摘要：本文通过改变钻头喷嘴流道形状，将拉瓦尔喷管引入钻头设计中，使喷嘴出口处形成超音速流动，以增强卷吸效果，使反循环更加彻底。
关键词：贯通式潜孔锤、超音速、拉瓦尔喷管、计算机仿真。
一、引言
目前在贯通式反循环钻进中生产部门普遍采用高风压大排量空压机，来获得大的冲击功，提高钻井效率，但以往设计的钻头无法满足要求，经常出现“正循环”现象，使施工环境变得很恶劣，更为严重的是钻遇潮湿地层，岩屑在孔壁附着，随时间增长，可能会发生的卡钻事故，严重阻碍了贯通式反循环钻进技术的应用，针对这种情况，需要对钻头水口进行改进，以满足钻进要求。
二、钻头流道设计及试验
反循环的形成与钻头喷嘴处气体流速密切相关，流速越高，卷吸作用越强，反循环越彻底，故考虑增加喷嘴处气体流速来改进钻头结构。引入拉瓦尔喷管对钻头进行改进。
拉瓦尔喷管是使气流膨胀以获得高速流动的设备。喷管的截面积是变化的，气体在喷管内流动时，与管壁之间有摩擦作用，气体还通过管壁向外界散热。但就整个流动而言，摩擦作用是很小的；其次，由于气体的速度很大，管道又不长，气体通过喷管时与管壁接触的时间很短，在没有特殊冷却的情况下，散失的热量与气流的总能量相比也是很小的，可近似地认为是绝热的。气体在喷管中流动，除受上下游压强、换热、粘性摩擦等因素影响外，主要受喷管截面积变化的影响。喷管内气体的流动可看作一维定常等熵流动。
要想产生超音速气流，管道的截面形状在亚声速段应是收缩的，在超音速段应是扩张的，以声速处截面积为最小，另外，上下游压差也是必须的，但管道先收缩后扩张是必要的几何条件。因此，采用拉瓦尔喷管得到超音速气流，获得所需要的气流参数（如马赫数）。喷管的设计，首先是在给定的条件下（进口参数及背压）下确定管形，再根据给定的流量计算有关的尺寸。其实质就是使喷管的外形与截面积的尺寸完全符合气体在降压增速过程中所形成的外形与截面积，以实现将气体的内能尽可能地转化为机械能。
合理的管道截面积变化规律对于喷管的效率影响极大。根据气体动力学原理建立喷管形状曲线方程设计拉瓦尔喷管，尽量使得供气的滞压全部转化成动能，这样可以有效地对气流进行加速，达到出口截面的要求。设计合格的拉瓦尔喷管可保证出口气流均匀一致，达到超音速，紊流度小，且流场中不存在激波。
设计超音速拉瓦尔喷管的方法很多，包括特征线法、流函数法和解析法等。特征线法一直是计算二维超音速流和一维非定常气流的方法之一，基本思想是通过引入特征表面（或特征方向）来减少独立变量的个数，较多用于定常二维、平面和轴对称的、无旋超音速流动问题。流函数法是通过流函数解流线方程，从而确定管流形状。在这里采用了解析法和特征线法来设计超音速拉瓦尔喷管。将超音速拉瓦尔喷管分为四部分：稳定段、亚声速收缩段、喉部、超音速扩张段。
图2－1超音速拉瓦尔喷管的剖面形状
稳定段又称安定段。其目的是使进入喷管的气流均匀或降低紊流度。喷管收缩段的设计以均匀来流为前提，如果来流不均匀则收缩段出口的气流也不均匀。稳定段的直径和喉部的直径有关。从理论上来说和的比值越大越好，但是实际上不可能太大。稳定段的长度需要有足够的长度才能保证来流均匀。理论上应是喉部直径的倍左右，但是要根据实际条件来确定亚声速收缩段、超音速扩张段的设计设计方法Ⅰ（收缩段按维托辛思基曲线设计，扩张段按富尔士法设计）亚声速收缩段亚声速收缩段的作用是加速气流同时要保证收缩段的出口气流均匀、平直而且稳定。收缩段的性能取决于收缩段进口面积和出口面积的比值及收缩段曲线形状。收缩段的设计方法有多种，这里采用了BumowuHCKuu提出的方法，将收缩段设计成维托辛思基曲线，将收缩段设计成维托辛思基曲线，这种方法效果比较好流场过渡自然，涡流比较小，可以在收缩段出口处获得均匀的气流，而且流速也相对较高。收敛段上任意截面半径：
式中：
、rcr、r分别为收缩段进口、出口及任意处的截面半径，
，
为收缩段长度。
根据上式编写Matlab程序如下：
clear
clc
rcr =input（'喉管直径rcr '）
=input（'收缩段入口直径
'）
=input（'收缩段长度
'）
for x=1：0.05：100
r= rcr /（（1-（1-（rcr /
）^2）*（1-x^2/
^2）^2/（1+x^2/（3*
^2））^3）^（1/2））；
plot（x，r）
hold on
end
由matlab生产的拉瓦尔喷管收缩段形状如下
图2－2 喉管直径为10的拉瓦尔喷管形状
超音速扩张段，特征线法应用于超音速喷管设计较广泛，理论较成熟，并且在设计工况下工作的喷管中气流一直加速到设计马赫数，不会有激波出现，保持喷管出口气流均匀，因此用这种方式是适合的。此处扩张段曲线采用基于特征线法的富尔士法进行设计。如图超音速扩张段曲线包括三段曲线：喉部过渡段、直线段和消波段。其中喉部过渡段和直线段是使气流加速的，消波段是设法将膨胀波在壁面的反射消灭，以保证实现出口气流均匀。
超音速扩张段是气流从亚声速转变为超音速的过渡段，这一段在整个喷管设计中比较重要。对于喷管扩张段，为简化设计过程，取其形状为锥形。由以前对不同渐扩顶锥角的模拟对比发现，当喷管渐扩顶锥角如图3-5所示在
范围内变化时，对流动特性影响不明显，实际效果颇佳。当
取10时，其流动更接近等熵流。这里取顶锥角
为
。
图2－3超音速扩张段为锥形
考虑到加工条件及应用的可行性，并参阅了相关资料设计喷管如下，并设计了一组直喷管进行对比实验，进行探索性实验。
图2－4 初步设计的拉瓦尔喷管
1 接压力表；2 接抽水口；3接真空表；d 三组设计中分别取8，9，10mm
图2－5初步设计的对比直喷管
1 接压力表；2 接真空表；3 接抽水管；d三组设计中分别取8，9，10mm
图2－6 喷管实物照片
抽水实验以抽完一升水为标准记时，得到的数据如下表
*注 表中时间数据为三次实验的平均值
根据上表中的实验结果，由于拉瓦尔喷管和直管的实验数据很接近，我们可以推断我们已经获得了超音速，但可能由于实验条件及操作问题，我们没有观察到，为了证实这种推测，下面进行CFD仿真分析。
三、CFD仿真分析
针对实验做了大量的CFD仿真分析，由于片幅所限，只对
10拉瓦尔喷管和直喷管分析进行详细介绍。
利用solidworks插件floworks进行仿真分析
3－1 选取过轴心截面若干点
其对应结果
3－2 对应上图所选各点的数值
对于
10直喷管其结果如下
3－3 选取过轴心截面上若干点
对应结果为
3－4 对应上图所选各点的数值
由以上分析结果可知，利用8/10空压机试验，对于拉瓦尔喷管，在出口处已经产生了超音速，与直喷管相比，出口处速度要远远大于直喷管，这也是我们要获得的结果。至此，我们已经确定了在8/10空压机试验中获得了超音速，接下来我们用fluent软件来分析速度与抽吸能力的关系。
本文用SOLIDWORKS软件建立拉瓦尔喷管模型，导入GAMBIT软件生成正四面体网格，将施加了边界条件的网络导入FLUENT，并检查。利用有限体积法建立离散方程设置离散边界条件，流体材料为理想气体，全场初始条件并进行计算。
对于
10拉瓦尔喷管建立模型如下
3－5 fluent仿真模拟计算模型
计算结果
3－6 由软件生成的计算结果
由计算结果可知，
10拉瓦尔喷管抽吸的质量流量为0.027384715（即outlet1）
对于
10直喷管
建立模型，并划分网格建立边界条件如下
3－7网络划分并建立边界条件后的模型
计算结果
3－8 由软件生成的计算结果
由计算结果可知，
10直喷管抽吸的质量流量为0.01899709（即outlet1），小于拉瓦尔喷管的质量流量（0.027384715），至此我们得到的结论是空气流速大，抽吸能力大。这与我们最初的想法相吻合。
四、结论
在8/10工况下，我们已经在
10拉瓦尔喷管出口处全断面得到了超音速，这也是我们希望得到的结果。根据仿真结果，也证明了拉瓦尔喷管出口流速要大于直喷管出口流速，且抽吸能力强于直喷管。
在已做工作基础之上，需要对反映抽吸能力的装置进行改进，如果可能，可以引入速度测试设备，可以更直接的反映真实出口流速。根据进一歩的实验结果进行软件仿真模拟分析，进一步优化拉瓦尔喷管结构。如果这一设计能进一步优化，必将对贯通式反循环钻井技术的发展起到重要的作用。
参考文献：
[1]张祖培，殷琨.岩土钻掘工程新技术.[M].北京：地质出版社，2003
[2]殷琨，蒋荣庆.潜孔锤反循环钻进技术及其应用[J].探矿工程[岩土钻掘工程]，1996
[3]张祖培.勘探孔空气钻进.地质出版社 1988.
[4]蒋荣庆，殷琨.气动贯通式潜孔锤反循环连续取心（样）钻具系统研制及使用效果.地质与勘探.1996
[5]胡振阳 潜孔锤反循环钻进技术在河南栾川钼矿复杂地层中的试验与理论研究
[6]李海军 喷射器性能、结构及特殊流动现象研究
论文作者:李佳
论文发表刊物:《基层建设》2019年第3期
论文发表时间:2019/4/26
标签：喷管论文; 超音速论文; 气流论文; 截面论文; 拉瓦尔论文; 声速论文; 气体论文; 《基层建设》2019年第3期论文;