旋转磨料射流喷嘴叶轮参数优化设计_周秋成.pdf

流 体 机 械第 51 卷第 2 期2023 年 2 月 33 收稿日期：2021-11-18 修稿日期：2022-09-17基金项目：国家重点研发计划项目（2019YFB1504202）doi：10.3969/j.issn.1005-0329.2023.02.005旋转磨料射流喷嘴叶轮参数优化设计周秋成1，罗 宁1，李健敏1，王秀伟1，刘 鑫2，陈开研1，张力凡3（1.中国石油天然气股份有限公司 华北油田分公司，河北任丘 062550；2.中国石油大学（北京）石油工程学院，北京 100249；3.中国石油天然气股份有限公司 辽河油田分公司，辽宁盘锦 124010）摘 要：为增强旋转磨料射流在硬岩地层高效破岩效果，喷射破岩形成较大孔径径向水平井井眼，对喷嘴叶轮参数展开了优化设计。对径向水平井井下工况旋转磨料射流流场进行模拟，研究了叶轮扭转角、长度、直径、叶片厚度和叶片数量等参数对流场速度的影响。结果表明：叶轮扭转角度为影响流场旋流强度的主要因素；减小叶轮直径或增加叶片厚度会缩小流道的过流面积，增加射流的旋转强度，直径影响最大切向速度相差 15.1%，厚度影响相差 44.6%；叶片数量较多会降低射流冲击速度。在本文条件下，给出了建议性优化喷嘴叶轮结构参数：叶轮扭转角度为630，长度为30mm，直径为18mm，叶片厚度为 4mm，叶片数量为 3。所得结果可为径向井旋转磨料射流喷嘴优化设计提供依据。关键词：径向水平井；旋转射流；磨料射流；数值模拟；射流流场中图分类号：TH12 文献标志码：A Optimization design on swirlers of swirling abrasive water jet nozzleZHOUQiucheng1，LUONing1，LIJianmin1，WANGXiuwei1，LIUXin2，CHENKaiyan1，ZHANGLifan3（1.PetroChinaHuabeiOilfieldCompany，Renqiu 062550，China；2.CollegeofPetroleumEngineering，ChinaUniversityofPetroleumBeijing，Beijing 100249，China；3.PetroChinaLiaoheOilfieldCompany，Panjin 124010，China）Abstract：Toenhancerockbreakingeffectsofabrasiveswirlwaterjetanddrilllargediameterradialjetdrilling（RJD）laterals，swirlergeometryparametersofnozzlearedesignedoptimally.AbrasiveswirlingvelocityofjetflowfieldunderthedownholeconditionsinRJDwellsisstudiedbynumericalsimulationmethods.Theeffectsonflowfieldvelocityofswirlingangle，length，diameter，bladethicknessandbladenumberonflowfieldvelocityarestudied.Theresultindicatesthattheincreaseofswirlingangleisthemainreasonfortheincreaseofswirlintensityintheflowfield.Thedecreaseoftheswirlerdiameterandthebladethicknessresultsinreducingtheflowareaofthepassageandincreasethejetswirlingintensity.Themaximumtangentialvelocityisaffectedbythediameterby15.1%andthethicknessby44.6%respectively.Morebladesreducethejetimpingingvelocity.Undertheseconditions，therecommendedoptimalstructuralparametersofthenozzleswirlerareasfollows：theswirlingangleoftheswirleris630，thelengthis30mm，thediameteris18mm，thebladethicknessis4mm，andthenumberofbladesis3.TheresultsprovidereferencesforabrasivenozzlesdesignofRJDwells.Key words：radialjetdrilling；swirlingjet；abrasivejet；numericalsimulation；jetflowfield0 引言水力喷射径向水平井（径向井）技术，是一种在现有井段通过磨铣套管水泥环开窗，实现喷射管线短半径转向，并利用射流破岩沿径向钻出多口水平井的技术1-3。该技术目前较适用于常规技术难开发的地质条件，在国内外有部分油气生产老井区块应用，并产生了一定的经济效益4，该技术相对来说施工周期快，节约成本，流程易操作不繁琐，且不会损害储层、污染环境，也被认为是开发地热能的有效方法5。在高裂缝密度地层中，径向井可以通过沟通岩石裂缝有效提高产能。在低渗透油气藏中，流体主要通过裂缝网络流动，径向井使裂缝网络相连6。在立陶宛的地热注入井中钻成 12 个径向井分支，回灌量增加 14%7。其中喷嘴破岩成孔是其关键技术，径向孔眼直径34FLUID MACHINERYVol.51，No.2，2023约2.545.1cm8。工程实践表明，喷嘴的扩孔能力和破岩效率已成为需要解决的主要问题9。磨料水射流切割是一种非传统的切割工艺，能够通过水和磨料的混合来更有效地切割各种软硬材料。其冲击速度是冲击侵蚀中最重要的变量，冲击角是影响岩石破碎的第二大因素。对于脆性材料，最大侵蚀发生在90左右的冲击角，但对于韧性材料，最大侵蚀角为203010-11。田家林等12在研究中对前混式磨料水射流切割的喷嘴结构进行了优化设计计算。在射流喷嘴中加入叶轮可以产生旋流射流，其流场具有 3 个区域，即自由射流区、冲击射流区和壁射流区。旋流射流显示出其复杂而独特的流动特征13。与传统的冲击射流相比，旋流射流扩散范围更广，对周围流体的卷吸率更高14。BANG 等15研究了喷嘴出口旋流的速度分量和锥角。理论参数研究包括内部喷嘴几何形状的影响、质量流量和旋流强度的影响。倪雁等16通过数值模拟手段研究了不同叶片形式对旋流性能参数的影响。马国锐等17研究了旋转磨料射流的流场以及破岩效果。刘培坤等18对旋流导流结构展开了试验研究。李敬彬19研究了自推进式多孔钻头的射流流场，该射流产生旋流破碎岩石。何丽娟等20基于 FLUENT 分析了涡流管内部流场的旋流流动。但由于旋转结构和小直径喷嘴，自进式多孔钻头不允许磨料颗粒通过。水射流虽然具有较强的破碎硬材料能力，但也存在破碎孔径小、破岩效率低等缺陷21。旋流射流技术可与水射流结合用于破岩应用，磨料和水的混合物流过喷嘴叶轮，在叶轮上被动旋转，从喷嘴出口形成锥形的扩散射流22。不同叶轮参数下旋转磨料射流流场速度对破岩喷嘴的优化设计具有重要影响，其流场的速度分布直接关系到喷嘴的破岩性能，解决破岩效率较低和破岩直径较小等问题，保证后续管线顺利送进对于径向井成井具有重要意义。高压条件下旋转射流流场观察难度较大，因此，有必要通过数值模拟的方法，研究不同叶轮参数对应的流场，优化适用于高压射流径向钻井技术的叶轮结构，为后续作业的进行创造条件，为该技术的进一步发展和推广应用提供指导。本文对叶轮的几何参数进行了数值模拟，分析了旋转磨料射流的轴向和切向速度，对叶轮结构进行优化设计并给出了现场应用推荐参数。1 射流速度场数值模拟方案1.1 喷嘴工作原理与叶轮设计喷嘴作为径向水平井钻进系统的破岩部件，是决定水力钻孔效果的核心元件。设计新型高效的喷嘴结构，提高喷嘴钻进性能对推进水力喷射径向水平井技术的发展具有重要意义。喷嘴在工作时，带有磨料的高压流体从喷嘴后端泵入，经过叶轮流段，获得切向速度，进入锥形段后流道直径变小，获得轴向速度，压力升高，且切向速度在锥形混合腔与加速的轴向速度发生混合，从直柱段经过喷嘴出口形成射流。如图 1 所示，定义叶轮扭转角度为沿轴线每前进 50mm，叶片上一点沿轴旋转的角度。以扭转角度360、长度50mm、直径18mm、叶片数3个的设计为对照组，围绕对照组设计了用于试验与数值模拟的叶轮几何参数见表 1。图 1 旋转叶轮结构示意Fig.1 Structurediagramofaswilrer表 1 喷嘴叶轮几何参数设计Tab.1 Geometryparametersofswirlingabrasivejetnozzle设计分组扭转角度/（）长度/mm直径/mm叶片厚度/mm叶片数/个对照组36050182.53扭转角度组 0/90/180/270/450/540/630/72050182.53叶轮长度组36030/40/60/70/80/90182.53叶轮直径组3605014/15/16/17/19/202.53叶片厚度组36050182/3/3.5/4/4.5/5/5.5/63叶片数量组36050182.50/1/2/3/4/535周秋成，等：旋转磨料射流喷嘴叶轮参数优化设计1.2 数值模拟模型Realizablek-epsilon模型包含湍流黏度的替代公式，适用于旋流研究。模型内包含了从均方涡度波动传输的精确方程导出耗散率的修正传输方程。在旋转均匀剪切流的测试案例中，该模型的性能优于Standardk-epsilon模型，可较准确地模拟旋流流场地速度分布23。Euler-Euler 模型的仿真目标为液相、气相和固相。三相可两两组合也可混合，也可添加较多的相数量，曾被使用于磨料射流多相流研究24。本文研究问题涉及颗粒旋转射流，导流件旋转使得流场内结构复杂。因此本文采用适用性较好的 Euler-Euler 模型来模拟多相流体的运动。如图 2 所示，喷嘴到喷射界面的距离称为喷距。一般采用实际喷射距离 H 与喷嘴出口当量直径 d 之比作为 n 倍无因次喷距（H/d=n），原形出口直径即为当量直径。在水力喷射径向水平井井下施工作业中，当完成破岩后会较及时地送进喷射管线，缩短喷距。综合考虑，选取 10 倍喷距截面区域为冲击平面。将喷嘴内部的连通空间作为一个整体研究，通过三维建模软件绘制出流场区域，入口处保留了一段距离用于稳定流体，整体射流流场区域为一圆柱体，侧面为压力出口，除入口和出口其余部分为壁面。图 2 旋转磨料射流喷嘴抽取流场Fig.2 Flowfieldofswirlingabrasivejetnozzle1.3 网格划分旋转磨料射流喷嘴的流场网格模型由喷嘴内场和冲击流场组成。整个网格为四面体网格，适合流体研究。由于本模型为流体计算，整体网格采用了六面体网格。由于包括叶轮的流道形状较复杂，对旋转叶轮导流流道部分的流体域单独划分。划分工具为 ANSYSWorkbench 平台中的meshing 模块。对网格尺寸无关性进行分析见表 2，G1G6表示在其他条件相同情况下，不同网格尺度下的6 组算例，G5，G6 格数过大，导致计算量较大，计算时长较长。G3，G4 已达到稳定的计算网格数，选取其中 G4 组中的 42 万个网格单元为优化组。表 2 网格无关性分析Tab.2 Gridsindependencytest计算组网格节点数水相无因次速度距上一组网格偏离（%）水相压力/Pa距上一组网格偏离（%）G12724147.150153.59911097097.059G25349448.093281.67111545443.303G319135848.538260.76111759701.509G442975448.526170.78611752761.567G560333748.627800.57811802051.154G6141065448.9106311939871.4 边界条件与参数为了方便分析根据旋转磨料射流喷嘴井下应用工况见表 3。本文建立以下基本假设：磨料参数与 30 目粒径石英砂磨料球体颗粒一致；清水相参数与 20下清水一致；磨料颗粒是刚性的；流场内部的碰撞为弹性，颗粒间不发生碰撞；流场不存在传热现象，其余射流参数依照现场施工常用参数选取。表 3 数值模拟边界条件及射流参数值Tab.3 Boundaryconditionsandparametersvaluesofsimulation参数数值水相入口初始速度/（m s-1）10出口压力/MPa0磨料密度/（kg m-3）2200磨料体积浓度（%）30磨料相入口初始速度/（m s-1）10磨料颗粒粒径/mm0.55注：磨料颗粒形状为球形。36FLUID MACHINERYVol.51，No.2，20231.5 试验验证由于射流流场的切向速度直接与射流扩散形状相关，且研究射流流场速度的目的为优化射流扩散性能，因此开展流场扩散性试验，验证数值模拟模型设置的可信度。通过如图 3 示出的试验装置，可在淹没条件下观察流场扩散形态。图 3 旋转射流可视化试验系统示意Fig.3 Schematicdiagramofswirljetnozzlevisualizationexperimentsystem如图4所示，以叶轮扭转角度360喷嘴数值算例及其流场可视化试验结果为例，在试验过程中分别拍摄淹没条件下流场扩散的照片，在数值模拟软件中截取淹没条件下流场速度云图。对图像采用像素标尺功能，将数值模拟三维速度云图在图片中的比例尺与拍摄流场的图像尺寸保持一致。可以观察到数值模拟计算出的流场区域和实际试验扩散情况高度吻合。说明数值模拟的结果在流场形状的研究中有一定的可信度。（a）淹没试验 （b）淹没数模图 4 淹没试验条件和淹没数模流场图像比对Fig.4 Imagecomparisonofflowfieldunderunsubmergedexperimentalconditionandsubmergednumericalcondition2 叶轮结构参数射流规律分析在前文叶轮结构设计及其数值模拟计算的基础上，展开了叶轮几何参数流场速度规律与参数分析。通过前期的初步分析，除了叶片数组，各个截面速度分布形状相近，速度大小存在差异。且速度场的变化规律与速度最大的变化规律相似，因此采用最大速度的变化规律近似代替速度场的变化规律。2.1 叶轮扭转角如图5，6所示，随着叶轮扭转角的增大，磨料相的切向速度整体呈增大趋势，和磨料相的轴向速度对比发现两者总动量趋于守恒，较大的切向速度可提供更大的旋流强度，扩大破岩面积，但过大的扭转角会加剧叶轮的磨损和流体经过喷嘴的压耗。图 5 叶轮角度对磨料相切向速度影响Fig.5 Influenceofswirlerangleontangentialvelocityofabrasivephase图 6 叶轮角度对磨料相轴向速度影响Fig.6 Influenceofswirlerangleonaxialvelocityofabrasivephase2.2 叶轮长度通过初步分析，发现叶轮长度的变化主要影响流场速度的衰减。相对于水，磨料颗粒在旋转磨料射流破岩过程中提供主要的冲击作用。因此以流场的磨料相的切向速度最大值为分析指标，分析不同长度的叶轮对流场加旋的作用。如图 7，8 所示，在相同组别不同喷距的条件下，速度均随着喷距的增大而衰减。在 0 喷距的条件下，由于射流还未充分发展，速度分布较无序。37在相同喷距的条件下，随着叶轮长度的增大，切向速度和轴向速度均存在衰减的趋势。在射流充分发展的 8 倍喷距截面上，90mm 长度叶轮相比于30mm 长度叶轮，对应磨料相的切向速度和轴向速度分别减少了 14.8%和 5.8%。图 7 叶轮长度对切向速度影响Fig.7 Influenceofswirlerlengthontangential图 8 叶轮长度对轴向速度影响Fig.8 Influenceofswirlerlengthonaxial叶轮长度对旋转磨料射流流场有一定的影响，长度越长的叶轮，加旋作用和稳定旋流流场的距离增长，更有助于射流稳定，但旋转性能和冲击能力均有所下降。长度短的叶轮具有更小的金属和流体间接触面积，因摩擦而产生的阻力和能量损耗更小，磨料颗粒在叶轮流道中因碰撞和摩擦而损失的动能更小。同时减少能量损耗能够进一步地提高喷嘴工作中的经济性能。2.3 叶轮直径如图 9，10 所示，在射流尚未充分发展的 0倍喷距截面上，20mm直径叶轮相比于14mm叶轮对应磨料相的最大切向速度增加了 15.1%；在2 倍喷距界面上磨料相的最大切向速度增加了11.8%；而在射流充分发展的 8 倍喷距截面上，磨料相的最大切向速度衰减了 7.2%。随着叶轮直径的增加，在射流发展不充分的区域，切向速度逐渐衰减，速度大体上呈线性分布。轴向速度整体呈增大趋势，在 8 倍喷距截面，磨料相的轴向速度增大了 13.6%。图 9 叶轮直径对切向速度影响Fig.9 Influenceofdiameterofswirlerlengthontangentialvelocity图 10 叶轮直径对轴向速度影响Fig.10 Influenceofdiameterofswirlerlengthonaxialvelocity图 11 示出叶轮内流道横截面内切向速度云图，叶轮直径的增大会直接增大流道面积，影响切相速度的分布。流体总流量不变，增大过流面积时平均速度会降低。图11 叶轮内流道横截面内切向速度云图Fig.11 Contouroftangentialvelocityincrosssection ofinnerswirler图 12 示出不同叶轮直径叶轮的流道内中部切向速度分布，从图中可知，随着截面径向位置的变化，切向速度逐渐增大，直到喷嘴内部的近壁面处速度衰减至 0。内径越小的叶轮速度变化率越高。由于叶片倾斜产生的离心作用，使其主要导流位置处于叶轮的边缘。直径越小的叶轮最大切向速度越大，直径大的叶轮整体切向速度偏低，但速度分布的面积更大。周秋成，等：旋转磨料射流喷嘴叶轮参数优化设计38FLUID MACHINERYVol.51，No.2，2023图 12 叶轮内流道横截面内切向速度分布Fig.12 Distributionoftangentialvelocityofinnerswirler叶轮直径的增大在一定程度上会增大流体与喷嘴内壁的接触面积，但其由于增大摩擦阻力产生的动量衰减较小。总体流体的动量衰减较小，流体在旋转动量和轴向动量之间存在守恒关系，旋转动量减少的同时轴向动量增大。叶轮直径的增大对旋转磨料射流的主要影响在于使叶轮加旋能力略微降低。在实际径向水平井施工中，若使喷嘴及后续喷射管线顺利通过转向器，应当控制叶轮直径不宜过大，过小的叶轮直径会减少流道过流面积，增大压耗。2.4 叶片厚度如图 13，14 所示，在射流尚未充分发展的 0倍喷距截面上，6mm直径叶轮相比于2mm叶轮对应磨料相的最大切向速度增加了 44.6%。在2 倍喷距截面上磨料相的最大切向速度增加了30.1%。随着喷距越加，射流在流场中衰减，相比于低喷距，更大喷距下的切向速度变化幅度减小。切向速度整体呈线性增大的趋势。随着叶轮叶片厚度的增加，在射流发展不充分的区域，切向速度增加明显。速度大体上呈线性分布。轴向速度整体呈减小趋势，喷距越大的情况轴向速度随厚度变化衰减越快。在 8 倍喷距截面，磨料相的轴向速度随叶轮厚度衰减明显，减少了13.9m/s，占2mm 算例的 13%。叶片厚度直接影响到叶轮流道的流道截面积，和直径参数相反，叶轮的厚度增大会导致过流面积减小。在其他几何参数不变的情况下，叶轮单片叶片的宽度也会随叶片厚度改变。在流体进入喷嘴混合腔之前，更大的叶轮厚度会增大流体的速度，由于流道面积减少，在进入混合腔之前就有了较高的切向速度。磨料浆体流入流出喷嘴流道，流道截面积的 2 次变化会造成射流能量损失，使得轴向速度降低。切向速度增大的同时轴向速度降低，其速度分布规律符合流体总动量守恒。图 13 叶片厚度对切向速度影响Fig.13 Influenceofbladethicknessontangentialvelocity图 14 叶片厚度对轴向速度影响Fig.14 Influenceofbladethicknessonaxialvelocity射流破岩需保证一定的冲击速度，叶轮叶片厚度过大会导致过流面积突变，增大压耗，减弱喷嘴破岩能力，因此叶轮叶片不宜过厚。叶轮叶片厚度过小则存在磨料射流的高速磨蚀作用下发生结构破坏的风险。2.5 叶片数量在射流尚未充分发展的 0 倍喷距截面上，5 片叶轮相比于 2 片叶轮对应磨料相的最大切向速度增加了 25.8%；在 2 倍喷距截面上磨料相的最大切向速度少许增加，但在射流充分发展区域缓慢下降；在 8 倍喷距截面，磨料相的轴向速度随叶轮叶片数增加衰减明显，减少了15.9m/s，占2 片叶轮算例的 14.8%。整体轴向速度随叶片数的增加呈衰减趋势。如图 15，16 所示，叶片数的增加会增加流道内的叶轮接触面积，这对来流流体的导向作用和加旋效果更明显。但在加旋的同时增大了摩擦面积，在初始能量一定时，射流冲击速度会有所降低。39图 15 叶片数量对切向速度影响Fig.15 Influenceofbladenumberontangentialvelocity图 16 叶片数量对轴向速度影响Fig.16 Influenceofbladenumberonaxialvelocity2.6 叶轮参数优选通过以上对叶轮结构参数的敏感性分析，根据实际井下作业工况对叶轮参数进行优选。限于实际井下作业空间，考虑到流体通过的稳定性、能量损耗、旋转能力以及对叶轮的物理磨损等，建议性结构参数：叶轮长度为 30mm，叶轮直径为18mm，叶片厚度为4mm，叶片数为3片。3 结论（1）扭转角为旋转磨料射流主要的叶轮几何影响因素。随着叶轮扭转角的增大流场的旋流强度增加，但轴向速度衰减更剧烈。（2）叶轮长度的增大主要对流场速度产生衰减的影响。在充分发展的8倍喷距截面上，90mm叶轮相比于30mm叶轮，其对应磨料相的切向速度和轴向速度分别减少了 14.8%和 5.8%。（3）叶轮直径的变化会直接改变叶轮流道的过流面积，叶轮直径的减少可增加旋转磨料射流的旋转能力。在叶轮出口位置，研究组最大直径20mm 和最小直径 14mm 之间最大切向速度相差 15.1%。（4）叶轮叶片厚度的增加会使叶轮流道面积减小。叶片厚度的增加较明显地增强了流场的切向速度，但同时影响了喷嘴地冲击速度。在叶轮出口位置，最大厚度6mm和最小厚度2mm之间最大切向速度相差 44.6%。（5）在无叶轮的条件下，射流转变为直射流。一片叶轮对应的流场速度分布不对称。25 片叶片数情况下，叶片数的增加同时起到增大加旋效果和降低冲击速度的作用。（6）给出实际工作中建议性叶轮参数：加旋角630，直径18mm，长度30mm，叶片厚度4mm，叶片数量 3 片，旨在为径向水平井的推广提供理论支撑。参考文献：1 李根生，黄中伟，李敬彬.水力喷射径向水平井钻井关键技术研究J.石油钻探技术，2017，45（2）：1-9.LIGS，HUANGZW，LIJB.Studyofthekeytechniquesinradialjetdrilling J.PetroleumDrillingTechniques，2017，45（2）：1-9.2 施连海，李永和，郭洪峰，等.高压水射流径向水平井钻井技术J.石油钻探技术，2001，29（5）：21-22.SHILH，LIYH，GUOHF，etal.Highpressurewaterjetradialhorizontalwelldrillingtechnology J.PetroleumDrillingTechniques，2001，29（5）：21-22.3 沈忠厚.高压水射流技术在钻井中的应用 J.石油钻采工艺，1981（1）：8-15.SHENZH.Applicationofhighpressurewaterjettechnologyindrilling J.OilDrilling&ProductionTechnology，1981（1）：8-15.4 BALCHRS，RUANT，SAVAGEM，etal.FieldtestingandvalidationofamechanicalalternativetoradialjetdrillingforimprovingrecoveryinmatureoilwellsC/SPEWesternRegionalMeeting，2016.5 SONGX，SHIY，LIG，etal.Numericalsimulationofheatextractionperformanceinenhancedgeothermalsystemwithmultilateralwells J.AppliedEnergy，2018，218：325-337.6 SALIMZADEHS，GRANDAHLM，MEDETBEKOVAM，etal.Anovelradialjetdrillingstimulationtechniqueforenhancingheatrecoveryfromfracturedgeothermalreservoirs J.RenewableEnergy，2019，139：395-409.7 NAIRR，PETERSLE，SLIAUPAS，etal.Acasestudyofradialjettingtechnologyforenhancinggeothermalenergysystemsatklaipedageothermaldemonstrationplant C/42ndWorkshoponGeothermalReservoirEngineering，2017.周秋成，等：旋转磨料射流喷嘴叶轮参数优化设计40FLUID MACHINERYVol.51，No.2，20238 AHMEDHK.AtechnicalreviewofradialjetdrillingJ.JournalofPetroleumandGasEngineering，2017，8（8）：79-89.9 LIAOH，JIAX，NIUJ，etal.Flowstructureandrock-breakingfeatureoftheself-rotatingnozzleforradialjetdrilling J.PetroleumScience，2020，17（1）：211-221.10PATELJ，SHAIKHA.Theinfluenceofabrasivewaterjetmachiningparametersonvariousresponse-areviewJ.InternationalJournalofMechanicalEngineeringandRaboticsResearch，2015，4（1）:383-403.11AL-MARAHLEHG.Parameterscontrollingabrasivewaterjettechnology：erosionandimpactvelocityforbothductileandbrittlematerials J.IOSRJournalofEngineering，2015，5（8）:1-7.12田家林，胡志超，刘松，等.磨料水射流仿真分析与试验研究 J.流体机械，2021，49（2）：8-13.TIANJL，HUZC，LIUS，etal.Simulationanalysisandexperimentalresearchofabrasivewaterjet J.FluidMachinery，2021，49（2）：8-13.13DEBNATHS，KHANMHU，AHMEDZU.Turbulentswirlingimpingingjetarrays：anumericalstudyonfluidflowandheattransfer J.ThermalScienceandEngineeringProgress，2020，19：100580.14XUL，LANJ，MAY，etal.Numericalstudyonheattransferbyswirlingimpingingjetsissuingfromascrew-threadnozzle J.InternationalJournalofHeatandMassTransfer，2017，115：232-237.15BANGBH，KIMYI，AHNCS，etal.Theoreticalmodelofswirlingthickfilmflowinsideconvergingnozzlesofvariousgeometries J.Fuel，2020，280：118215.16倪雁，顾磊，王珺，等.叶片形式对旋流泵性能的影响 J.流体机械，2021，49（7）：69-75.NIY，GUL，WANGJ，etal.Influenceofbladetypesontheperformanceofvortexpump J.FluidMachinery，2021，49（7）：69-75.17马国锐，李敬彬，李欢，等.旋转磨料射流破碎碳酸盐岩成孔特性研究J.流体机械，2021，49（11）：12-17.MAGR，LIJB，LIH，etal.Studyonporeformingcharacteristicsofcarbonaterockbrokenbyswirlingabrasivewaterjet J.FluidMachinery，2021，49（11）：12-17.18刘培坤，赵金禹，杨兴华，等.内置导流筒旋流澄清器分离性能研究 J.流体机械，2021，49（9）：6-12.LIUPK，ZHAOJY，YANGXH，etal.Studyonseparationperformanceofcycloneclarifierwithbuilt-inguidetube J.FluidMachinery，2021，49（9）：6-12.19李敬彬.水力喷射径向水平井射流破岩性能与送进能力研究D.北京：中国石油大学（北京），2016.LIJB.Researchonhydraulicrockbreakingcapacityandself-propelledabilityoftheradialjetdrillingtechnology D.Beijing：ChinaUniversityofPetroleum，2016.20何丽娟，李海燕，马文清，等.基于 FLUENT 的涡流管内部场的数值模拟及旋流流动分析 J.流体机械，2020，48（8）：18-24.HELJ，LIHY，MAWQ，etal.Numericalsimulationofvortextubeinternalfieldandanalysisofswirlflowonthebasisoffluent J.FluidMachinery，2020，48（8）：18-24.21杨永印，沈忠厚，王瑞和，等.旋转磨料射流破岩钻孔试验研究J.石油钻探技术，1999（4）：4-7.YANG Y Y，SHEN Z H，WANG R H，et al.Experimentalstudyonrockdrillingbyrotaryabrasivejet J.PetroleumDrillingTechniques，1999（4）：4-7.22杨海滨，杨永印，沈忠厚，等.磨料浆体旋转射流破岩钻孔特性实验研究 J.石油大学学报（自然科学版），2005（3）：45-48.YANGHB，YAGNYY，SHENZH，etal.Experimentalstudyonrockbreakingcharacteristicsofabrasiveslurryrotaryjetdrilling J.JournalofTheUniversityofPetroleum（EditionofNaturalScience），2005（3）：45-48.23崔凯，张海，王卫良，等.旋流燃烧器数值模拟中Realizablek-和RSM模型的比较 J.工程热物理学报，2012，33（11）：2006-2009.CUIK，ZHANGH，WAGNWl，etal.Comparisonbetweenrealizablek-andRSMmodelinthesimulationforaswirlburner J.JournalofEngineeringThermophysics，2012，33（11）：2006-2009.24曹寒冰.基于 FLUENT 的前混合磨料射流喷嘴流场的数值模拟D.淮南：安徽理工大学，2013.CAOHB.Numericalsimulationofnozzleflowfieldinpre-mixedabrasivewaterjetwithFLUENT D.Huainan：AnhuiUniversityofScience&Technology，2013.作者简介：周秋成（1987），男，主要从事地热开发与研究工作，E-mail：yjy_。通信作者：刘鑫（1996），男，博士研究生，主要从事径向水平井方向研究，通信地址：102249 北京市昌平区府学路 18 号中国石油大学（北京）石油工程学院，E-mail：。本文引用格式：周秋成，罗宁，李健敏，等.旋转磨料射流喷嘴叶轮参数优化设计 J.流体机械，2023，51（2）：33-40.ZHOUQC，LUON，LIJM，etal.Optimizationdesignonswirlersofswirlingabrasivewaterjetnozzle J.FluidMachinery，2023，51（2）：33-40.