【正文】 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(guān)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。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。超流線沿軌跡完整顯示張量數(shù)據(jù)。首先，對矢量求空間偏導(dǎo)數(shù)，得到三個線應(yīng)變分量，三個剪切應(yīng)變分量，三個旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)(扭矩)和收斂一發(fā)散兩部分。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(zhuǎn))。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(jié)構(gòu)，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。一類是針對某具體位置的圖符顯示。一種是體繪制動畫。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。矢量場拓撲顯示整個流場的拓撲結(jié)構(gòu)，冗余信息少。（6） 矢量場拓撲(Vector Field Topology) 拓撲分析的基礎(chǔ)是臨界點理論。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。近來又發(fā)展了不基于流場線的構(gòu)造算法。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(zhuǎn)和各種應(yīng)力應(yīng)變特性。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(zhuǎn)特性。（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。它可用于觀察流場畸變、收斂、擴散等特性。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。跡線是流場中單個粒子的運動軌跡。（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。[42][43] 矢量場和張量場可視化技術(shù)[44][45][46][47]（1） 矢量場可視化技術(shù) CFD可視化中標量場的可視化技術(shù)日前研究己經(jīng)相當(dāng)成熟，但是矢量和張量顯示是可視化中兩個比較困難的應(yīng)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(guān)系的構(gòu)造。同數(shù)據(jù)流模型相比較，模型中心法的建模相當(dāng)于數(shù)據(jù)流模型中濾波的一部分，觀察對應(yīng)于余下的部分。在模型中心法中，建模指從采樣數(shù)據(jù)構(gòu)造經(jīng)驗?zāi)Ｐ停四Ｐ鸵c應(yīng)用領(lǐng)域相一致，以便于數(shù)據(jù)的正確插值等處理。[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(gòu)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(zhuǎn)換成可被顯示的圖像信息。在后處理方式下，CFD計算和結(jié)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(jié)合，研究人員不僅能實時觀察到當(dāng)前計算的狀態(tài)，還能進行實時干預(yù)，修改某些參數(shù)，讓計算從某一指定的位置開始執(zhí)行等。（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(jié)果之間的快速比較。CFD中涉及到的物理量有速度、溫度、壓力、密度、渦強和應(yīng)力等，CFD可視化要支持這些物理量的三維顯示。流體運動中會形成多種結(jié)構(gòu)，如激波和渦，CFD可視化要提供對此類結(jié)構(gòu)的辨識。CFD可視化的研究內(nèi)容主要有以下幾個方面口（1） 幾何體與網(wǎng)格的顯示及評估計算幾何體的定義和網(wǎng)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(wǎng)格生成的結(jié)果，并提供交互式網(wǎng)格生成和質(zhì)量檢測技術(shù)。建立流場場景指繪制流場中各種物理量的分布狀況。旋轉(zhuǎn)射流的結(jié)構(gòu)特性不同于普通射流的結(jié)構(gòu)特性，這就導(dǎo)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(jié)果所證實。因此，對于用高壓水射流鉆超短半徑水平井技術(shù)來說，如何控制水射流鉆頭的合理的噴距非常關(guān)鍵旋轉(zhuǎn)射流具有較強的破巖能力，原因在于旋轉(zhuǎn)射流的每一質(zhì)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。但旋轉(zhuǎn)射流能量耗散速率大，隨著距離的增大，旋轉(zhuǎn)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。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。相應(yīng)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。則可以依據(jù)旋轉(zhuǎn)射流破巖直徑與壓力基本呈正比的關(guān)系進行推論，在噴嘴壓降達到40MPa時，鉆孔直徑應(yīng)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。當(dāng)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。 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。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。由上述實驗數(shù)據(jù)分析可知旋轉(zhuǎn)磨料射流破巖規(guī)律如下圖所示。隨著噴距的增加，旋轉(zhuǎn)射流得到充分擴散，其截面積增大，由于旋轉(zhuǎn)射流整體呈錐型，返回流與來流具有一定的夾角，互不影響，而且返回流同樣具有三維速度，在旋轉(zhuǎn)返回時也參與破碎，使得破碎直徑和體積增加，當(dāng)超過一定的噴距后，旋轉(zhuǎn)射流邊界上的壓力已達不到破巖的極限壓力，同時射流截面上壓力和速度降低，使得破碎深度和直徑都減小，破碎體積減小，因此應(yīng)存在一個最優(yōu)噴距針對不同滲透性巖石及自制水泥石進行旋轉(zhuǎn)射流破巖成孔試驗，表明在同噴距同射流壓力條件下，隨著巖石滲透率的增加，旋轉(zhuǎn)射流破巖成孔的深度直徑和體積都明顯增加，其原因主要有兩個方面：其一，滲透率增加，相對應(yīng)地孔隙度增加，巖石的強度減小，破碎需要的極限壓力低，同樣的旋轉(zhuǎn)射流截面積，則破碎效率提高了；其二，巖石的滲透率大，同樣能量的水射流進入巖石的速度快，形成的拉伸水楔作用強在破碎點周圍形成的破碎就大破碎效果就好。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。表3 加旋件幾何尺寸與孔徑Table3 The size of whirling part and hole dia.序　號加旋元件頭數(shù)t加旋元件螺距P（mm）鉆孔孔徑D（mm）中心孔１２８４４無２３８４０無３４８３４無４２８４６有５３８４０有６４８３５有 為了了解射流壓力對旋轉(zhuǎn)射流破巖規(guī)律的影響在保持破巖其他參數(shù)不變的前提下改變射流壓力(8 MPa)進行試驗研究結(jié)果表明隨著射流壓力的升高破碎體積破碎巖石的無因次深度以及直徑逐漸增加但增加幅度不同破碎巖石的無因次深度以及直徑，隨射流壓力基本成線性關(guān)系。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(xué)試驗室，用壓力試驗設(shè)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)噴嘴前行，可以得到形狀比較均勻的鉆孔。為滯止壓力。破巖的條件是晶粒間的靜水壓力必須克服晶粒間的內(nèi)聚力。此外，Crow模型中部分公式在因次上有矛盾之處，也有待修正。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?！碚撘苿铀俣?。該理論經(jīng)實驗修正指出切槽深度按下式變化。 (1) Crow模型 Crow的切割理論模型中對巖石特性考慮較為全面，包括巖石的晶粒大小、滲透率、孔隙度、剪切應(yīng)力、內(nèi)摩擦系數(shù)和庫侖摩擦系數(shù)等。[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(chǎn)生一定的水楔作用加速破碎過程! 由于旋轉(zhuǎn)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(nèi)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(zhuǎn)一個直徑為2mm的通孔，則這種錐形狀實體將不存在?？捎美硐氲膹椥岳碚搧碛嬎銘?yīng)力分布并使用Griffith破壞準則。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(dǎo)作用。密實核—劈拉破巖理論重視了巖石強度性能的差異對水射流破碎巖石的影響，并結(jié)合能量狀態(tài)的演變對部分水射流破巖過程進行了解釋。但該理論只定性地說明了水射流沖擊巖石產(chǎn)生的應(yīng)力場性質(zhì)，而沒有具體指出裂隙出現(xiàn)的位置及方向。兩種理論雖定性解釋但各自考慮側(cè)重點不同。當(dāng)拉應(yīng)力超過巖石的抗拉強度時，巖石壁面上將出現(xiàn)徑向裂隙。隨著水射流的繼續(xù)沖擊或沖擊壓力的增加，剪切裂紋擴展并匯接到?jīng)_擊接觸面，形成由剪切破碎的細巖粉組成的球形密實核。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(chǎn)生拉應(yīng)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。拉伸—水楔破巖理論認為，水射流沖擊力可簡化為作用于巖石半空間彈性體平面上的集中力。其中，拉伸—水楔破巖和密實核—劈拉破巖學(xué)說水射流破巖理論研究中獲得較多認可。對于低速旋轉(zhuǎn)的自旋轉(zhuǎn)噴頭，其破巖過程方式具有明顯的特殊性。4 旋轉(zhuǎn)錐形磨料射流的實驗分析4 旋轉(zhuǎn)錐形磨料射流的實驗分析 旋轉(zhuǎn)射流鉆孔的基本理論隨著鉆井技術(shù)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。此時將有兩個自變量和。此時，流體受到地機械強制導(dǎo)向作用減小，流體動力學(xué)作用增強。（3－10）式即表示了流槽加旋段內(nèi)液體可能出現(xiàn)得一元軸對稱螺旋流的速度函數(shù)關(guān)系。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(nèi)的流體運動進行分析。類似于“固體”。 流槽加旋段內(nèi)流體運動的描述流槽加旋段內(nèi)的流體是在加旋元件的螺旋形流道內(nèi)流動的。對于不可壓縮均質(zhì)液體，其連續(xù)性方程可表為： （3－9）由（3－5）及（3－6）式可見，其中四個待定參數(shù)及分別對應(yīng)于四個偏微分方程。如果流動又是恒定的，那么流體質(zhì)點一面沿流線前進，一面又以流線的切線為旋轉(zhuǎn)軸作旋轉(zhuǎn)運動。在有旋流動中，有一種流動引起了人們的注意，這就是螺旋流動。如果流體運動時質(zhì)點有旋轉(zhuǎn)運動，則稱流體的運動是有旋流動或有渦流動。不同的加旋方式所得的射流出口軸向和旋動速度的分布各不相同，紊動特性也有差異。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。若以柱坐標表示旋轉(zhuǎn)射流，射流各點的流速可分解為三個分量:軸向流速、徑向流速和切向流速。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(nèi)鉆出較大孔徑的要求。第1段為圓管進液段，該段內(nèi)磨料漿體的運動形式