随着油气资源勘探开发逐渐向深部、超深部地层进发,传统喷射钻井的效率大幅下降,在高围压下提速效果非常有限。因此有必要探索新兴技术和手段提高钻井效率。空化是自然界中一种普遍的物理现象,常常会对水力设备产生严重的破坏,但是如果能将其引入石油钻井,能有效提高钻井效率。本文以前人提出的自振空化喷嘴为研究对象,通过数值模拟和实验研究其流场特性。首先通过理论分析和室内实验,探究了自振空化喷嘴自振腔内的水声学特性,结果表明自振腔内流体共振频率是自振腔的固有属性,与射流工作参数无关,而其中最重要的影响因素是自振腔的长度;随着自振腔长度的增加,其固有频率降低,呈现负幂次的规律;不同结构的喷嘴有其相应的合理射流工作参数范围。接着通过大涡模拟的方式研究了喷嘴出口(即流场入口)速度脉动幅值和频率对射流流场的影响,发现周期性脉动的流场入口速度有利于保持射流的集中性,射流不易发散,特别是当斯特劳哈尔数等于0.3时更为明显;脉动有利于旋涡发展得更远。对于宏观流场特性,采用湍流模型、多相流模型和空化模型,数值模拟研究自振喷嘴射流流场,分析了喷嘴上游压力、喷嘴出口直径、喷嘴出口长度、喷嘴出口扩散角和围压对流场的影响,结果表明喷嘴的无量纲最优喷距范围为7~14,并且泵压基本不会影响最优喷距;喷嘴出口扩散角为30度时射流速度较高且衰减得相对较慢,喷嘴出口形成的汽相含量较高,且井底存在比较大的漫流横推速度;其他条件不变时,围压对射流流场速度和涡量大小存在抑制作用。最后进行空化射流冲蚀实验,结果发现,冲蚀面冲蚀坑的分布形态有三种,分别是中心密、周围疏的中心密布型(记为形态I),均匀分布型(记为形态II)和中间空、往外密、再往外又疏的环状密布型(记为形态III);随着喷距的增大,空化射流的空蚀强度减弱;围压对空蚀强度的影响基本没有一个明显的规律。本论文在前人自振空化技术研究的基础上,进一步探索空化发生机理,研究自振空化喷嘴射流流场,定量描述空化冲蚀性能,以此为基础改进喷嘴设计,为进一步提高钻井效率、降低钻井成本提供理论基础。