自激脉冲喷嘴利用附壁效应原理,在不需要外界作用力和运动部件条件下产生周期性振荡脉冲射流,可用于石油钻井、工业清洗和流量测量等多个领域。论文对某深井井下用自激脉冲喷嘴进行流场数值模拟与结构优化设计,并探究其相关机理和性能。首先,采用验证过的数值模拟方法,对初始的喷嘴内流场进行数值模拟,探明了喷嘴出口产生周期性振荡脉冲射流的现象及原因。然后,针对不同结构参数的喷嘴内流场进行数值模拟,分析喷嘴出口压力脉动幅值的影响因素,结果表明:压力脉动幅值随反馈通道直径的增大先增大后减小,随附壁夹角增大而增大,随出口直径增大不断减小。以压力脉动幅值最大为优化目标,采用中心复合响应面法优化得到喷嘴尺寸为:反馈通道直径16 mm,附壁夹角27°,出口直径14 mm。其次,在喷嘴外加入围压为30MPa的外流场后发现,脉冲频率仅与结构尺寸和入口雷诺数有关,与外流场无关。射流进入外流场后,依然保持脉冲振荡特性,在冲击面上的最大冲击压力点会在中心位置两侧周期性振荡。当靶距为70 mm、入口流速15 m/s时,射流产生的滞止压力最大,为31.65 MPa。随着靶距的增加,滞止压力不断下降并逐渐接近环境压力。通过射流冲击岩石单向流固耦合数值模拟,得到在一个周期内岩石上最大等效应力为30.80 MPa,冲击面中心点处的等效压力脉动幅值为1.2 MPa,脉动冲击效果良好。最后,通过可视化冲击实验研究,探究并验证自激脉冲喷嘴冲击性能。实验可以清晰地观察到喷嘴出口的脉冲射流现象,同时分析实验数据发现喷嘴射流冲击压力和压力脉动幅值都随着流量的增加而不断增加,当喷嘴入口流量为14 m~3/h时,冲击压力可达为0.54 MPa,压力脉动幅值可达0.13 MPa。数值模拟结果与实验最大冲击压力拟合值间相对误差为9.77%,验证了数值模拟方法的可靠性。