CN113326578B - 一种基于曲面优化法的仿生喷嘴结构设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于喷嘴结构设计技术领域，涉及一种基于曲面优化法的仿生喷嘴结构设计方法，首次将蚯蚓的体表特征引入喷嘴内部结构中，基于蚯蚓体表结构特点仿生PDC喷嘴的结构设计，利用有限元仿真技术结合Plackett‑Burman试验和Box‑Behnken实验设计，最终确定新型仿生PDC喷嘴的结构尺寸，通过仿真模拟和研究表明，新型仿生PDC喷嘴的水力特性更好，具有更优秀的辅助破岩能力、清洗能力；其原理科学可靠，将蚯蚓作为生物学模型，仿生其非光滑表面和射流背孔结构设计的新型PDC钻头喷嘴，提高了PDC钻头喷嘴减阻增压喷射的能力和整体的工作性能，缩短了钻井周期，具有良好的市场前景。

Description

一种基于曲面优化法的仿生喷嘴结构设计方法

技术领域：

本发明属于喷嘴结构设计技术领域，涉及一种基于曲面优化法 的仿生喷嘴结构设计方法，基于蚯蚓体表结构特点仿生设计PDC喷 嘴结构，确定PDC喷嘴最优结构参数组合。

背景技术：

仿生学一词是1960年由美国斯蒂尔根据拉丁文“bios(生命方式 的意思)”和字尾“nlc(‘.具有……的性质’的意思)”构成的，某些 生物具有的功能迄今比任何人工制造的机械都优越得多，仿生学就是 要在工程上实现并有效地应用生物功能的一门学科。例如关于信息接 受(感觉功能)、信息传递(神经功能)、自动控制系统等，这种生物 体的结构与功能在机械设计方面给了很大启发。可举出的仿生学例 子，如将海豚的体形或皮肤结构(游泳时能使身体表面不产生紊流) 应用到潜艇设计原理上。又比如，苍蝇是细菌的传播者，一般归类为 害虫，可是苍蝇的楫翅是天然导航仪，而且，它的眼睛是一种“复 眼”，由3000多只小眼组成，人们模仿它制成了“蝇眼透镜”，“蝇眼 透镜”是一种新型光学元件，由几百或者几千块小透镜整齐排列组合 而成的，它的用途很多，用它作镜头可以制成“蝇眼照相机”，一次 就能照出千百张相同的相片，这种照相机已经用于印刷制版和大量复 制电子计算机的微小电路，大大提高了工效和质量。在过去几十年 内，仿生学得到迅速发展和应用。

蚯蚓体表的非光滑结构在蚯蚓运动减粘降阻中起到了重要的作 用，体表典型的波纹形非光滑单元可以增强湿润性，提高亲水能力， 使背孔喷射的液体极短时间内均匀的分布于体表，以降低穿梭在土壤 中的阻力。这种非光滑单元加背孔射流共同耦合的减阻机理为设计性 能高、流体喷射力强的射流钻井喷嘴提供了新的设计思路。

随着油田勘探工作的不断深入，如何快速、高效、低成本的开发 石油资源已经成为石油公司竞相追逐的目标，钻井技术以及工艺的发 展、钻头结构的设计、制造和使用都是制约石油勘探业发展主要因 素。其中，钻井行业常用的钻井工具——金刚石复合片(PDC)钻头 随着技术的发展，质量和类型以及制造工艺都有了显著提高，在PDC 钻头大规模的推广使用过程中，各种问题逐渐显现，缺乏PDC钻头 成型、高效的设计思路与方法是最主要的问题之一。

现有PDC喷头结构研究是针对水力结构进行仿真数值计算的结 果为基础进行微调。要达到预期目标值，该过程往往需要花费大量的 时间和重复计算，费时费力。因此，急需一套高效、可行的PDC喷 嘴结构设计流程体系，通过提高PDC喷嘴设计效率，提高非常规油 气开发效率，实现“非常规油气革命”，具有重要的战略意义。

PDC喷嘴内壁为光滑表面，流体在经过后会产生相当大的压力损 失。若采用仿生思维，将PDC喷嘴内壁设置成非光滑面+辅助射流孔 结构，来改善喷嘴内部流场，降低流体的沿程损失，加强水射流的破 岩能力，进而提高机械钻速和钻井产量，减少作业成本。不失为钻井 喷嘴设计的一种新思路。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术中存在的缺点，研发设计一种 基于曲面优化法的仿生喷嘴结构设计方法，解决PDC钻头在结构设 计时无标准可用、人为随机性强、不稳定和效率低的问题。

本发明涉及的基于曲面优化法的仿生喷嘴结构设计方法的工艺过 程为：首先，基于仿生学原理，参照蚯蚓体表减阻的功效，运用3D 扫描技术扫描蚯蚓头部体表，然后，用gom(评估三维测量数据软 件)成像软件提取蚯蚓体表的头部的轮廓曲线，运用到PDC钻头回路 中，再基于仿真技术，对PDC喷嘴进行相关数据仿真，再基于仿真结 果，运用Design-Expert(多参数实验设计软件)软件，通过响应曲 面法对仿真参数进行优化，确定设计最优参数组合，最后，通过有限 元分析进行仿真验证。

本发明涉及的基于曲面优化法的仿生喷嘴结构设计方法的具体工 艺过程为：首先，采用3D扫描仪扫描蚯蚓体表结构，确认蚯蚓的三 种运动状态：收缩状态、静止状态和舒张状态，以头部伸缩状态为基 础(研究表明伸缩状态减阻效果最好)，再次扫描头部体表结构信 息；然后，基于gom软件，提取头部体表曲线；将头部体表结构信息 运用到PDC喷嘴结构内部；再运用有限元分析软件ANSYS仿真软件中 的FLUENT(流体仿真软件)模块对PDC喷嘴进行仿真，通过查看和 分析仿真结果，确定优化参数和目标值；再基于Design-expert(多 参数实验设计软件)软件设计多因素实验，通过设计Plackett- Burman(筛选试验设计模块)试验，以喷射距离为响应值，筛选出影 响显著的物理参量以及最陡爬坡试验结果，根据Box-Behnken(响应 曲面设计类型，不包含嵌入因子或部分因子设计)实验设计，确定最优参数组合，进而确定PDC喷嘴最优结构，最后，基于FLUENT(流 体仿真软件)进行仿真验证目标值是否最优。

本发明涉及的3D扫描仪为gom三维扫描仪，扫描精度为 0.01mm，像素为1200万。

本发明与现有技术相比，首次将蚯蚓的体表特征引入喷嘴内部 结构中，基于蚯蚓体表结构特点仿生PDC喷嘴的结构设计，利用有 限元仿真技术结合Plackett-Burman试验和Box-Behnken实验设 计，最终确定新型仿生PDC喷嘴的结构尺寸，通过仿真模拟和研究表明，新型仿生PDC喷嘴的水力特性更好，具有更优秀的辅助破岩 能力、清洗能力；其原理科学可靠，将蚯蚓作为生物学模型，仿生 其非光滑表面和射流背孔结构设计的新型PDC钻头喷嘴，提高了 PDC钻头喷嘴减阻增压喷射的能力和整体的工作性能，缩短了钻井 周期，具有良好的市场前景。

附图说明：

图1为本发明的工艺流程框图。

图2为本发明涉及的光滑喷嘴的主体结构原理示意图。

图3为本发明涉及的光滑喷嘴的实物示意图。

图4为本发明涉及的光滑喷嘴的实物剖面示意图。

图5为本发明涉及的仿生喷嘴的主体结构原理示意图。

图6为本发明涉及的仿生喷嘴的实物示意图。

图7为本发明涉及的仿生喷嘴的实物剖面示意图。

图8为本发明涉及的喷嘴外部薄壁圆筒示意图。

图9为本发明涉及的喷嘴出口外部的流场流体域示意图。

图10为本发明涉及的光滑内壁喷嘴仿真速度迹线图。

图11为本发明涉及的凸包非光滑+辅助射流孔喷嘴仿真速度迹线 图。

图12为本发明涉及的光滑内壁喷嘴仿真内流场迹线图。

图13为本发明涉及的凸包非光滑+辅助射流孔喷嘴仿真内流场迹 线图。

图14为本发明涉及的光滑内壁喷嘴仿真涡流图。

图15为本发明涉及的凸包非光滑+辅助射流孔喷嘴仿真涡流图。

图16为本发明涉及的仿生喷嘴内壁压力云图剖视图。

图17为本发明涉及的仿生喷嘴内壁压力云图左视图。

图18为本发明涉及的仿生喷嘴内壁应变云图剖视图。

图19为本发明涉及的仿生喷嘴内壁应变云图截面图。

图20为本发明涉及的设计点图。

图21为本发明涉及的各设计变量对目标变量的敏感度图。

图22为本发明涉及的凸包半径和凸包厚度的最大变形量响应面 图。

图23为本发明涉及的凸包半径和射流孔长度的最大变形量响应 面图。

图24为本发明涉及的凸包厚度和射流孔长度的最大变形量响应 面图。

图25为本发明涉及的凸包半径和凸包厚度的最大应变响应面 图。

图26为本发明涉及的凸包半径和射流孔长度的最大应变响应面 图。

图27为本发明涉及的凸包厚度和射流孔长度的最大应变响应面 图。

图28为本发明涉及的凸包半径和凸包厚度的最大应力响应面 图。

图29为本发明涉及的凸包半径和射流孔长度的最大应力响应面 图。

图30为本发明涉及的凸包厚度和射流孔长度的最大应力响应面 图。

图31为本发明实施例1设计的PDC多牙轮仿生钻头的主体结构 示意图。

图32为本发明实施例1设计的PDC多牙轮仿生钻头的主体结构 剖视图。

具体实施方式：

下面通过实施例并结合附图对本发明作进一步说明。

实施例1：

本实施例涉及的基于曲面优化法的仿生喷嘴结构设计方法以光滑 喷嘴为例，将蚯蚓作为生物学模型，仿生其非光滑表面和射流背孔结 构设计仿生喷嘴，以提高喷嘴减阻增压喷射的能力。

在建模过程中，为与模型图纸相符，并且保持尺寸精度，采用 mm作长度单位。对喷嘴内外流场进行仿真分析，为了研究喷嘴外部 流场特性，在喷嘴出口外建立内壁直径为140mm、长度为400mm的薄 壁圆筒，用于形成喷嘴外部流场的计算域。在喷嘴入口大径处加一段 管道，用来模拟进口流体域。

在喷嘴设计的FLUENT(流体仿真软件)模拟计算中，确定边界 条件，设置压力入口与出口。

在图10和11所示的喷嘴结构的速度矢量迹线图中，颜色越趋向 于红，代表速度越大，颜色越趋于蓝色，代表速度越小。由图可知， 喷嘴出口处流体速度最大，两种结构的迹线图无太大差别，凸包非光 滑+辅助射流孔喷嘴的流速最大值>光滑内壁喷嘴的流速最大值。

从图12和13所示的内部流场速度矢量图可以看出，凸包非光滑 +辅助射流孔喷嘴的流场迹线量大于光滑内壁喷嘴的流场迹线量，流 体直接从喷嘴入口缩小流道面积进入喷嘴出口，凸包非光滑+辅助射 流孔喷嘴内壁流体迹线明显多于光滑内壁喷嘴内壁流体迹线，其出口 迹线等速核也明显大于光滑内壁喷嘴。凸包非光滑+辅助射流孔喷嘴 内壁中由于存在四个辅助射流孔，增大了内壁湍流的数目，产生了更 多的扰动迹线，使得内部迹线更加密集，增加了湍流的不确定性，缓 和了主流体和壁面的粘度，提高了喷射速度。

在流体末端产生较大水团，末端水团越小，说明流体到达此处时 的射流压力越大。由图14和15所的喷嘴仿真涡流图可知，在喷嘴外 部流场中，光滑内壁喷嘴产生了最多的涡旋，射流角最大，喷射的流 体最为分散，凸包非光滑+辅助射流孔喷嘴产生的涡旋最少，射流角 最小，喷射的流体最为集中。

对喷嘴内壁进行流固耦合分析，由图16所示的仿生喷嘴网格图 可知，喷嘴所受的力是由流体产生的压力引起的，即为压力载荷。首 先，选择喷嘴内壁为流固耦合面(FluidSolid Interface)，然后， 选择CFD Surface为流体壁面Wall，对液体分布器内壁施加压力载 荷(Imported Pressure)，如图17可知喷嘴内壁非光滑结构处受力 最大，进口处受力大于出口处受力；固定约束施加于喷嘴外壁上。

在求解器中设置喷嘴所受的主应力Equivalent、主应变 Equivalent Stress和整体变形Total Deformation，运行求解器， 得出如图16-19所示的结果，可知，喷嘴在内部流道缩口处形变最 大，凸包非光滑面从喷嘴进口到喷嘴出口形变逐渐增大。所受应力主 要分布在流道结构的圆弧地段和辅助射流孔通道的进口处。喷嘴受流 体冲击最大形变量为3.4169x10^-4mm，最大应变为1.811x10^-4，最大应 力为34.878MPa，变形的凸包对流场影响甚微。

尺寸参数优化设计采用响应面优化设计(由于喷嘴结构中仿生非 光滑结构和辅助射流孔的部分尺寸是主观确定的，因此需要进行优 化)。通过Design Exploration(优化设计专家)模块中的 Plackett-Burman试验,确定主要影响因子。取设计变量为凸包半 径，在设计凸包厚度时定义了凸包埋没于壁面的距离为设计量，则凸 包厚度＝凸包半径尺寸-定义设计量。

基于Box-Behnken实验设计，取最大应变量P1-Equivalent Elastic StrainMaxmum、最大应力值P2-Equivalent Stress Maximum和最大整体变形值P3-TotalDeoformation Maximum为目标 变量进行优化。在设计实验变量中，设置凸包半径值域为0.585- 0.715mm，凸包厚度值域为0.2-0.3mm，辅助射流孔长度值域为 0.72-0.88mm，得到的设计点如图20所示，进行优化分析。

为表征各设计变量对目标变量的敏感度，红色为凸包半径对目标 变量的影响，黄色为凸包厚度，蓝色为辅助射流孔长度，由图21所 示，可知，对于最大变形量，凸包厚度的敏感度最大，其次为凸包半 径，最后为射流孔长度；对于最大应变量，射流孔长度的敏感度最 大；对于最大应力，三者敏感度几乎相同。

根据图22-24所示的各参数对最大形变量的响应面图，研究各设 计变量对目标变量的综合影响：凸包半径在0.585-0.645mm之间时， 最大形变量急剧降低，在0.645-0.665mm之间时，呈抛物线趋势，在 0.655mm左右时到达最低，从0.665mm开始缓慢增大，到达0.69mm 左右时，增长趋于平缓，最大形变量逐渐稳定。凸包厚度在0.2- 0.25mm时，最大形变量急剧降低，在0.25mm左右时到达最低点，之 后呈缓慢增长趋势；对于射流孔长度，在0.72-0.76mm时，最大形变 量逐渐增加，在0.76-0.8mm时，最大形变量急剧降低，在0.8-0.84 时，最大形变量又急剧增加，在0.84-0.88mm时，最大形变量又呈逐 渐降低趋势。

根据图25-27所示的各设计变量对最大应变的响应面可知：凸包 半径在0.59-0.66㎜时，最大应变量呈逐渐降低趋势，凸包半径在 0.66-0.68㎜时，最大应变量逐渐提高，在凸包半径为0.69㎜之 后，最大应变率又逐渐降低；凸包厚度在0.2-0.25㎜时，最大应变 量逐渐降低，凸包厚度在0.25-0.3㎜时，最大应变率逐渐增加；射 流孔长度在0.78-0.8㎜时，最大应变量缓慢增加，射流孔长度在 0.8mm之后，最大应变量急剧增加。

根据图28-30所示的各设计变量对最大应力的响应面可知：凸包 半径在0.59-0.73㎜时，最大应力呈逐渐降低趋势；凸包厚度在 0.21-0.25㎜时，最大应力逐渐降低，凸包厚度在0.25-0.3㎜时， 最大应力逐渐增加；射流孔长度在0.72-0.76㎜时，最大应力逐渐提 高，射流孔长度在0.76-0.79㎜时，最大应力逐渐降低，射流孔长度 在0.79-0.88㎜时，最大应力又逐渐增加。

经过上述分析，考虑到影响目标变量的综合因素，最终选取凸包 半径为0.71mm，凸包厚度为0.26mm，射流孔长度为0.74mm作为响 应面优化尺寸。

将优化尺寸参数带入模型中重新计算，通过FLUENT仿真验证得 知：优化尺寸后喷嘴中的水力冲击速度更大，喷嘴射流能量衰减更 慢，等压核和等速核远远长于优化前尺寸，射流轴线更加集中，性能 更好。

最终设计得到的PDC多牙轮钻头如图31-32所示，其是基于仿蚯 蚓体表设计的水射流钻井喷嘴，能够提高整体的工作性能，缩短钻井 周期。

Claims (4)

1.一种基于曲面优化法的仿生喷嘴结构设计方法，其特征在于，工艺过程为：首先，基于仿生学原理，参照蚯蚓体表减阻的功效，运用3D扫描技术扫描蚯蚓头部体表，然后，用gom成像软件提取蚯蚓体表的头部的轮廓曲线，运用到PDC钻头回路中，再基于仿真技术，对PDC喷嘴进行相关数据仿真，再基于仿真结果，运用Design-Expert软件，通过响应曲面法对仿真参数进行优化，确定设计最优参数组合，最后，通过有限元分析进行仿真验证；具体工艺过程为：首先，采用3D扫描仪扫描蚯蚓体表结构，确认蚯蚓的三种运动状态：收缩状态、静止状态和舒张状态，以头部伸缩状态为基础，再次扫描头部体表结构信息；然后，基于gom软件，提取头部体表曲线；将头部体表结构信息运用到PDC喷嘴结构内部；再运用有限元分析软件ANSYS仿真软件中的FLUENT模块对PDC喷嘴进行仿真，通过查看和分析仿真结果，确定优化参数和目标值；再基于Design-expert软件设计多因素实验，通过设计Plackett-Burman试验，以喷射距离为响应值，筛选出影响显著的物理参量以及最陡爬坡试验结果，根据Box-Behnken实验设计，确定最优参数组合，进而确定PDC喷嘴最优结构，最后，基于FLUENT进行仿真验证目标值是否最优。

2.根据权利要求1所述的基于曲面优化法的仿生喷嘴结构设计方法，其特征在于，3D扫描仪为gom三维扫描仪。

3.根据权利要求2所述的基于曲面优化法的仿生喷嘴结构设计方法，其特征在于，3D扫描仪的扫描精度为0.01mm。

4.根据权利要求2或3所述的基于曲面优化法的仿生喷嘴结构设计方法，其特征在于，3D扫描仪的像素为1200万。

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