在油田开采过程中,由于石油组分、压力、温度等因素发生变化,容易在油管内壁等处发生结垢、结蜡现象,给生产带来不利影响,甚至会导致停井停产。油管内壁清洗方法众多,空化水射流清洗技术因其具有工作压力低、冲击力强、经济环保、高效无腐蚀等优点,在众多清洗方法中脱颖而出。它是将水射流技术与空化现象相结合,利用空化气泡溃灭时所产生的高温高压冲击波来增强射流打击效果。为得到适用于内径为62mm油管内壁清洗且性能良好的空化喷嘴,本文采用基于正交试验设计的CFD数值模拟方法,以圆柱段长度、扩散段长度、扩散角和靶距为试验因素,选择打击力和有效打击半径为试验指标,采用ICEM软件对空化喷嘴进行网格划分,并进行网格无关性分析,运用FLUENT模拟软件,采用k-ε湍流模型,Mixture混合模型,Zwart-Gerber—Belamri空化模型,对各组喷嘴结构参数组合进行了数值模拟,通过极差分析和方差分析,得到最佳的空化喷嘴结构参数。确定最佳空化喷嘴结构后,对空化喷嘴与普通喷嘴进行性能对比,验证了空化喷嘴性能好于普通喷嘴;以上述最佳空化喷嘴为研究对象,对其流场特性进行分析;在既能保证清洗效果,又可提高清洗效率的条件下,最终确定整体喷头喷嘴个数为4个;对整体空化喷头进行数值模拟,得到了打击力与有效打击面积的分布规律。为验证模拟结果的准确性,研发了水射流油管清洗试验测试平台。进行正交试验,采用压力传感器测得空化喷嘴射流打击力,将打击力的实测值与模拟值进行比较,验证试验与模拟的一致性;用铝块作为试样进行冲击试验,应用电子天平测量试样冲击前后的质量损失,比较空化喷嘴与普通喷嘴造成的质量损失千分比。采用整体空化喷头对油管内壁进行清洗,观察清洗前后油管内壁表面变化,证明了本文所设计的空化喷头清洗效果显著。本文的研究成果为空化水射流清洗的推广应用提供了理论基础与科学依据,可为油管清洗技术和再制造技术提高、降低油田开采成本提供技术支持。