斜螺旋式旋轉(zhuǎn)空化噴嘴性能仿真研究

基金項(xiàng)目：西華大學(xué)人才引進(jìn)項(xiàng)目“小井眼側(cè)鉆單牙輪PDC鉆頭設(shè)計(jì)理論研究”（Z17119-0303）；邵陽(yáng)學(xué)院研究生科研創(chuàng)新項(xiàng)目“空化射流噴嘴性能研究及結(jié)構(gòu)優(yōu)化”（CX2023SY081）；邵陽(yáng)維克液壓股份有限公司企業(yè)橫向項(xiàng)目“高壓空化射流噴嘴設(shè)計(jì)與性能研究”（2023HX46）。

針對(duì)旋轉(zhuǎn)空化噴嘴（Spin Cavitation Nozzle，SCN）開采天然氣水合物時(shí)能耗高、效率低的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種斜螺旋式旋轉(zhuǎn)空化噴嘴（Oblique Spiral type Spin Cavitation Nozzle，OSSCN）。基于CFD方法，對(duì)OSSCN、SCN以及收縮-擴(kuò)張型噴嘴（Contraction-Dilatation Cavitation Nozzle，CDCN）進(jìn)行性能對(duì)比分析。仿真分析結(jié)果表明：與CDCN相比，OSSCN和SCN流場(chǎng)中空化泡的分布更廣泛、空化性能更優(yōu)，且對(duì)水合物碎片有著更強(qiáng)的卷吸能力;與SCN相比，OSSCN在水合物壁面處產(chǎn)生的液壓沖擊能量更大，其徑向流速更高，對(duì)水合物壁面產(chǎn)生的沖蝕效果更佳； OSSCN的斜螺旋葉輪結(jié)構(gòu)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(xiàn)出高效節(jié)能的優(yōu)勢(shì)。該設(shè)計(jì)可為空化射流鉆水平井+襯管完井技術(shù)的商業(yè)化應(yīng)用提供技術(shù)支持。

空化射流鉆井；旋轉(zhuǎn)空化噴嘴;斜螺旋面；天然氣水合物;計(jì)算流體力學(xué);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(guó)南海的天然氣水合物第二輪試驗(yàn)開采成功，其產(chǎn)氣量刷新了世界紀(jì)錄^［1］。然而，天然氣水合物不同于常規(guī)化石能源，其儲(chǔ)層結(jié)構(gòu)多為膠結(jié)或松散巖架支撐，若采用傳統(tǒng)完井方法對(duì)其進(jìn)行開采，易引發(fā)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(jié)晶物質(zhì)，采用機(jī)械方法開采時(shí)，機(jī)器運(yùn)行產(chǎn)生的熱量易引發(fā)水合物分解，進(jìn)而削弱礦井的穩(wěn)定性。

針對(duì)天然氣水合物開采所面臨的挑戰(zhàn)，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?？栈淞骷夹g(shù)的基礎(chǔ)是高壓水射流技術(shù)。2017年南海天然氣水合物試采工程中成功運(yùn)用了固態(tài)流化法^［8］，驗(yàn)證了高壓水射流開采天然氣水合物的可行性^［9-10］。王國(guó)榮等^［11-12］依據(jù)天然氣水合物試采工程的數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)了一種用于開采水合物的水射流噴嘴，并優(yōu)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(shù)量及水力參數(shù)對(duì)水合物開采效率的影響，設(shè)計(jì)了一種直旋混合噴嘴。CHEN C.等^［14］和潘棟彬等^［15］利用數(shù)值模擬研究了不同流速、噴距及噴嘴結(jié)構(gòu)下，高壓水射流對(duì)水合物的破碎效果。這些關(guān)于高壓水射流技術(shù)的研究為空化噴嘴的設(shè)計(jì)應(yīng)用提供了重要參考。

隨著天然氣水合物試采的成功，有關(guān)空化噴嘴的研究大量出現(xiàn)。空化噴嘴利用特殊結(jié)構(gòu)激發(fā)空化，并通過(guò)空化泡的潰滅產(chǎn)生液壓脈動(dòng)，進(jìn)而增強(qiáng)射流破巖能力^［16］。李根生等^［17-18］設(shè)計(jì)了自激振蕩空化噴嘴，該噴嘴成功應(yīng)用于油田現(xiàn)場(chǎng)，應(yīng)用效果明顯。唐川林等^［19］通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)提高了自激振蕩空化噴嘴的破巖效率。彭可文^［20］設(shè)計(jì)了收縮-擴(kuò)張型空化噴嘴（Contraction-Dilatation Cavitation Nozzle，CDCN），并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了CDCN破碎水合物的性能優(yōu)勢(shì)。在CDCN的基礎(chǔ)上，張逸群等^［10］設(shè)計(jì)了旋轉(zhuǎn)空化噴嘴（Spin Cavitation Nozzle，SCN），并驗(yàn)證了SCN的強(qiáng)大卷吸能力以及出色的沖蝕性能。武曉亞等^［21］也對(duì)SCN的葉輪進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究。

然而，優(yōu)化后的SCN仍保留了葉輪軸。從結(jié)構(gòu)上看，葉輪軸并非必要，而從流體力學(xué)角度看，葉輪軸可能會(huì)增加液阻，進(jìn)而降低噴嘴的性能。為驗(yàn)證這一猜想，筆者設(shè)計(jì)了一種斜螺旋式旋轉(zhuǎn)空化噴嘴（Oblique Spiral type Spin Cavitation Nozzle，OSSCN），并基于CFD方法，對(duì)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(yàn)證OSSCN在無(wú)葉輪軸條件下的性能優(yōu)勢(shì)。

1 空化射流流場(chǎng)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(chǔ)層中鉆出水平井眼，同時(shí)通過(guò)留置多孔襯管的方式加固井眼，防止礦井坍塌。與傳統(tǒng)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(wǎng)格劃分

CDCN的結(jié)構(gòu)如圖1b所示。其基本結(jié)構(gòu)分為收縮段、吼道段和擴(kuò)張段，采用文獻(xiàn)［20］中優(yōu)化的CDCN結(jié)構(gòu)。

SCN的結(jié)構(gòu)如圖1c所示。其基本結(jié)構(gòu)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(gòu)成，葉輪賦予了噴嘴出色的卷吸能力，并增強(qiáng)了其對(duì)砂的沖蝕能力^［10］，采用文獻(xiàn)［21］中優(yōu)化的SCN結(jié)構(gòu)。

SCN的葉輪如圖2a所示。對(duì)其去軸設(shè)計(jì)后得到如圖2b所示的無(wú)軸葉輪。為進(jìn)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(jìn)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(jié)構(gòu)，其中心流道直徑設(shè)為0.5d、螺旋面傾角為30°，其余設(shè)計(jì)尺寸均出自文獻(xiàn)［20］與文獻(xiàn)［21］，其中特征參數(shù)d =1 mm。圖2e為OSSCN的實(shí)物圖。

OSSCN的基本工作原理為：高壓流體流經(jīng)葉輪結(jié)構(gòu)時(shí)，獲得較高的切向流速；在流經(jīng)收縮段時(shí)增壓，獲得較高的軸向流速，最后在擴(kuò)張段的出口處產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)空化射流。旋轉(zhuǎn)空化射流具有較高的切向流速，可引發(fā)切向渦流，對(duì)水合物碎片產(chǎn)生“卷吸”作用，同時(shí)增強(qiáng)了空化效果。

圖3展示了空化噴嘴的幾何模型結(jié)構(gòu)與網(wǎng)格模型（網(wǎng)格劃分）。

其中，幾何模型包括噴嘴和外部流場(chǎng)，為降低計(jì)算域邊界對(duì)流場(chǎng)特性的影響，空化噴嘴的外部流場(chǎng)設(shè)為直徑d₁=30d、高度h₁=30d的大圓柱體。外部流場(chǎng)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(chǎng)的頂面及側(cè)面設(shè)為恒壓出口。

網(wǎng)格模型為結(jié)構(gòu)化的六面體網(wǎng)格，考慮到噴嘴及壁面處速度梯度較大，對(duì)該區(qū)域的網(wǎng)格進(jìn)行局部加密，并劃分5層邊界層。

1.2 控制方程

（1）流動(dòng)模型?？栈淞鞯臄?shù)值模擬研究依賴于連續(xù)性方程和動(dòng)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(xù)性方程和動(dòng)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(zhì)量力，N/kg；為哈密頓算子。

（2）湍流模型。姚立明等^［22］驗(yàn)證了RNG k-ε湍流模型在空化噴嘴數(shù)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(shù)C^*_1ε進(jìn)一步展開為：

式中：k為湍動(dòng)能，m²/s²；ε為湍動(dòng)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(duì)湍動(dòng)能k的影響而引入的修正項(xiàng)，Pa/s；α_k、α_ε、C_1ε、C_2ε、C_μ、η₀及β均為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，參考文獻(xiàn)［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(wěn)定的壓力場(chǎng)模擬能力以及易于收斂的特點(diǎn)^［24］，被認(rèn)為是模擬孔內(nèi)空化現(xiàn)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(chǎng)；Eulerian模型的穩(wěn)定性與計(jì)算效率較低；而Mixture模型在模擬大規(guī)?；旌狭鲌?chǎng)時(shí)更為精確，且具有較高的計(jì)算效率^［26］?？紤]到空化射流是一種各相混雜的復(fù)雜流場(chǎng)，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(chǎng)的入口設(shè)為恒速入口，出口設(shè)為恒壓出口。根據(jù)天然氣水合物的試采經(jīng)驗(yàn)^［27-28］，流場(chǎng)的入口流速設(shè)為25 m/s，出口壓力設(shè)為0.1 MPa，其余邊界設(shè)為無(wú)滑移壁面^［21］。圖4展示了用于后處理的坐標(biāo)系統(tǒng)。其中：豎直截面1穿過(guò)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(zhǎng)36 mm，黃色水平線長(zhǎng)3 mm，紅色相交線長(zhǎng)15 mm。

2 結(jié)果與分析

2.1 空化性能對(duì)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(chǎng)中的氣相均呈現(xiàn)對(duì)稱分布。當(dāng)流體從吼道流入擴(kuò)張段時(shí)，由于流道截面的增大，壓力會(huì)相應(yīng)降低，從而引發(fā)空化現(xiàn)象。在CDCN的流場(chǎng)中，空泡主要沿?cái)U(kuò)張段壁面分布，且大部分空化泡在擴(kuò)張段內(nèi)潰滅；而SCN與OSSCN的空化泡呈紡錘形，主要分布于擴(kuò)張段中部，且這2種噴嘴的空化泡大多會(huì)超出噴嘴，在外部流場(chǎng)潰滅。顯然，SCN與OSSCN的流場(chǎng)中空化泡含量更高且分布更廣泛，而空化泡潰滅產(chǎn)生的壓力脈動(dòng)進(jìn)而增強(qiáng)射流，因此這2種噴嘴的空化能力更強(qiáng)。CDCN的空化機(jī)理與水錘效應(yīng)類似，即當(dāng)流道截面增大時(shí)，由于流體的慣性，在流道壁面處產(chǎn)生局部低壓，從而引發(fā)空化；SCN與OSSCN的空化機(jī)理則與之不同，其通過(guò)螺旋葉輪產(chǎn)生切向渦流，進(jìn)而在軸線處造成低壓，從而引發(fā)空化，顯然后者產(chǎn)生的空化效果更強(qiáng)。

圖6展示了3種空化噴嘴的軸向（對(duì)應(yīng)圖4中綠色直線）和徑向（對(duì)應(yīng)圖4中黃色直線）含氣體積分?jǐn)?shù)。

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?jǐn)?shù)與SCN相差不大，因此葉輪軸結(jié)構(gòu)在空化性能方面并非必要項(xiàng)。由圖6b可知：由于OSSCN與SCN的流場(chǎng)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(jī)制；相比之下，CDCN的軸向和徑向中部含氣體積分?jǐn)?shù)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?jǐn)?shù)為61%，而SCN的出口中心含氣體積分?jǐn)?shù)高達(dá)94%，OSSCN的出口中心含氣體積分?jǐn)?shù)也達(dá)到了92%。因此，2種旋轉(zhuǎn)空化噴嘴的空化性能明顯優(yōu)于CDCN，而OSSCN與SCN的空化性能相近。

2.2 沖蝕性能對(duì)比

空化射流的沖蝕性能包括對(duì)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(guò)圖4中截面1上的軸向流速云圖進(jìn)行分析，切向沖蝕性能通過(guò)截面2上的徑向流速云圖進(jìn)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(chǎng)的軸向流速分布相似，其分布帶的長(zhǎng)度及寬度大致相同；三者軸向流速分布的區(qū)別主要體現(xiàn)在噴嘴的擴(kuò)張段，具體來(lái)說(shuō)，CDCN的軸向流速呈舌形分布，其擴(kuò)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(zhuǎn)空化噴嘴軸向流速較高的區(qū)域主要分布于擴(kuò)張段壁面，且其高速區(qū)的分布范圍更廣。圖8展示了3種空化射流流場(chǎng)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?。?種空化噴嘴的徑向流速分布存在差異，其中OSSCN的高速區(qū)分布范圍最廣。

圖9為軸向流速與徑向流速的量化結(jié)果，其數(shù)據(jù)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(dá)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(zhuǎn)空化噴嘴的峰值較高。在軸向流速達(dá)到峰值后，CDCN的軸向流速保持穩(wěn)定，而SCN與OSSCN的軸向流速持續(xù)衰減；當(dāng)流體流出擴(kuò)張段時(shí)，3種噴嘴的軸向流速基本相同。在外部流場(chǎng)中，3種噴嘴的軸向流速衰減規(guī)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(chǎng)軸線（y=0）約3 mm處達(dá)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(chǎng)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(duì)水合物壁面的沖刷效果，因此OSSCN較另外2種噴嘴具有更強(qiáng)的水合物沖蝕能力。

2.3 卷吸性能對(duì)比

空化噴嘴的卷吸性能隨著SCN的出現(xiàn)而被關(guān)注，評(píng)估卷吸性能的主要指標(biāo)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(chǎng)中幾乎不存在切向流，而SCN與OSSCN的流場(chǎng)則呈現(xiàn)出顯著的切向流。在水合物沖蝕坑形成的初期，切向流通過(guò)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(shí)，高速旋轉(zhuǎn)的切向流不僅有助于破碎水合物，其產(chǎn)生的離心力還能通過(guò)“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(guò)程中，巖砂破碎產(chǎn)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(jìn)而提高開采效率。

圖11為3種空化噴嘴切向流速的量化結(jié)果，數(shù)據(jù)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(duì)較低，卷吸效果不明顯。

2.4 能耗對(duì)比

在油氣鉆頭的設(shè)計(jì)過(guò)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(yōu)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(yīng)，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(dāng)液流進(jìn)入收

縮段后，流速上升導(dǎo)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(shù)值代入式（4）得：入口流速為25 m/s時(shí)，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?jǐn)?shù)、液源功率以及軸向、徑向、切向流速峰值的對(duì)比情況。

由圖14可知：在入口流速相同的條件下，SCN與OSSCN流場(chǎng)中的各向流速峰值及含氣體積分?jǐn)?shù)相差不大。然而，OSSCN所需的液源功率僅為SCN的61%，實(shí)現(xiàn)了39%的節(jié)能。不難看出：SCN的葉輪軸結(jié)構(gòu)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(guò)舍去葉輪軸并斜置葉片母線的設(shè)計(jì)，有效減小了噴嘴的液阻。

3 結(jié) 論

（1）斜螺旋式旋轉(zhuǎn)空化噴嘴在對(duì)天然氣水合物進(jìn)行射流沖蝕的同時(shí)產(chǎn)生空化沖蝕，與收縮-擴(kuò)張型噴嘴相比具有更出色的沖蝕效果，與普通旋轉(zhuǎn)空化噴嘴相比具有更低的能耗。

（2）斜螺旋式旋轉(zhuǎn)空化噴嘴的空化效果與普通旋轉(zhuǎn)空化噴嘴相差不大，且二者對(duì)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(kuò)張型噴嘴幾乎不產(chǎn)生切向流。

（3）斜螺旋式旋轉(zhuǎn)空化噴嘴省去了葉輪軸，相當(dāng)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(chǎn)生更高的徑向流速，從而增強(qiáng)沖蝕效果。

（4）斜螺旋式旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)空化噴嘴的空化、沖蝕及卷吸性能相差無(wú)幾，然而其所需功率僅為138.9 W，相較于普通旋轉(zhuǎn)空化噴嘴節(jié)省了約39%的能源。

參考文獻(xiàn)

［1］ 葉建良，秦緒文，謝文衛(wèi)，等．中國(guó)南海天然氣水合物第二次試采主要進(jìn)展［J］．中國(guó)地質(zhì)，2020，47（3）：557-568．

YE J L，QIN X W，XIE W W，et al. Main progress of the second gas hydrate trial production in the South China Sea［J］. Geology in China，2020，47（3）： 557-568.

［2］ 劉景超，王金龍，武宇?。悄芡昃轮悄芑孜灰票O(jiān)測(cè)系統(tǒng)研制［J］．石油機(jī)械，2023，51（2）：1-8．

LIU J C，WANG J L，WU Y C. Development of position monitoring system of downhole intelligent flow control valves for intelligent well completion［J］. China Petroleum Machinery，2023，51（2）： 1-8.

［3］ 加瑞，許敬明，郝岱恒，等．儲(chǔ)層和開采參數(shù)對(duì)天然氣水合物開采產(chǎn)能的影響分析［J］．海洋地質(zhì)與第四紀(jì)地質(zhì)，2023，43（6）：202-216．

JIA R，XU J M，HAO D H，et al. The influence of reservoir and exploitation parameters on production capacity of gas hydrate［J］. Marine Geology amp; Quaternary Geology，2023，43（6）： 202-216.

［4］ 王旱祥，許傳寶，于長(zhǎng)錄，等．天然氣水合物氣液分離方案設(shè)計(jì)與樣機(jī)試制［J］．石油機(jī)械，2022，50（7）：72-79．

WANG H X，XU C B，YU C L，et al. Gas-liquid separation scheme design and prototype manufacturing for natural gas hydrate［J］. China Petroleum Machinery，2022，50（7）： 72-79.

［5］ 李琦鈺，張巖松，葉穎．隔熱套管下入深度對(duì)天然氣水合物的抑制分析［J］．石油機(jī)械，2021，49（1）：64-71．

LI Q Y，ZHANG Y S，YE Y. Analysis on the inhibition effect of the setting depth of insulation casing on natural gas hydrate［J］. China Petroleum Machinery，2021，49（1）： 64-71.

［6］ 李根生，史懷忠，沈忠厚，等．水力脈沖空化射流鉆井機(jī)理與試驗(yàn)［J］．石油勘探與開發(fā)，2008，35（2）：239-243．

LI G S，SHI H Z，SHEN Z H，et al. Mechanisms and tests for hydraulic pulsed cavitating jet assisted drilling［J］. Petroleum Exploration and Development，2008，35（2）： 239-243.

［7］ 李根生，田守嶒，張逸群．空化射流鉆徑向井開采天然氣水合物關(guān)鍵技術(shù)研究進(jìn)展［J］．石油科學(xué)通報(bào)，2020，5（3）：349-365．

LI G S，TIAN S C，ZHANG Y Q. Research progress on key technologies of natural gas hydrate exploita-tion by cavitation jet drilling of radial wells［J］. Petroleum Science Bulletin，2020，5（3）： 349-365.

［8］ 李慶超，王威，王義頃，等．水合物儲(chǔ)層鉆井水合物分解及井眼坍塌分析［J］．石油機(jī)械，2021，49（6）：43-50．

LI Q C，WANG W，WANG Y Q，et al. Hydrate dis-sociation and wellbore collapse analysis in hydrate reservoir drilling［J］. China Petroleum Machinery，2021，49（6）： 43-50.

［9］ 黃滿，吳亮虹，寧伏龍，等．天然氣水合物儲(chǔ)層改造研究進(jìn)展［J］．天然氣工業(yè)，2022，42（7）：160-174．

HUANG M，WU L H，NING F L，et al. Research progress in natural gas hydrate reservoir stimulation［J］. Natural Gas Industry，2022，42（7）： 160-174.

［10］ 張逸群，武曉亞，李根生，等．天然氣水合物旋轉(zhuǎn)空化射流沖蝕性能研究［J］．中南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2022，53（3）：909-923．

ZHANG Y Q，WU X Y，LI G S，et al. Study on erosion performance of swirling cavitating jet for natural gas hydrate［J］. Journal of Central South University（Science and Technology），2022，53（3）： 909-923.

［11］ 王國(guó)榮，鐘林，周守為，等．天然氣水合物射流破碎工具及其配套工藝技術(shù)［J］．天然氣工業(yè)，2017，37（12）：68-74．

WANG G R，ZHONG L，ZHOU S W，et al. Jet breaking tools for natural gas hydrate exploitation and their support technologies［J］. Natural Gas Industry，2017，37（12）： 68-74.

［12］ 王國(guó)榮，黃蓉，鐘林，等．固態(tài)流化采掘海洋天然氣水合物藏破碎參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］．天然氣工業(yè)，2018，38（10）：84-89．

WANG G R，HUANG R，ZHONG L，et al. An optimal design of crushing parameters of Marine gas hydrate reservoirs in solid fluidization exploitation［J］. Natural Gas Industry，2018，38（10）： 84-89.

［13］ TANG Y，SUN P，WANG G R，et al. Rock-breaking mechanism and efficiency of straight-swirling mixed nozzle for the nondiagenetic natural gas hydrate in deep-sea shallow［J］. Energy Science amp; Engineering，2020，8（10）： 3740-3752.

［14］ CHEN C，PAN D，YANG L，et al. Investigation into the water jet erosion efficiency of hydrate-bearing sediments based on the arbitrary lagrangian-eulerian method［J］. Applied Sciences，2019，9（1）： 182.

［15］ 潘棟彬，陳晨，楊林，等．水射流破碎南海含水合物沉積物數(shù)值模擬研究［J］．探礦工程（巖土鉆掘工程），2018，45（10）：27-31．

PAN D B，CHEN C，YANG L，et al. Physical simulation experiment system for jet erosion of natural gas hydrate［J］. Exploration Engineering（Rock amp; Soil Drilling and Tunneling），2018，45（10）： 27-31.

［16］ 周傳喜，陳偉華，潘忠義，等．脈沖對(duì)空化射流影響機(jī)理研究［J］．石油機(jī)械，2022，50（11）：30-36，42．

ZHOU C X，CHEN W H，PAN Z Y，et al. Influen-ce mechanism of pulse on the cavitation jet［J］. China Petroleum Machinery，2022，50（11）： 30-36，42.

［17］ 李根生，沈忠厚，周長(zhǎng)山，等．自振空化射流研究與應(yīng)用進(jìn)展［J］．中國(guó)工程科學(xué)，2005，7（1）：27-32．

LI G S，SHEN Z H，ZHOU C S，et al. Advances in investigation and application of self-resonating cavitating water jet［J］. Strategic Study of CAE，2005，7（1）： 27-32.

［18］ 馬東軍，李根生，史懷忠，等．水力脈沖空化射流發(fā)生器參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)研究［J］．石油機(jī)械，2009，37（12）：9-11．

MA D J，LI G S，SHI H Z，et al. An experimental study of the parametric optimization of the hydro-pulse cavitation jet generator［J］. China Petroleum Machinery，2009，37（12）： 9-11.

［19］ 唐川林，廖振方．石油鉆井鉆頭用自激振蕩噴嘴的研究［J］．石油學(xué)報(bào)，1993（1）：124-130．

TANG C L，LIAO Z F. A study on self-excited oscillation nozzle for a drill bit［J］. Acta Petrolei Sinica，1993（1）： 124-130.

［20］ 彭可文．圍壓下自振空化射流空化發(fā)生能力與沖蝕性能研究［D］．北京：中國(guó)石油大學(xué)（北京），2018．

PENG K W. Cavitation inception and erosive potential for self-resonating cavitating jets under ambient pres-sure conditions［D］. Beijing： China University of Petroleum（Beijing）2018.

［21］ 武曉亞，張逸群，趙帥，等．旋轉(zhuǎn)空化噴嘴結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)及渦旋特性分析［J］．中南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2023，54（4）：1500-1517．

WU X Y，ZHANG Y Q，ZHAO S，et al. Optimization design and vortex characteristics analysis of swirling cavitating nozzle［J］. Journal of Central South University（Science and Technology），2023，54（4）： 1500-1517.

［22］ 姚立明，趙怡，李大尉，等．幾種空化噴嘴流場(chǎng)的數(shù)值模擬［J］．節(jié)能技術(shù)，2015，33（1）：20-24．

YAO L M，ZHAO Y，LI D W，et al. Research on the shape of cavitating spray head［J］. Energy Conservation Technology，2015，33（1）： 20-24.

［23］ 奉虎，楊永印，王艷濤，等．低壓縮擴(kuò)形噴嘴空化射流數(shù)值模擬及試驗(yàn)研究［J］．石油機(jī)械，2018，46（4）：55-59．

FENG H，YANG Y Y，WANG Y T，et al. Numerical simulation and experimental study on cavitation jet of low-pressure converging expanding nozzle［J］. China Petroleum Machinery，2018，46（4）： 55-59.

［24］ 張楚謙，陳勇剛，趙梁．基于大渦模擬方法的可壓縮空化流流場(chǎng)數(shù)值模擬分析［J］．廣東化工，2024，51（4）：65-68．

ZHANG C Q，CHEN Y G，ZHAO L. Numerical simulation of compressible cavitation flow field based on large eddy simulation method［J］. Guangdong Chemical Industry，2024，51（4）： 65-68.

［25］ 王天宇，李興，張昆明，等．亥姆霍茲自振空化裝置流場(chǎng)特性的數(shù)值模擬［J］．廣西科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2021，32（1）：1-11，18．

WANG T Y，LI X，ZHANG K M，et al. Numerical simulation of flow field characteristics of Helmholtz self-oscillating cavitation device［J］. Journal of Guangxi University of Science and Technology，2021，32（1）： 1-11，18.

［26］ CHEN Y Z，HU Y H，ZHANG S L. Structure optimization of submerged water jet cavitating nozzle with a hybrid algorithm［J］. Engineering Applications of Computational Fluid Mechanics，2019，13（1）： 591-608.

［27］ 魏納， 白睿玲， 周守為， 等. 碳達(dá)峰目標(biāo)下中國(guó)深海天然氣水合物開發(fā)戰(zhàn)略［J］. 天然氣工業(yè)， 2022， 42（2）： 156-165.

WEI N， BAI R L， ZHOU S W， et al. China’s deepwater gas hydrate development strategies under the goal of carbon peak［J］. Natural Gas Industry， 2022， 42（2）： 156-165.

［28］ 趙小龍， 王增林， 趙益忠， 等. 天然氣水合物水平井降壓開采多相滲流-傳熱-力學(xué)耦合數(shù)值模擬：方法和南海場(chǎng)地應(yīng)用［J］. 天然氣工業(yè)， 2022， 42（3）： 138-149.

ZHAO X L， WANG Z L， ZHAO Y Z， et al. Coupled thermal-hydrodynamic-mechanical numerical simulation of natural gas hydrate horizontal well depressurization production： method and application in South China Sea［J］. Natural Gas Industry， 2022， 42（3）： 138-149.

第一作者簡(jiǎn)介：陳效平，講師，碩士生導(dǎo)師，生于1978年，2019年畢業(yè)于中南大學(xué)機(jī)械工程專業(yè)，獲博士學(xué)位，現(xiàn)從事天然氣鉆井完井裝備的教學(xué)及研究工作。地址：（422099）湖南省邵陽(yáng)市。email：chenxping99@163.com。