为了提高硬质地层中扩孔气动冲击器的排屑性能,基于岩屑颗粒在排屑流场中的临界流速原则,运用计算流体力学理论和Fluent仿真软件,研究了一种与排屑性能相关的扩孔气动冲击器设计方法,并将该设计方法在反向扩孔气动冲击器上进行应用.得到设计前后冲击器排屑流场内气相速度分布规律,岩屑颗粒速度及轨迹变化情况和环路内岩屑颗粒浓度分布情况.研究结果表明:反向扩孔气动冲击器排屑流场环路内岩屑颗粒临界流速为6.02 m/s,采用该设计方法能够有效地增加反向扩孔气动冲击器的排屑性能,使得排屑流场环路内气流速度增加到10 m/s左右,岩屑颗粒在排屑流场的停留时间减短,流场内颗粒浓度分布范围由0~100 kg/m3下降到0~4 kg/m3.

为了研究集束式扩孔气动冲击器的排屑性能。建立了其排屑流场模型,运用计算流体力学理论和FLUENT仿真软件,对气固两相流场进行仿真计算,并进一步分析冲击器不同钻进速度和尾气质量流量对其排屑能力的影响,得到排屑流场气相特性规律,岩屑分布规律,不同钻进速度和入口气相质量流量下的颗粒浓度分布。研究结果表明冲击器排气孔尾气进入排屑流场后流速降低,流场压力由入口到出口呈梯度分布且逐渐降低;岩屑颗粒向流场底部聚集,颗粒平均浓度沿着远离入口方向变化不大,最大浓度沿着远离入口方向逐渐下降,最终趋于平稳;施工时最大钻进速度应低于8.4 m/h,增大尾气质量流量排屑能力增强。