【正文】 流中的應用。[39]近年來，安徽理工大學水射流研究所對旋轉水射流進行了大量的理論和實驗研究，初步找到旋轉射流的結構特性及其變化規(guī)律，揭示了其獨特的破巖鉆孔機理，并成功地實驗臺上進行了多次旋轉射流水平鉆孔的試驗，展示了旋轉水射流應用的一個很有發(fā)展?jié)摿Φ男路较?。直?0年代末，Dickson等人設計利用了多噴嘴組合鉆頭和錐形單噴嘴鉆頭，成功地進行了水平井眼的鉆進，才促進了水射流鉆長連續(xù)孔眼技術的發(fā)展。所以，人類迫切需要技術含量高、低耗、高效的采礦方法來緩解這一危機。徑向水平井鉆井技術通過高壓水射流破巖，在生產層直接鉆出多口輻射狀分布的水平井網，達到高效開發(fā)低滲油氣藏、改造老油田和提高原油采收率的目的，在我國東部油田開發(fā)中具有良好的應用前景和強大的生命力。[22][23] 旋轉射流鉆井技術是高壓水射流技術在石油鉆井中的一個具體應用。鉆井液射流的作用，不僅能使巖屑沖離井底，而且在一定條件下可直接破碎巖石，這一理論己被噴射鉆井的實踐所證明。如下圖： 2. 調壓閥 3. 混合室 4. 旁路截止閥 5. 卸壓閥 6. 磨料罐 7. 磨料截止閥 8. 高壓截止閥 9. 砂漿泵 10. 水砂輸送兩用閥 11. 磨料斗 12. 篩框 13. 旋轉錐型噴頭 14. 工件 15. 工作臺圖1 前混合式旋轉錐型磨料射流發(fā)生裝置 Fig1 The equipment former mixing whirling cone abrasive water jet圖2是安徽理工大學前混合式磨料水射流數(shù)控系統(tǒng)實物圖；這套系統(tǒng)的工作特點是：從泵站出來的高壓水，一股通往磨料罐的上部；一股通往混合室。 圖2 前混合磨料射流數(shù)控系統(tǒng)實物圖 Fig2 The practicality of system former mixing abrasive water jet 發(fā)生裝置應具有的功能磨料射流發(fā)生裝置是切割機床的核心技術所在（見圖3）。(3)磨料的供給量（磨料濃度）可以方便地進行調節(jié)、控制。罐口采用熱滾一次成型工藝，沒有焊封，耐壓強度高。首先，從磨料罐底部通過分流管路引入部分高壓水進入罐內的局部漿化裝置，與罐底部的磨料進行混合；由此形成磨料與水的局部漿化。分流管路中水流量的多少決定了磨料濃度的大小。為此從磨料罐頂部引出一手動卸壓裝置，當啟動高壓水泵向罐內注水時，開啟手動卸壓裝置；在卸壓裝置出水后即可關閉，此時表明罐內已無存留空氣。⑵能對潮濕的磨料進行篩分，這樣可以直接復用噴射出的磨料，減低切割成本。篩框的往復次數(shù)在考慮篩分效率和動載荷大小等因素的情況下，根據(jù)多次試驗的結果。篩網以一定的深度淹沒在水中，以保證能夠進行濕式篩分。在一定的壓力下，磨料罐的壁厚與直徑成正比，因而為了制造方便，其容積的大小一般不采用增減直徑而采用增減高度來實現(xiàn)。針對上述情況，經研究和多次實驗，決定采用漿體灌裝方式來實現(xiàn)磨料的裝加。使采用靜水漿化是磨料灌裝系統(tǒng)的技術創(chuàng)新點。此閥為一兩位三通轉閥，閥的工位有兩個，一位為供砂位，用于向砂漿泵供放砂漿；另一位為供放清水位，用作灌裝系統(tǒng)的清理。該截止閥要求在截止狀態(tài)時能承受高壓，低壓導通時能輸送砂漿，既要有密封性又要有耐磨性。設計規(guī)定，此閥在磨料罐卸壓后進行操作。射流的打擊面隨噴距的增加迅速增大，從而可滿足在較小噴距內鉆出較大孔徑的要求。后來多以下式定義的旋度S來表征旋動程度 ： （31）式中為噴口半徑，為角動量，二為壓力與軸向動量之和。如果流體運動時質點有旋轉運動，則稱流體的運動是有旋流動或有渦流動。如果流動又是恒定的，那么流體質點一面沿流線前進，一面又以流線的切線為旋轉軸作旋轉運動。 流槽加旋段內流體運動的描述流槽加旋段內的流體是在加旋元件的螺旋形流道內流動的。對于軸對稱流動形式，一般用圓柱坐標進行研究較為方便，因而我們可采用圓柱坐標對螺旋流道內的流體運動進行分析。此時，流體受到地機械強制導向作用減小，流體動力學作用增強。4 旋轉錐形磨料射流的實驗分析4 旋轉錐形磨料射流的實驗分析 旋轉射流鉆孔的基本理論隨著鉆井技術的發(fā)展和油田開采的需要,尤其是徑向水平井的快速發(fā)展,水力直接破巖和機械輔助破巖,越來越受到人們的重視,使用水力能量直接破碎巖石且形成較大孔徑的連續(xù)孔眼,是目前急待解決的問題。其中，拉伸—水楔破巖和密實核—劈拉破巖學說水射流破巖理論研究中獲得較多認可。裂隙初步形成和匯交后，水射流將進入裂隙的空間，在裂隙尖端產生拉應力集中，使裂隙迅速發(fā)展和擴大，致使巖石破裂，形成圓柱狀沖擊坑或漏斗坑。當拉應力超過巖石的抗拉強度時，巖石壁面上將出現(xiàn)徑向裂隙。但該理論只定性地說明了水射流沖擊巖石產生的應力場性質，而沒有具體指出裂隙出現(xiàn)的位置及方向。簡單運用靜態(tài)理論來解釋脈沖射流的動態(tài)破巖過程必將帶來較大偏差，因而該理論較為粗糙，對水射流的破巖研究只起定性指導作用。[29]在鉆孔試驗過程中，磨料粒子實現(xiàn)對靶體的沖蝕，而高壓水則不斷地將試件碎屑攜帶走，同時產生一定的水楔作用加速破碎過程! 由于旋轉錐形磨料射流的芯部是一空心錐，因而隨著噴頭的不斷進給必然在靶體的中心留下錐形狀的實體! 錐形狀實體的存在，促使附壁射流區(qū)的液體全部向孔壁方向流動，實現(xiàn)對孔壁的沖蝕，這對于擴大孔徑極為有利！ 被錐形射流所包圍的錐形狀實體則將在噴頭不斷地進給中受到射流中磨料粒子的沖蝕和磨削! 如果此時采用合適流槽數(shù)的加旋元件，就可使磨料粒子均勻地分布在射流的環(huán)形斷面上，于是整個鉆孔就會在孔底部受到射流沖擊作用形成凹坑；孔壁受到附壁射流的沖蝕得以擴孔；孔芯部錐形實體受到射流內錐面的沖蝕、磨削不斷向下移動這三種作用狀態(tài)下，形成具有一定孔徑且孔底芯部留有一錐形狀實體的孔眼形狀! 以上三種作用狀態(tài)可在一定的鉆進速度范圍自動地達到平衡！ 如圖1所示，如果在加旋體的中心部分轉一個直徑為2mm的通孔，則這種錐形狀實體將不存在。該理論經實驗修正指出切槽深度按下式變化。只在某些特定的條件下實驗值才與Crow的理論值相符，而在其他情況下則存在較大偏差。破巖的條件是晶粒間的靜水壓力必須克服晶粒間的內聚力。圖2 試塊及制作模具Fig2 Experimental specimen為保證試件硬度達到石油鉆井巖石的硬度，該試件在使用前在力學試驗室，用壓力試驗設備做強度測試，證明其強度達到現(xiàn)場實際要求；如下圖： 30圖3 試塊壓裂實驗照Fig3 Pressure experiment of specimen使用的旋轉磨料射流鉆孔試驗系統(tǒng)，是自行開發(fā)研制的數(shù)控切割系統(tǒng)，由磨料射流發(fā)生裝置、篩分系統(tǒng)及數(shù)控系統(tǒng)等組成，其原理如下圖所示： 圖4 旋流磨料射流鉆孔試驗系統(tǒng)原理圖Fig4 The principle of whirling water jetting drilling 將噴頭及自制試件在夾具上的安裝后，開機工作穩(wěn)定，其工作狀態(tài)如下圖：圖5 旋轉射流鉆孔實驗Fig5 The experiment of whirling jet drilling該裝置通過數(shù)控系統(tǒng)以一定的速度向著試件方向推進旋轉噴嘴前行，可以得到形狀比較均勻的鉆孔。對于水射流破巖來說噴距是影響破碎效果的主要因素之一。由上述實驗數(shù)據(jù)分析可知旋轉磨料射流破巖規(guī)律如下圖所示。 不同壓力下鉆孔直徑與深度隨噴距的變化：10MPa下孔徑20MPa下孔徑　10MPa下深度　20MPa下深度 圖8 噴射條件與切割特性 Fig8 The condition of jetting and drilling property由圖可見，隨噴嘴壓降的增加，鉆孔直徑和深度都增加。則可以依據(jù)旋轉射流破巖直徑與壓力基本呈正比的關系進行推論，在噴嘴壓降達到40MPa時，鉆孔直徑應該達到噴嘴直徑的6070倍，完全可以滿足徑向水平鉆孔的要求。綜合考慮鉆孔直徑和破巖體積隨噴距的變化，噴距控制為噴嘴直徑的15～25倍鉆進效果比較理想，既能達到鉆大直徑孔眼的目的，又可以獲得高的鉆進速度。因此，對于用高壓水射流鉆超短半徑水平井技術來說，如何控制水射流鉆頭的合理的噴距非常關鍵旋轉射流具有較強的破巖能力，原因在于旋轉射流的每一質點均具有三維速度，破巖時以傾斜沖擊為主，易于在巖石表面形成拉伸和剪切破壞，且回流的干擾較少，提高了射流的能量利用率，從而提高了破巖效率。建立流場場景指繪制流場中各種物理量的分布狀況。流體運動中會形成多種結構，如激波和渦，CFD可視化要提供對此類結構的辨識。（4） 數(shù)據(jù)比較是通過提供直接的可視化比較方法促進不同CFD模擬或CFD模擬與實驗結果之間的快速比較。[40][41] CFD可視化的研究模型目前，廣泛采用的是面向數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)流模型(Data Flow Model)，在數(shù)據(jù)流模型中，濾波是從原始數(shù)據(jù)中提取感興趣的數(shù)據(jù)；映射是構造數(shù)據(jù)的幾何表示；繪制則是將數(shù)據(jù)的幾何表示轉換成可被顯示的圖像信息。同數(shù)據(jù)流模型相比較，模型中心法的建模相當于數(shù)據(jù)流模型中濾波的一部分，觀察對應于余下的部分。（3） 流 線(Streamlines), 跡線(Pathlines)、條紋線(Streaklines)和等時線(Timelines)；流場線指與矢量場相切的各種線。一股情況下，流線、跡線、條紋線是不同的，但在定常流中，它們是重合的。（4） 流面 (Streamsurfaces)、流管(Streamtubes)、流帶(Streamribbons)、流多邊形(Streampolygons)和流球(Streamballs)如果在流場中取一條開放或者閉合的曲線，對曲線上每一點都計算流線，就得到了一個流面:如果曲線是閉合的，稱之為流管。根據(jù)沿流線的多邊形的形狀變化，流多邊形能完整揭示沿流線的各種剛體平移、剛體旋轉和各種應力應變特性。粒子動畫中除使用一般的點粒子外，Stolk和Van Wijk還引入了面粒子(Surface particles)的概念。矢量場拓撲顯示整個流場的拓撲結構，冗余信息少。一種是體繪制動畫。另一類是沿特征線顯示張量數(shù)據(jù)，它可揭示張量場的整體結構，屬于這一類的有超流面及其派生的顯示方法:同時具有這兩種特點的有流管、流帶、流多邊形和流球。首先，對矢量求空間偏導數(shù)，得到三個線應變分量，三個剪切應變分量，三個旋轉分量:然后，將這九個量沿矢量方向進行分解成與矢量方向相平行方向上的變形和與矢量方向相垂直方向上的變形兩部分:最后，將與矢量方向相平行方向上的變形合成為加速度、彎曲度和剪切變化率三部分，將與矢量方向相垂直方向上的變形合成為旋轉(扭矩)和收斂一發(fā)散兩部分。如果在一幅圖像上同時顯示多個流場，則稱之為多變量數(shù)據(jù)顯示。除了多變量數(shù)據(jù)顯示之外，還要顯示多變量之間的依賴關系，如壓力怎樣隨著速度和密度而變化，這種顯示肯定。我們認為，如在一個點上顯示多變量信息，開發(fā)基于圖符(Glyph)的表示是一種理想的選擇。超流線沿軌跡完整顯示張量數(shù)據(jù)。張量探針對張量采用分解法研究，將其分解成軸對稱部分(拉伸和剪切)和非軸對稱部分(旋轉)。一類是針對某具體位置的圖符顯示。但直接的體繪制是不能同時表現(xiàn)矢量場的大小和方向特征的，矢量場體繪制的要點在于尋求矢量場方向特征的體繪制表示。（6） 矢量場拓撲(Vector Field Topology) 拓撲分析的基礎是臨界點理論。近來又發(fā)展了不基于流場線的構造算法。流面和前述的幾種線表示對于揭示矢量場的剛體平移特性很有效，而流管和流帶則還能揭示出流場沿流線的旋轉特性。它可用于觀察流場畸變、收斂、擴散等特性。跡線是流場中單個粒子的運動軌跡。[42][43] 矢量場和張量場可視化技術[44][45][46][47]（1） 矢量場可視化技術 CFD可視化中標量場的可視化技術日前研究己經相當成熟，但是矢量和張量顯示是可視化中兩個比較困難的應用方面，這主要是因為自然界中不存在表示矢量和張量數(shù)據(jù)的顯而易見可視表達方式，因此對矢量場和張量場的可視化，最主要的工作便是尋找這些數(shù)據(jù)場的簡單的、能為人們所接受的表示方式，以及數(shù)據(jù)同表示之間映射關系的構造。在模型中心法中，建模指從采樣數(shù)據(jù)構造經驗模型，此模型要與應用領域相一致，以便于數(shù)據(jù)的正確插值等處理。在后處理方式下，CFD計算和結果顯示是分開進行的，二者之間不能發(fā)生交互作用:跟蹤處理是指實時顯示計算過程，研究人員可以根據(jù)需要中止一個計算并開始下一個計算:駕馭式是計算與可視顯示的最高級結合，研究人員不僅能實時觀察到當前計算的狀態(tài)，還能進行實時干預，修改某些參數(shù)，讓計算從某一指定的位置開始執(zhí)行等。CFD中涉及到的物理量有速度、溫度、壓力、密度、渦強和應力等，CFD可視化要支持這些物理量的三維顯示。CFD可視化的研究內容主要有以下幾個方面口（1） 幾何體與網格的顯示及評估計算幾何體的定義和網格劃分的好壞直接影響到計算的收斂性和精度，CFD可視化要求能夠顯示網格生成的結果，并提供交互式網格生成和質量檢測技術。旋轉射流的結構特性不同于普通射流的結構特性，這就導致了其被巖機理和過程不同于普通射流，也就決定了在一定的條件下其破巖面積大、效率高的優(yōu)勢，這已被上面的實驗結果所證實。但旋轉射流能量耗散速率大，隨著距離的增大，旋轉射流的破巖優(yōu)勢迅速降低，所形成的巖石破碎坑的深度也明顯減小。相應的破巖比能在小噴距時增加較為緩慢，在大噴距時增加相對顯著。當考慮連續(xù)鉆長孔眼的情況時，根據(jù)鉆孔直徑來衡量射流的鉆孔效果較為合理。這是由于隨噴距增加射流中磨料的速度逐漸降低，射流邊緣的沖擊力逐漸低于巖石抗沖擊能力的緣故