非淹没射流条件下自激振荡脉冲射流喷嘴试验研究

　　自激振荡脉冲射流是一种利用流体动力学，水力学流体共振和液体弹性的原理而发展起来的一种新型高效脉冲射流。它不需要激振源，无运动件的密封，而是依靠喷嘴的自身结构特性(自激振荡腔室和特殊的边界条件) 使通过喷嘴的射流变为自激振荡脉冲射流。应用该理论研制出石油钻井用自激振荡脉冲射流喷嘴，在不需要任何辅助装置的条件下直接放在现行钻头的水眼内。大大提高了钻井速度中原、四川、大庆、塔里木等 8 个油田试验的统计资料表明^{[1 3 4]}在相同条件下脉冲喷嘴钻头与普通喷嘴钻头相比 。机械钻速可提高 33.5%~70% 单只钻头进尺提高 6.7%~44.1% 采用自激振荡脉冲射流喷嘴钻头是提高机械钻速的有效方法之一。

　　1 自激振荡脉冲射流喷嘴振荡腔内压力测定

　　1.1 试验条件及过程

　　该试验是通过高压清洗机(高压清洗机的压力与流量是可调)将一定压力与流量的压力水， 经连接管与自激振荡喷嘴相连，在振荡腔内布置了 6 个测试点。并在每个测试点上安装了一个压力传感器，将压力传感器的连接线与动态测试及信号分析系统相连其原理图见图 1

　　首先启动电机电源，通过齿轮减速箱，将电机的旋转速度传递给高压清洗机上的皮带轮旋转。从而驱使高压清洗机的柱塞泵做往复直线运动在开启电机电源前，先启动离心式水泵。让离心式水泵正常工作给高压清洗机提供水源。当高压清洗机的柱塞泵做往复直线运动时，就将由离心式水泵所提供的低压水转化为高压水。并通过连接管将高压清洗机提供的压力水输送到自激振荡喷嘴这里我们可以通过动态测试及信号分析系统分析在振荡腔内6 个测试点上压力传感器所获得的信号。其压力振荡波形如图 2。

　　1.2 试验数据分析

　　由图2 的测试结果可以看出1 点位于分离区附近，是扰动波反馈造成涡旋分离的区域。故其压力开始波动 2 3 4 点位于静止区，压力小且波动不大5 6 点位于涡旋与碰撞壁相互作用的区域。故其压力波动幅度大通过对不同测点压力的测定，说明了旋涡聚合相互作用，当射流与碰撞壁相互作用后产生向上游传播的扰动波。这些扰动波在上喷嘴出口附近分离区产生具有一定周期的涡结构向上游传播的波与向下游传播的波相位相同，当他们配对形成时 初始不稳定波的频率高于下游不稳定波的频率此二种波的相位不可能一致 下游低频波将使上游喷嘴出口处的剪切层发生变形 使一系列的高频不稳定波结合在一起。由剪切层诱发低频扰动波与高频扰动波叠合在一起，随着压力波一块向下游传递，在极短的时间内涡旋结构强烈的聚合在一起。使得高频扰动波很快衰减从图5 图6 可以看出低频波的正峰值上的高频波的幅值大于低频波负峰值上的幅值，这表明了旋涡聚合的相互作用以及旋涡配对频率减小。