|
ограниченных на достаточно больших /. При встрече с преградой осесимметричная струя трансформируется в веерную струю, распространяющуюся строго вдоль преграды. В литературе [82] распространено представление об отражении струи от преграды, т.е. считается, что после удара о преграду струя отражается от нее под некоторым углом от 20 до 30° подобно мячику. Это неверно, так как в гидродинамике [81] давно установлено явление прилипания струи к преграде, называемое эффектом Коанда. Эффекта Коанда объясняется тем, что струя не может оторваться от поверхности. преграды, ибо при отрыве сразу под ней падает давление и струя прижимается к преграде статистическим давлением окружающей среды. При ударе струи о преграду на последнюю действует сила, определяемая выражением Р =/ * р»2 (1 С05 (X), (6.3) где /площадь поперечного сечения струи; р плотность вещества струи; V средняя скорость струи; аизменение направления струи при ударе о преграду. Эта сила действует на определенную площадь преграды, называемую пятном струи. Площадь пятна струи зависит от значения а и отличается от/ Гидродинамическое давление струи в пятне переменное. Оно максимально в центре пятна, т.е. на оси струи, где достигает полного скоростного напора струи, равного рг?ос/2 {ьос осевая скорость струи), а на краю равно нулю (см. рис. 6.1) Отсюда следует, что жидкость в центре пятна струи неподвижна, а по мере приближения к краю скорость движения возрастает и достигает максимума на краю. Надо отметить, что в работе [82] гидродинамическое давление на оси струи определено делением силы удара струи на преграду на площадь поперечного сечения струи до удара. В дальнейшем это выражение широко распространилось в буровой литературе и иногда применяется даже в настоящее время, хотя в работе [84] показана ошибочность данных выкладок, поскольку они нарушают закон сохранения энергии. Давление на оси струи получается выше скоростного напора в два и более раз. Ошибка возникла из-за того, что сила удара, как отмечено выше, действует в пятне струи, имеющем площадь, отличную от площади поперечного сечения струи до удара. Это показал еще Д. Бернулли. Максимальное удельное давление струи на преграду не может быть выше скоростного напора на оси струи. Скоростной напор на оси струи после начального участка начинает интенсивно снижаться. Общий характер изменения скоростного напора (динамического давления) на оси струи по ее длине приведен на рисунке 4.2, где Р осевое давление на основном участке струи; Р0 осевое давление на срезе насадки; / длина основного участка струи; А0 диаметр насадки на срезе. 154 |
* * забой. Именно этими обстоятельствами объясняется тот широкий интерес, который проявили специалисты в области бурения скважин к РГПЖ в 60-х годах как в нашей стране, так и за рубежом. 11а сегодня выполнен большой объем экспериментальных исследований РГПЖ как лабораторных, так и промысловых, включая бурение глубоких скважин. I Основные закономерности струйного движении и действия струи на преграду Струей называется масса движущейся сплошной среды, ограниченная замкнутой поверхностью, на которой значение скорости движения и других физических параметров I • изменяются скачкообразно. Если струя распространяется в неограниченном пространстве, , * . * она называется свободной.’ Если пространство) ограниченно стенками, струя называется ограниченной. Струя называется затопленной, если она распространяется в среде, имеюI шей плотность равную или больше плотности вещества самой струи. Если плотность среды меньше, струя называется незатопленной. Струйное движение жидкостей и газов достаточно хорошо изучено в гидродинамике. В работах [62.63] при веден к закономерности распространения свободных и ограниченных, затопленных и незатопленных струй,, а также воздействия их на преграду. Движение ограниченных затопленных струй жидкости, их действие на преграду применительно к бурению скважин рассмотрено в работах [64.65]. В общем случае, схема движения струи, истекающей из круглой цилиндрической насадки и ее взаимодействие с преградой представлена на рис. 3.2. После истечения из насадки струя монотонно расширяется вследствие увлечения за счет вязкого трения массы вещества из окружающей среды. Диаметр струи по ее длине увеличивается по следующему закону: * А (3.9) где а темп расширения струи, равный 2(^р. Величина а зависит от условий распространения струи и ее начальных свойств. Одновременно происходит торможение струи, ее осевая скорость сохраняется на определенном протяжении 10 постоянной. Этот отрезок называется начальным участком струи. За начальным участком следует основной участок, на котором происходит снижение и осевой скорости струи. Таким образом, по мере движения струя постепенно размывается, но момент количества движения ее сохраняется постоянным, т.е. ту = то*о = сопх1, (3.10) где т масса вещества струи за определенный отрезок времени. Опыт показывает, что условие (3.9) справедливо не только для свободных струй, но и для ограниченных на достаточно больших Л При встрече с преградой осесимметричная струя трансформируется в веерную струю, распространяющуюся строго вдоль преграды. В литературе [64] распространено 72 I представление об отражении струи от преграды, т.е. считается, что после удара о преграду струя отражается от нее под некоторым углом от 20 до 30° подобно мячику. Это неверно, ибо ^ гидродинамике [63] давно установлено явление прилипания струи к преграде, назы■ ваемос эффектом Коанда. Эффекта Коанда объясняется тем, что струя не может оторваться от поверхности преграды, ибо при отрыве сразу под ней падает давление и струя прижимается к преграде статистическим давлением окружающей среды. При ударе струи о I преграду на последнюю действует сила, определяемая выражением: • Г / Р 1/ (1 -со$ а), (3.11) . • • •I где /площадь поперечного сечения струи; р плотность вещества струи; и средняя скорость струи; а изменение направления струи при ударе о преграду. Рисунок 3.2 Распределение свободно истекающей струи 1насадка; 2 осесимметричная струя; 3 веерная струя; 4 преграда 73 ■ Эта сила действует на определенную площадь преграды, называемую пятном 1 , струи. Площадь пятна струи зависит от значения а и отливается от/. Гидродинамическое давление струи в пятне переменное. Оно максимально в центре пятна, т.е. на оси струи, где достигает-полногоскоростного напора струи; равного ри / 2 осевая скорость струи), а на краю равно нулю (см. рис. 3.2) Отсюда следует, что жидкость в центре пятна струи неподвижна; а по мере приближения к краю скорость движения возрастает и достигает максимума на краю. Надо отметить, что в работе [64] гидродинамическое давление на оси струи определено делением сдлы удара струи на преграду на площадь поперечного сечения струи до удДра. В дальнейшем это выражение широко распространилось в буро* вой литературе и иногда применяется даже в настоящее время, хотя в работе [66] показана ошибочность данных выкладок, поскольку они нарушают закон сохранения энергии. Давление на оси струи получается выше скоростного напора в два и более раз. Ошибка воз« никла из-за того, что сила удара, как отмечено выше, действует в пятне струи, имеющем площадь, отличную от площади поперечного сечения струи до удара. Это показал еще Д. Бернулли. Максимальное удельное давление струи на преграду не может быть выше с ко-, ростного напора на оси струи. Скоростной напор на оси струи после Начального участка начинает интенсивно снижаться. Общий характер изменения скоростного напора (динамического давления) на оси струи по ее длине приведен на рисунке 3.3, где Р осевое давление на основном участке струи; Р0 осевое давление на срезе насадки; I длина основного участка струи; йо диаметр насадки на срезе. Детальное экспериментальное исследование движения затопленной струи выполнено Варламовым Е.П. [67]. Он показал, что приведенная на рис. 3.3 зависимость вполне удовлетворительно аппроксимируется выражением >1-1**", (3.12) где а и Ь коэффициенты, зависящие от конструкции насадки, стесненности струи. В работе приведены конкретные значения данных коэффициентов для широкого круга насадок и условий истечения струи. Естественно, при достижении определенного значения Р может начаться разрушение преграды, что является физической основой РГПЖ, положившей начало его практическому применению. |