不同結構空化射流噴嘴流場特性對比

噴嘴類型與結構是影響空化射流性能的關鍵因素。通過CFD數值模擬方法探究了風琴管自振空化射流噴嘴、Helmholtz型空化射流噴嘴、角形空化射流噴嘴、中心體空化射流噴嘴和葉輪式旋轉空化射流噴嘴的流場特性。開展射流噴嘴流場室內測試，以射流擴散角為評價指標，驗證了數值分析的可靠性。根據不同結構空化射流噴嘴的流場特性和現場工程應用需求，給出了適用于不同場景的空化射流噴嘴類型推薦和說明。研究結果表明：風琴管自振空化射流噴嘴射流沖擊壓力高且穩定性強（最高沖擊壓力12.165 MPa），適用于鉆井過程中輔助破巖場景；Helmholtz型空化射流噴嘴脈沖頻率高（2.0 kHz）且空泡運移距離遠，適用于老井洗井解堵處理場景；角形空化射流噴嘴射流擴散能力強且空化程度高，適用于油田廢水處理中乳化油破乳場景；中心體空化射流噴嘴具有集中于出口中心的空泡群和7.047 MPa的射流沖擊壓力，適用于煤層氣開采中煤層瓦斯解吸滲流場景；葉輪式旋轉空化射流噴嘴具有倒“U”形速度分布和空化作用范圍大的特點，適用于水合物開采中徑向分支鉆孔場景。研究結果可為空化射流噴嘴選型提供理論依據。

空化射流；射流噴嘴；流場特性；噴嘴選型；射流擴散角

中圖分類號：TE921

文獻標識碼：A

DOI： 10.16082/j.cnki.issn.1001-4578.2024.12.002

基金項目：國家自然科學基金項目“頁巖油徑向水平井CO2驅替增產機制研究”（52374018）；中國石油天然氣集團有限公司-中國石油大學（北京）戰略合作科技專項“鄂爾多斯盆地致密油-頁巖油富集、高效開發理論與關鍵技術研究”（ZLZX2020-02）。

Comparative on Flow Field Characteristics of

Cavitation Jet Nozzles with Different Structures

Guo Chenrui1，2" Li Jingbin1" Li Huan1" Ma Rutao2" Wang Hao1" Zhong Hou1" Li Rui1

（1.State Key Laboratory of Petroleum Resources and Engineering，China University of Petroleum （Beijing）；2.CNPC Engineering Technology Ramp;D Company Limited）

The type and structure of a nozzle are the key factors affecting the performance of cavitation jet.In the paper，first，the CFD numerical simulation method was used to explore the flow field characteristics of organ-pipe self-oscillation cavitation jet nozzle，Helmholtz cavitation jet nozzle，angular cavitation jet nozzle，central-body cavitation jet nozzle and impeller-type rotating cavitation jet nozzle.Second，the laboratory test of the jet nozzle flow field was carried out，and the reliability of the numerical analysis was verified by taking the jet diffusion angle as the evaluation index.Finally，based on the flow field characteristics and field engineering application requirements of cavitation jet nozzles with different structures，the types of cavitation jet nozzles suitable for different scenarios were recommended and explained.The study results show that the organ-pipe self-oscillation cavitation jet nozzle has strong jet impact pressure and high stability （the highest impact pressure is 12.165 MPa），and is suitable for the auxiliary rock breaking scenario in the drilling process.The Helmholtz cavitation jet nozzle has a high pulse frequency （2.0 kHz） and a long cavitation bubble migration distance，and is suitable for the flushing and blockage removal scenario of old wells.The angular cavitation jet nozzle has strong jet diffusibility and high cavitation degree，and is suitable for the demulsification scenario of emulsified oil in oilfield wastewater treatment.The center-body cavitation jet nozzle has a cavitation bubble group concentrated at the outlet center and a jet impact pressure of 7.047 MPa，and is suitable for coal seam gas desorption and seepage scenario in coalbed methane exploitation.The impeller-type rotating cavitation jet nozzle has an inverted “U”-shaped velocity distribution and a large cavitation range，and is suitable for the radial branch drilling scenario in natural gas hydrate exploitation.The study results provide a theoretical basis for the selection of cavitation jet nozzles.

cavitation jet；jet nozzle；flow field characteristics；nozzle selection；jet diffusion angle

0" 引" 言

空化射流（Cavitating Jet）是一種通過特殊結構的噴嘴產生含氣高壓水流，利用氣泡的破裂在物體表面形成高能沖擊波和微射流，從而提高射流的清洗、切割或破碎性能的技術［1-2］。空化射流擁有卓越的沖蝕能力，在石油工程領域有著廣泛的用途。李根生等［3］在鉆頭上配置空化射流噴嘴，實現鉆井井底空化射流的產生，將其應用于直接破巖或輔助機械鉆頭破巖，以此提升鉆井效率。沈忠厚等［4］將空化射流應用于洗井解堵領域，發明旋轉空化射流洗井解堵技術。劉峰等［5］采用空化射流對含油廢水進行處理，實現了對乳化程度較深含油廢水中油滴的有效去除。李曉紅等［6］提出將空化射流聲震效應應用于強化煤層瓦斯解吸滲流，進而提高煤層瓦斯抽采率的新思路。此外，李根生等［7］創新提出了利用空化射流鉆徑向水平井+篩管完井一體化方法開采深海淺層天然氣水合物的新思路。

郭晨睿，等：不同結構空化射流噴嘴流場特性對比

空化射流噴嘴是空化射流技術的核心部件，空化射流噴嘴結構更是對空化射流沖蝕效果有著直接的影響。CONN A.F.等［8］提出了中心體空化射流噴嘴結構，并通過試驗研究證明該噴嘴比Leach-Walker錐形噴嘴具有更好的破巖性能。YANAIDA K.等［9］提出了角形空化射流噴嘴結構，其相關研究表明，淹沒式空化射流的沖蝕能力是非淹沒自由射流的14倍。CONN A.F.等［10］提出自振空化射流結構，最常見的自振空化射流噴嘴結構為風琴管自振空化射流噴嘴和Helmholtz型空化射流噴嘴。李根生等［11］對自振空化射流噴嘴的沖擊壓力特性和沖蝕巖石特性進行了試驗研究，結果表明，在相同條件下，與錐形射流噴嘴相比，自振空化射流的沖擊壓力脈動幅度增強了24%～37%，沖蝕巖石效果提高1～2倍。張逸群等［12］設計了一種葉輪式旋轉空化射流噴嘴結構，通過試驗證明其沖蝕能力是錐形射流噴嘴的1.8倍。不同的空化射流噴嘴結構具有不同的沖蝕特性和應用場景，但文獻調研結果表明，目前尚缺乏不同類型空化射流噴嘴的流場特性對比和適用場景分析研究。

基于此，本文選取5種典型空化射流噴嘴：風琴管自振空化射流噴嘴（OTSCJN）、Helmholtz型空化射流噴嘴（HCJN）、角形空化射流噴嘴（ACJN）、中心體空化射流噴嘴（CCJN）和葉輪式旋轉空化射流噴嘴（IRCJN），采用CFD（Computational fluid dynamics）數值模擬方法，系統研究不同空化射流噴嘴的流場結構和空化特性，并探討了每種類型空化射流噴嘴在石油工程領域的適用范圍。研究結果可為空化射流噴嘴選型提供理論依據。

1" 數值模擬模型

1.1" 噴嘴幾何模型

圖1為OTSCJN、HCJN、ACJN、CCJN和IRCJN的幾何模型。OTSCJN結構（見圖1a）包括入口段、諧振腔和出口段3部分，其中：d1為噴嘴入口直徑，L1為入口長度，D1為諧振腔直徑，L2為諧振腔長度，L3為出口長度，d2為噴嘴出口直徑。HCJN結構（見圖1b）包括入口段、諧振腔和出口段3部分，其中：d1為噴嘴入口直徑，L1為入口長度，R1為諧振腔入口圓角，D1為諧振腔直徑，L2為諧振腔長度，α1為碰撞壁夾角，L3為出口長度，d2為噴嘴出口直徑。ACJN結構（見圖1c）包括收縮段，喉管段和擴散段3部分，其中：d1為噴嘴入口直徑，L1為收縮段長度，α1為收縮角，L2為喉管段長度，d2為噴嘴出口直徑，L3為擴散段長度，α2為擴張角。CCJN結構（見圖1d）包括收縮段，喉管段和噴嘴中的中心體3個部分，其中：d1為噴嘴入口直徑，L1為收縮段長度，α1為收縮角，L2為喉管段長度，d2為噴嘴出口直徑，d3為中心體直徑，l1為中心體長度，θ1為中心體尖角。IRCJN結構（見圖1e、圖1f、圖1g）包括葉輪和外殼2個部分。其中：d1為噴嘴入口直徑，L1為直管段長度，α1為收縮角，L2為收縮段長度，L3為喉管段長度，d2為噴嘴出口直徑，L4為擴散段長度，α2為擴散角，D為葉輪直徑，L為葉輪長度，T為葉輪厚度，θ為加旋角度，Dc為中心圓柱直徑。

1.2" 網格劃分

噴嘴出口到沖擊壁面的距離是影響射流沖擊特性的重要參數，稱為噴距H。通常采用實際噴距H與噴嘴出口當量直徑d的比值作為無因次噴距n［13］。本文選取10倍無因次噴距處的截面作為沖擊平面，噴嘴外部流體域設置為寬為5d2、長為10d2的區域。

由于OTSCJN、HCJN、ACJN和CCJN具有軸對稱的結構特點，所以，這里采用上述噴嘴的二維旋轉截面作為研究對象。上述4種噴嘴采用結構化四邊形網格進行劃分，并對噴嘴內部及射流主要區域進行加密。各空化射流噴嘴流場模擬的網格劃分如圖2所示。

IRCJN結構為不具有對稱性的三維復雜結構，常規網格劃分方法難以實現對該結構的高質量網格劃分。Poly-Hexcore網格是一種基于馬賽克技術的混合網格劃分手段，可實現對復雜結構的高質量網格劃分，且具有較高的求解效率。故在此采用Poly-Hexcore網格對其進行網格劃分，并對噴嘴內部及射流主要區域進行加密，如圖3所示。本模擬中網格質量為0.97。

1.3" 數學模型

對空化射流流場特性進行研究，需要采用適合的湍流模型、多相流模型與空化模型。

1.3.1" 多相流模型

目前多相流模型主要分為歐拉-歐拉方法與歐拉-拉格朗日方法。其中，歐拉-歐拉模型中最常見的3種模型為VOF模型、Mixture模型和Eulerian模型。前人研究表明，相比于其他模型，Mixture模型可針對整個混合流場系統，更加適合對空化射流流場進行模擬［14］。因此，在多相流的計算中選擇Mixture模型。

Mixture連續性方程可以表示為：

tρm+xjρmuj=0（1）

Mixture動量方程可以表示為：

tρmui+xjρmuiuj=-pxi+τijxj（2）

式中：t為時間，s；xi和xj分別為i和j方向的空間坐標，m；ρm為混合物密度，kg/m3；p為混合壓力，Pa；ui和uj分別為i和j方向的速度，m/s；τij為黏性張量，Pa。

1.3.2" 空化模型

目前典型的空化模型為Singhal模型、Schnerr and Sauer模型和Zwart-Gerber-Belamri模型。上述3種模型中，Schnerr and Sauer模型計算壓力系數時更穩定和易收斂；同時，該模型對空化射流的模擬誤差最小［18］。因此，本研究選擇Schnerr and Sauer空化模型來模擬空化現象。

在空化現象中，液-氣傳質（蒸發和冷凝）由蒸汽輸運控制方程可以表示為：

tαvρv+xjαvρvuj=Re-Rc（3）

式中：αv為蒸汽體積分數，無量綱；ρv為蒸汽的密度，kg/m3；Re和Rc分別為氣泡的蒸發和冷凝的質量轉移率，kg/（m3·s）。

1.3.3" 湍流模型

Reynolds Average Navier-Stokes （RANS）湍流模型是目前工業流動計算中廣泛應用的湍流模型，具有應用范圍廣、計算精度高、計算效率高等優點［16］。該湍流模型主要包括Standard k-ε模型、RNG k-ε模型、Realizable k-ε模型、Standard k-w模型和SST k-w模型。前人研究表明，RNG k-ε模型在CFD空化模擬中效果較好，且模擬結果與實際結果誤差最小［17］。因此，采用RNG k-ε模型模擬空化的流動特性。

湍動能k方程可以表示為：

ρkt+ρkuixi=xjαkμ+μtkxj+Gk+ρε（4）

耗散率ε方程可以表示為：

ρεt+ρεuixi=xjαεμ+μtεxj+

εkC1ε-η1-η/η01+βη3Gk-C2ερε2k（5）

式中：k為湍動能，m2/s2；ε為耗散率，m2/s3；Gk為平均速度梯度產生的湍流動能，Pa/s；αk和αε分別是湍流動能k和耗散率ε的有效湍流普朗特數的倒數，無量綱，取值為1.39和1.39；μ為流體黏度，Pa·s；μt為湍動黏度，Pa·s；η為湍流微尺度，無量綱；C1ε、C2ε、Cμ、η0及β為經驗常數，無量綱，取值為1.42、1.680、0.084 5、4.377和0.012。

1.4" 求解方法設置

噴嘴入口設置為壓力入口，壓力值為20.0 MPa；模型出口為壓力出口，壓力值為0.1 MPa；噴嘴壁面設置為無滑移壁面條件；模型軸線設置為軸線邊界條件。水的密度設置為1 000 Pa·s，黏度設置為0.001 Pa·s，飽和蒸汽壓設置為3 540 Pa（300 K）。

基于ANSYS Fluent 2022R1求解器，采用SIMPLEC算法和有限體積法來離散方程。連續性方程的壓力插值采用PRESTO！格式。進行計算時，收斂精度設置為10-6。計算步長設置為10-6" s，每一時間步內迭代30次，以提升計算精度、增強收斂性。

2" 數值模型驗證

采用連續噴射破巖試驗裝置［18］，以OTSCJN為例，記錄其流場形態。最終，將試驗結果與數值模擬結果進行對比分析，以驗證數值模型的可靠性和準確性。

連續噴射破巖試驗裝置主要包括控制面板、舉升系統、高壓泵系統、射流破巖系統、數據采集系統、射流試驗架等系統，如圖4所示。

射流擴散角是評價射流宏觀流場形態的重要指標，表示流體流出噴嘴后的擴散強度。通常情況下，較大的射流擴散角意味著較大的射流沖擊面積和較低的射流能量密度，適用于射流清洗領域；而較小的射流擴散角意味著較小的射流沖擊面積和較高的射流能量密度，適用于射流切割/鉆孔等領域。本文采用連續噴射破巖試驗裝置進行噴射試驗，記錄20 MPa噴射壓力下的射流宏觀流場形態，用以測定其擴散角。相同條件下，試驗和數值模擬得到的OTSCJN的宏觀流場形態和擴散角如圖5所示。由圖5可知，相同工況下，試驗測量和數值模擬的射流擴散角分別為10.4°和11.6°，數值模擬與試驗測量值相差11.53%。上述試驗結果驗證了本文數值模型的可靠性和準確性。

3" 噴嘴流場特性分析

3.1" 速度特性分析

圖6為不同噴嘴結構的速度場分布特征。由圖6可知：OTSCJN和HCJN的等速核為圓錐形，ACJN的等速核為梭形；OTSCJN的等速核最長且最窄，ACJN的等速核最寬且最短；CCJN由于中心體的存在使得軸線區域上的速度受到抑制，但隨著距噴嘴出口距離的增加，軸線兩側流體開始漸和，最終流場形態為空心圓錐形；由于葉輪的存在，

對水流加旋，使得流場呈現出倒“U”形分布，即在噴嘴軸線兩側形成2個高速區域，在噴嘴軸線附近形成1個低速區域，這種分布與其他類型的噴嘴有著顯著的差異。

圖7a為不同類型噴嘴外流場軸線上的速度變化規律。從圖7a可以看出，OTSCJN、HCJN和ACJN在射流核心區的速度都保持在200 m/s左右。但在射流核心區長度方面存在區別：OTSCJN最長，達到8.8d2;而ACJN的最短，僅為5.9d2。OTSCJN表現出較強的射流穩定性。CCJN在軸心線上的速度呈現出先增后減的趨勢，這是由于隨無因次噴距增加，中心體對軸心線上速度影響減小，兩側流體漸和使速度增大，在射流核心區頂點位置（6.6d2）達到速度峰值179 m/s，之后開始減弱。IRCJN由于流場分布的特殊性，在軸心線上高速區較短，且速度峰值最低，只有110 m/s。圖7b為不同噴嘴出口截面上的速度分布情況。可見OTSCJN、HCJN和ACJN出口截面上的速度分布呈現倒“U”形；ACJN由于擴散段的存在，速度區域較前兩者更大。CCJN和IRCJN的出口速度分布則不同，呈現“M”形，即中心區域的速度較低，而邊緣區域的速度較高。

3.2" 噴嘴沖擊壓力特性分析

為了研究不同噴嘴的射流沖擊壓力特征，將射流沖擊穩定后3 ms內的壁面中心所受沖擊壓力數據匯總，如圖8所示。

由圖8可知，HCJN呈現出脈沖射流的沖擊特征，其沖擊壓力隨時間波動，脈沖峰值為9.354 MPa，

脈沖幅度為2.402 MPa（脈沖壓力最大值與最小值之差），脈沖頻率為2.0 kHz。其余4種噴嘴呈現出連續射流的沖擊特征，其中OTSCJN的沖擊壓力遠高于其他噴嘴，達到了12.165 MPa。CCJN和ACJN的沖擊壓力較低，分別為7.047和5.886 MPa。IRCJN由于葉輪的旋轉作用使得射流能量損失較大，其沖擊壓力最小，僅為0.701 MPa。

圖9為不同類型噴嘴在9.56 ms這一瞬時對壁面產生的射流沖擊壓力分布特征。由圖9a可知，IRCJN的射流沖擊壓力分布呈現出雙峰形，其他4種噴嘴的射流沖擊壓力分布都呈現出單峰形。射流沖擊有效作用范圍可以定義為射流沖擊壓力大于壁面靜壓的區域［19］。本文中壁面靜壓為0.1 MPa，即壁面壓力分布中大于0.1 MPa的區域為射流沖擊有效作用范圍，如圖9b所示。HCJN的射流沖擊有效作用范圍最小為4.12d2，OTSCJN較大為4.63d2，ACJN的有效作用范圍最大為6.05d2，CCJN和IRCJN的有效作用范圍相同，為5.44d2。

3.3" 不同噴嘴的空化特性分析

圖10為不同噴嘴結構對流場氣相分布的影響。由圖10可知：OTSCJN的空化范圍最小，空泡出現在出口段，空泡范圍為0.5d2；HCJN的空化范圍主要集中在諧振腔內和出口段的壁面附近，出口處空泡范圍約為1.0d2；ACJN的空化范圍較大，主要發生在擴散段，并且在噴嘴出口區域形成了較寬的空泡帶，空泡范圍可達2.5d2；CCJN的空化范圍主要分布在中心體前段，并且呈現出倒“U”形的分布特征，空泡長度約為2.0d2；IRCJN的空化范圍最大，其空泡長度可達到7.4d2，這是由于葉輪對流體的加旋效果使流場更加復雜，更容易發生空泡初生。

值得注意的是，HCJN與其他噴嘴不同，其產生的空泡具有較強的運移能力，可以運移到距離近壁面9.5d2處。

圖11為不同噴嘴出口截面的氣相分布情況。由圖11可知，OTSCJN、HCJN和ACJN的氣相分布均呈現雙峰狀對稱分布特征。其中，ACJN的氣相體積分數峰值最高，達0.986，說明該噴嘴的空化程度最高；由于擴散段的存在，ACJN的氣相范圍也最大。OTSCJN的氣相體積分數峰值略高于HCJN，分別為0.846和0.816。CCJN的氣相分布呈現4峰狀對稱分布，與其他3種噴嘴有明顯不同；靠近中心位置的雙峰具有更高的氣相體積分數峰值，說明中心區域的空化程度最高；該噴嘴的整體氣相水平低于其他3種噴嘴。IRCJN的氣相分布呈現3峰狀對稱分布，與其他噴嘴也有較大的差異；這是由于IRCJN在出口截面上形成了旋轉射流，中心處出現的負壓更容易導致氣相的生成;中心的氣相體積分數最高為0.915，而兩側的氣相體積分數較低，為0.856；該噴嘴的整體氣相水平較高，平均值為0.738。

4" 討" 論

在輔助破巖中，為了更有效地破碎巖石，需要較強的射流沖擊力。在煤層瓦斯解吸滲流中，空化聲震需要產生較高的振動頻率，使煤體的空隙和裂隙增加。在乳化油破乳中，需要強大的剪切力和空化效應，破壞乳化油的穩定性。在洗井解堵處理中，空泡應能運移到近井地帶，才能有效處理儲層堵塞物。在徑向分支鉆孔中，射流鉆孔孔徑必須大于入井管串的最大外徑，否則無法保證連續送進。

不同噴嘴的射流流場特性見表1。結合上述不同的應用需求，推薦在鉆井過程的輔助破巖中采用OTSCJN（風琴管自振空化射流噴嘴），在老井增產的洗井解堵處理中采用HCJN（Helmholtz型空化射流噴嘴），在水合物開采的徑向分支鉆孔中采用IRCJN（葉輪式旋轉空化射流噴嘴），在煤層氣開采的煤層瓦斯解吸滲流中采用CCJN（中心體空化射流噴嘴），在廢水處理的乳化油破乳中采用ACJN（角形空化射流噴嘴）。如圖12所示。

5" 結論及建議

（1）建立了基于Mixture多相流模型、Schnerr and Sauer空化模型和RNG k-ε湍流模型的空化射流數值模型。為了驗證該模型的準確性，將數值結果與試驗數據進行了對比分析，并選取射流擴散角作為評價指標。結果表明，射流擴散角相差11.53%，證實了數值模型的準確性。

（2）10倍噴距下，風琴管自振空化射流噴嘴（OTSCJN）、角形空化射流噴嘴（ACJN）、中心體空化射流噴嘴（CCJN）和葉輪式旋轉空化射流噴嘴（IRCJN）的沖擊壓力和有效作用范圍分別為12.165 MPa、4.63d2，5.886 MPa、6.05d2，7.047 MPa、5.44d2，0.701 MPa、5.44d2。Helmholtz型空化射流噴嘴（HCJN）呈現周期沖擊，其脈沖峰值為9.354 MPa，脈沖幅度為2.402 MPa，脈沖頻率為2.0 kHz，有效作用范圍為4.12d2。

（3）所有空化噴嘴都能有效地生成空化泡。出口截面上，OTSCJN、HCJN、ACJN的氣相分布呈現對稱雙峰狀；CCJN的氣相分布呈現對稱四峰狀；IRCJN的氣相分布呈現對稱三峰狀。

（4）在鉆井過程的輔助破巖中，建議采用OTSCJN；在老井增產的洗井解堵處理中，建議采用HCJN；在水合物開采的徑向分支鉆孔中，建議采用IRCJN；在煤層氣開采的煤層瓦斯解吸滲流中，建議采用CCJN；在廢水處理的乳化油破乳中，建議采用ACJN。

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第一郭晨睿，生于1999年，現為在讀博士研究生，研究方向為高壓水射流技術。地址：（102249）北京市昌平區。email：2022215135@student.cup.edu.cn。

通信作者：李敬彬，副教授。email：lijb@cup.edu.cn。2024-06-11劉" 鋒