嘴的徑向流速分布存在差異，其中OSSCN的高速區分布范圍最廣。

圖9為軸向流速與徑向流速的量化結果，其數據分別采樣于圖4中的綠色直線與紅色直線。由圖9a可知：3種噴嘴的軸向流速在吼道處達到峰值，其中CDCN的峰值為103.7 m/s，SCN的峰值為109.7 m/s，OSSCN的峰值為109.3 m/s，顯然2種旋轉空化噴嘴的峰值較高。在軸向流速達到峰值后，CDCN的軸向流速保持穩定，而SCN與OSSCN的軸向流速持續衰減；當流體流出擴張段時，3種噴嘴的軸向流速基本相同。在外部流場中，3種噴嘴的軸向流速衰減規律相似，其中CDCN的軸向流速衰減較快，而SCN與OSSCN的衰減較慢。已知天然氣水合物破碎的臨界軸向流速為24 m/s^［12］，不難看出SCN與OSSCN的軸向流速在24 m/s以上保持得更久，其能量衰減更慢，有利于破碎出更大的沖蝕坑。

由圖9b可知：3種噴嘴近壁面的徑向流速沿徑向先增大后減小，在距離流場軸線（y=0）約3 mm處達到峰值，其中CDCN的峰值為14.3 m/s，SCN與OSSCN的峰值均為15.5 m/s。在靠近流場軸線處，OSSCN的徑向流速高于另外2種噴嘴，徑向流速反映了流體對水合物壁面的沖刷效果，因此OSSCN較另外2種噴嘴具有更強的水合物沖蝕能力。

2.3 卷吸性能對比

空化噴嘴的卷吸性能隨著SCN的出現而被關注，評估卷吸性能的主要指標是切向流速^{［10，21］}。圖10展示了3種空化噴嘴切向流速的分布情況。由圖10可知：CDCN的流場中幾乎不存在切向流，而SCN與OSSCN的流場則呈現出顯著的切向流。在水合物沖蝕坑形成的初期，切向流通過剪切、拉伸等方式破壞巖砂骨架，不斷沖刷沖蝕坑周圍壁面；同時，高速旋轉的切向流不僅有助于破碎水合物，其產生的離心力還能通過“卷吸”作用將水合物碎片甩出。另外，在天然氣水合物的沖蝕過程中，巖砂破碎產生的砂粒極易填埋沖蝕坑，而切向流的“卷吸”作用能有效清潔沖蝕坑，從而暴露出更大的破碎面，進而提高開采效率。

圖11為3種空化噴嘴切向流速的量化結果，數據采樣于圖4中黃色直線。由圖11可知：SCN與OSSCN在軸心處的切向流速為0，其切向流速沿徑向逐漸增大，超出噴嘴唇線后迅速衰減；其中SCN的峰值為13.8 m/s，OSSCN的峰值為13.5 m/s，而CDCN的切向流速相對較低，卷吸效果不明顯。

2.4 能耗對比

在油氣鉆頭的設計過程中，鉆頭的能耗特性不容忽視。用噴嘴所需的液源功率表征其能耗優劣：

P=pAv（4）

式中：P為噴嘴所需的液源功率，W；p、A、v分別為噴嘴入口處的壓力（Pa）、流道橫截面積（m²）以及流速（m/s）。已知v為25 m/s，A為3.14×10^-6"m²。

圖12展示了3種空化噴嘴的壓力分布情況。由圖12可知：SCN的入口壓力顯著高于另外2種空化噴嘴。由于葉輪的加旋效應，SCN與OSSCN軸心處的壓力較低，而壁面處的壓力較高，相比之下CDCN的入口段壓力分布較均勻。當液流進入收

縮段后，流速上升導致靜壓下降，靜壓在噴嘴的吼道處最低。圖13為3種空化射流噴嘴入口處的壓力分布。

由圖13可知：空化噴嘴的入口壓力分布較均勻，具體而言，CDCN的入口壓力最小，約為1.74 MPa，SCN的入口壓力約為2.92 MPa，OSSCN的入口壓力約為1.77 MPa。將這些壓力數值代入式（4）得：入口流速為25 m/s時，CDCN所需的液源功率為136.6 W，SCN所需的液源功率為229.2 W，OSSCN所需液源功率為138.9 W。

圖14展示了3種空化噴嘴的中心含氣體積分數、液源功率以及軸向、徑向、切向流速峰值的對比情況。

由圖14可知：在入口流速相同的條件下，SCN與OSSCN流場中的各向流速峰值及含氣體積分數相差不大。然而，OSSCN所需的液源功率僅為SCN的61%，實現了39%的節能。不難看出：SCN的葉輪軸結構增大了噴嘴的液阻，其所需的液源功率更高；相比之下，OSSCN通過舍去葉輪軸并斜置葉片母線的設計，有效減小了噴嘴的液阻。

3 結 論

（1）斜螺旋式旋轉空化噴嘴在對天然氣水合物進行射流沖蝕的同時產生空化沖蝕，與收縮-擴張型噴嘴相比具有更出色的沖蝕效果，與普通旋轉空化噴嘴相比具有更低的能耗。

（2）斜螺旋式旋轉空化噴嘴的空化效果與普通旋轉空化噴嘴相差不大，且二者對水合物碎片的卷吸性能接近，其切向流速峰值均接近14 m/s；相比之下，收縮-擴張型噴嘴幾乎不產生切向流。

（3）斜螺旋式旋轉空化噴嘴省去了葉輪軸，相當于減少了一道“屏障”，因此其射流能量衰減較緩慢，有利于將更多液壓能量有效地傳遞至水合物表面，能在壁面處產生更高的徑向流速，從而增強沖蝕效果。

（4）斜螺旋式旋轉空化噴嘴省去了葉輪軸并斜置了葉片母線，顯著減小了噴嘴的液阻。在相同入口流速條件下，該噴嘴與普通旋轉空化噴嘴的空化、沖蝕及卷吸性能相差無幾，然而其所需功率僅為138.9 W，相較于普通旋轉空化噴嘴節省了約39%的能源。

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第一作者簡介：陳效平，講師，碩士生導師，生于1978年，2019年畢業于中南大學機械工程專業，獲博士學位，現從事天然氣鉆井完井裝備的教學及研究工作。地址：（422099）湖南省邵陽市。email：chenxping99@163.com。