优化凹槽螺旋钻杆：数值模拟与最佳结构参数研究

"该文研究了凹槽螺旋钻杆在煤矿井下小孔径浅孔钻进中的应用，通过正交试验设计与工程流体动力学（EFD）的数值模拟，对凹槽结构参数进行了优化，以提高钻进效率和成孔质量。主要关注的结构参数包括凹槽数量、凹槽深度、凹槽宽度、凹槽结构形式、凹槽螺距以及凹槽底部圆角半径。研究表明，这些参数对Φ63mm凹槽螺旋钻杆的排渣性能有显著影响。经过优化，得出最优的结构参数组合为：N=3条凹槽，平底式结构，凹槽螺距P=160mm，凹槽宽度L=30mm，凹槽深度d=3.5mm，凹槽底部圆角半径R=4mm。关键词包括凹槽螺旋钻杆、正交试验设计、工程流体动力学、数值模拟和极差分析。" 这篇论文探讨的是在煤矿井下钻孔作业中，如何通过改进凹槽螺旋钻杆的结构参数来提升钻进效率和成孔质量。凹槽螺旋钻杆是一种特殊设计的钻杆，其表面带有凹槽，旨在改善钻孔过程中的排渣效果，从而加快钻进速度。研究中，采用了正交试验设计方法，这是一种统计学上的实验设计手段，可以有效地探索多个因素对结果的影响，并确定各个因素的重要程度。 论文利用工程流体动力学（EFD）进行数值模拟，这是一种计算流体力学的应用，用于模拟和分析流体流动及相关的物理现象。在本研究中，EFD被用来模拟钻杆旋转时凹槽内的流体流动，以便理解不同结构参数如何影响排渣效率。通过数值模拟，研究者能够观察到各种参数变化如何改变流场特性，从而影响排渣性能。 在研究过程中，六个关键的结构参数被识别出来，它们分别是：凹槽数量（N）、凹槽深度（d）、凹槽宽度（L）、凹槽结构形式（例如平底式）、凹槽螺距（P）和凹槽底部圆角半径（R）。每个参数都对钻杆的排渣效果有显著影响，通过调整这些参数，可以优化钻杆的设计，使其在特定条件下达到最佳工作状态。 经过一系列的数值模拟和优化，研究人员发现了一组最优的结构参数组合：N=3条凹槽，这意味着钻杆上有三条等间距的凹槽；平底式凹槽结构，这种结构可能提供了更好的排渣路径；凹槽螺距P=160mm，这个距离决定了螺旋凹槽的紧密程度；凹槽宽度L=30mm，影响了排渣通道的大小；凹槽深度d=3.5mm，控制了容纳和推送岩屑的能力；凹槽底部圆角半径R=4mm，可能有助于减少阻力并促进流体流动。 这些优化后的参数对于提高Φ63mm凹槽螺旋钻杆的排渣效果至关重要，进而提高了钻进速度和成孔质量。该研究的成果对于煤矿井下的钻探作业具有重要的实践意义，为设计更高效、更耐用的钻杆提供了理论依据。同时，所采用的方法论也为其他类似工程问题的解决提供了参考。