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２０２４年８月Ａｕｇ２０２４
第５２卷第１５期Ｖｏｌ５２Ｎｏ１５
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ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊｉｓｓｎ１００１３８８１２０２４１５０１６
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文献引用：吴泽兵，袁若飞，张文溪，等．基于响应面法的仿生ＰＤＣ钻头水力结构优化设计［Ｊ］．机床与液压，２０２４，５２（１５）：１０２１０９．
Ｃｉｔｅａｓ：ＷＵＺｅｂｉｎｇ，ＹＵＡＮＲｕｏｆｅｉ，ＺＨＡＮＧＷｅｎｘｉ，ｅｔａｌ．ＯｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｄｅｓｉｇｎｏｆｂｉｏｎｉｃＰＤＣｂｉｔｈｙｄｒａｕｌｉｃｓｔｒｕｃｔｕｒｅｂａｓｅｄｏｎｒｅｓｐｏｎｓｅ
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ｓｕｒｆａｃｅｍｅｔｈｏｄ［Ｊ］．ＭａｃｈｉｎｅＴｏｏｌ＆Ｈｙｄｒａｕｌｉｃｓ，２０２４，５２（１５）：１０２１０９．
基于响应面法的仿生ＰＤＣ钻头水力结构优化设计
吴泽兵，袁若飞，张文溪，刘家乐，沈飞
（西安石油大学机械工程学院，陕西西安７１００６５）
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摘要：合理的钻头水力结构能避免泥包现象发生，提升钻井效率。为完善仿生ＰＤＣ钻头的水力结构，基于κε湍流模
型和离散相模型对４种不同水力结构方案进行数值计算，确定了最佳方案为喷嘴和辅助喷嘴结合。为确定该方案下最佳结
构参数，使用响应面法建立了以喷嘴直径ｘ，辅助喷嘴直径ｘ、喷嘴距钻头中心径向距离ｘ为设计变量，采样点最大速度
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Ｄ和采样点平均速度Ｅ为目标函数的数学模型，基于回归分析对钻头水力结构进行优化设计，求出最佳参数为喷嘴直径
１６３６ｍｍ，辅助喷嘴直径８ｍｍ，喷嘴距钻头中心径向距离６３８５ｍｍ，并对该参数下的水力结构性能进行了数值计算。结
果表明：优化后的钻头水力结构不仅减少了流体井底速度波动次数，且明显提升了整体速度，解决了原有的涡流现象，增
强了钻井液携岩性能，减小了粒子浓度。
关键词：水力结构；仿生；ＰＤＣ钻头；响应面；优化设计
中图分类号：ＴＥ９２１１
ＯｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎＤｅｓｉｇｎｏｆＢｉｏｎｉｃＰＤＣＢｉｔＨｙｄｒａｕｌｉｃＳｔｒｕｃｔｕｒｅＢａｓｅｄｏｎＲｅｓｐｏｎｓｅ
ＳｕｒｆａｃｅＭｅｔｈｏｄ
ＷＵＺｅｂｉｎｇ，ＹＵＡＮＲｕｏｆｅｉ，ＺＨＡＮＧＷｅｎｘｉ，ＬＩＵＪｉａｌｅ，ＳＨＥＮＦｅｉ
（ＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＣｏｌｌｅｇｅ，Ｘｉ′ａｎＳｈｉｙｏｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ′ａｎＳｈａａｎｘｉ７１００６５，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｒｅａｓｏｎａｂｌｅｂｉｔｈｙｄｒａｕｌｉｃｓｔｒｕｃｔｕｒｅｃａｎａｖｏｉｄｍｕｄｂａｇｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎａｎｄｉｍｐｒｏｖｅｄｒｉｌｌｉｎｇｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ．Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｉｍｐｒｏｖｅ
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