射流式液动冲击器具有钻进效率高,钻井深度不受限制等优点被成功应用于油气钻井领域,但现目前该冲击器有许多问题亟待解决,如单次冲击功小、冲击频率低、射流元件工作寿命短。为了解决上述问题,本文对射流式冲击器的关键部件—射流元件进行了数值模拟和实验研究。从有限空间射流理论和附壁射流理论出发,对射流元件附壁和切换过程射流流场进行了研究;对射流元件在冲击器中工作时附壁和切换性能进行了研究,提出将临界流速、压力恢复系数、附壁点位置、切换时间作为衡量射流元件工作特性的重要参数;分析影响射流元件工作流场的关键参数,提出将深宽比、位差、控制道宽度、侧壁张角、排空道宽度、排空道高度、输出道宽度、劈距这8项结构参数和输入流量作为影响射流元件工作特性的关键因素。运用射流元件附壁和切换计算模型进行了射流元件内部流场模拟,阐明了射流元件在附壁和切换时内部流场的变化情况。发现当射流稳定附壁时,主射流并非直接附着于壁面之上,附着于壁面上的是从附壁侧控制道流出的流体;深宽比、位差、侧壁张角、输出道宽度、劈距会影响射流元件的附壁稳定性。深宽比增大时,附壁点位置上移,附壁稳定性增加;位差增大时,附壁点位置下移,附壁稳定性降低;侧壁张角增大,附壁点位置下移,附壁稳定性降低;输出道宽度增大,附壁点位置下移,附壁稳定性降低;劈距增大,附壁点位置下移,附壁稳定性降低。研制了射流元件实验装置,设计并加工了实验用射流元件,对不同结构参数的射流元件在不同输入流量下7个关键测点(喷嘴、左右排空道、左右输出道、左右控制道)的压力变化情况进行了测量。通过实验研究,得到了射流元件压力恢复系数在不同输入流量和结构参数下的变化规律:射流元件压力恢复系数只受结构参数的影响,几乎不随输入流量的变化而变化,即是说一旦射流元件的内部结构参数确定了,其压力恢复系数也就确定了;排空道宽度和高度以及输出道宽度对射流元件压力恢复系数的影响最大。在实验取值范围内,排空道宽度越大,射流元件压力恢复系数越低;排空道高度越大,射流元件压力恢复系数越低;输出道宽度越大,射流元件压力恢复系数越高。通过实验研究,得到了射流元件切换时间在不同输入流量和结构参数下的变化规律:对于结构确定的射流元件,存在一个特定的输入流量值,当射流元件输入流量低于该值时,元件切换时间较长,当射流元件输入流量大于该值时,元件切换时间较短。前者为后者的4～6倍。且射流元件处于长切换时间时,其切换时间更容易受结构参数改变的影响;位差、侧壁张角、控制道宽度、劈距、深宽比对射流元件切换时间影响较大,低速切换状态下,这5个结构参数均会对元件切换时间产生影响。高速切换状态下,元件切换时间只会受深宽比、控制道宽度影响。通过实验研究,得到了射流元件临界流速在不同结构参数下的变化规律:几乎所有的结构参数变化都会导致射流元件临界流速改变,且当只有一个结构参数为变量时,射流元件一定存在一个最低的临界流速。