基于CFD的节流阀防刺短节的流场分析_程立_第1页
基于CFD的节流阀防刺短节的流场分析_程立_第2页
基于CFD的节流阀防刺短节的流场分析_程立_第3页
全文预览已结束

下载本文档

版权说明:本文档由用户提供并上传,收益归属内容提供方,若内容存在侵权,请进行举报或认领

文档简介

基于 CFD 的节流阀防刺短节的流场分析 * 程立, 林玉龙, 刘洋, 苗玉礼 ( 西南石油大学 机电工程学院, 四川 成都610500) 摘要: 采用 CFD 三维流场分析软件对楔形节流阀防刺短节的流场进行模拟, 研究防刺短节中流体的流速及压力变 化。结果表明: 在给定的边界条件下, 流体经过防刺短节进出口端时, 平均速度差基本不变, 压强差在 0 29 0 3MPa 之间变化, 最大速度( 16 36m/s) 发生在防刺短节出口壁面处( 即合金头的下端部位) , 合金头用硬质 合金材料, 此最大速度对其影响不大, 故其不会受到较大的冲蚀。因此, 在实际工况下, 这种防刺装置可以正 常使用。 关键词: 防刺短节; 井控管汇; 三维流场分析; 冲蚀 中图分类号: TE2文献标识码: A 文章编号: 1007 4414( 2011) 05 0023 03 The flow field analysis of throttle valve with erosion resistance device based on CFD ChengLi,Lin Yu long,LiuYang,Miao Yu li ( College of mechanical and electrical engineering,Southwest petroleum university,Chengdu Sichuan610500,China) Abstract:In this paper,by using analysis for three dimensional flow field software of CFD,flow field of erosion resistance device has been simulated,and the results show that:in given boundary conditions,and there is no large change in average velocity when flow through the inlet and outlet end of the erosion resistance device Fluid pressure differential is change among 0 29 0 3 MPa,change of velocity is very small,the maximum velocity( 16 36 m/s)is happening in the wall of the device outlet ( the below parts of the head alloy) Alloy head is made of carbide material,the maximum speed has no great effect on alloy head,and the erosion resistance device would not be eroded greatly Therefore,in actual conditions,the erosion resist- ance device can be used normally Key words:erosion resistance device;well control header;analysis for three dimensional flow field;erode 1引言 在高压油气井压井过程中, 节流阀的工作条件十 分恶劣, 流量大, 工作压力高, 且流体介质具有腐蚀性 强、 粘度低、 汽化压力高、 含有许多坚硬的固体颗粒等 特点, 使节流阀面临气蚀、 冲蚀、 腐蚀作用的破坏。冲 蚀磨损是节流阀正常工作下失效的主要形式, 其典型 失效形式如图 1 所示。节流阀防刺短节装置是一种 新型的防刺装置, 它与节流阀的出口端, 能够缓解流 体对节流阀出口壁面的冲蚀, 然而以前的文献中只对 节流阀的流场进行过分析, 而没有单独对这种防刺装 置的流场做过研究, 基于流体力学控制方程, 采用三 维 CFD 流场分析的方法, 对楔形节流阀防刺装置的 流场特性进行分析, 为这种新型防刺装置的现场应用 提供理论参考。 图 1节流阀阀体出口端典型失效形式 2控制方程 泥浆在节流阀内的流动是非常复杂的湍流流动, 但是为了简化分析, 采用标准 k 方程模型作为封 闭方程, 得到了流体在防刺短节中流动所满足的控制 方程 1 。 连续性方程为: t + ( ui) ( xi)=0 ( 1) 动量守恒方程为: ( ui) t + ( uiuj) x i = p x i + x i ( u i x j uiuj) ( 2) 湍流模型为: t + uk xk = xk ( + t t ) xk + c1 k + u i x j ( u i x j + u i x i ) c2 2 k k t + uj k x i = x i ( + t k) k x j+ t u i x j + ( u i x j + u i x i ) ( 3) 32 欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘 研究与分析 机械研究与应用欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘 *收稿日期: 2011 06 29 作者简介: 程立( 1988 ) , 男, 陕西西安人, 硕士, 主要从事石油钻井装备的研究工作。 书书书 t= cu k 2 / ( 4) 式中: 为流体密度, kg/m3; p 为压力, Pa; u 为流体的 速度矢量, m/s; t为湍流粘性系数, kg/( ms) ; 为 耗散率, m2/s3; k 为湍流动能, m2/s2。 标准 k 方程中的相关常数为: Cu=0 09, C1= 1 44, C2=1 92, 1=1, 2=1 3。 3防刺短节介绍 防刺短节的结构及安装位置如图 2 所示。其主 要有本体、 法兰、 短接衬套和短接合金头等零件组成, 阀芯、 阀座、 阀座衬套、 短接衬套和短接合金头均采用 硬质合金材料。钻井液通过节流阀后, 经短接衬套到 达突然剧变的本体内腔, 流向半球形的短接合金头头 部后改变方向, 最后由短接合金头外圆柱面上的孔隙 汇总并由出口流出。防刺短节能消耗对下游部件的 大部分的冲击能量并且使流动阻力变大。 图 2防刺短节安装位置及短节合金头 4流场模型的建立 4 1计算假设 节流阀防刺短节流场是流体机械中比较复杂的 流动之一, 属于黏性、 不可压缩的三维不稳定流动, 但 仍满足基本控制方程, 包括质量守恒、 动量守恒和能 量守恒方程 2 。根据节流阀的特点, 做以下简化: 计算中不考虑流体所受重力的影响; 假定流场系统 为绝热系统, 即与外界无热交换, 计算过程不考虑能 量方程; 不考虑岩屑对流场的影响, 假定为单相流。 4 2网格处理 网格质量的好坏直接关系到流场数值模拟结果 的正确性, 从计算效率、 计算精度和网格划分的难易 出发, 采用非结构化网格划分方法, 使用四面体混合 网格, 入口、 出口和楔形面进行网格细化, 划分后的网 格如图 3 所示。 4 3边界条件 入口采用质量流入口边界, 设定节流阀入口质量 流量为 36kg/s, 密度为 = 1800kg/m3, = 0 02Pa s4 。出口采用压力出口边界, 设定出口背压为 0Pa。 壁面采用无滑移条件, 近壁采用标准壁面函数条件。 研究表明, 经压缩性修正的 RNG k 模型对阀门的 模拟结果比 k 模型更接近于实际状况, 因此, 选用 RNG k 两方程湍流模型。 图 3防刺短节的网格模型及进出口端模型示意图 5仿真结果 为了尽可能客观的描述流体对防刺短节冲蚀的 影响, 下面将针对防刺短节内流场速度及压力变化分 析结果进行讨论。 图 4 为防刺短节对称面剖面上的速度流线图和 压力云图。从速度流线图可以看出, 短节内部( 即过 流面积较大的地方) 的流体中存在明显的涡流, 而且 流线复杂, 高速流体主要集中在出口端与入口端过流 面积变化较小处, 最大压力发生在防刺本体顶部弧面 位置, 最大值为 1 393MPa。整个流场最大速度为 16 36m/s, 在流体进入防刺短节之后, 从防刺短节出 口端可明显看出速度由大变小再变大的趋势, 由 CFD 分析的结果可以得到, 入口平均速度为 14 25 m/s, 出口平均速度为 13 28m/s, 而且在流体经过短 节的时候存在负压, 证明有涡流产生, 短节处左边处 来流速度较大, 且流量比较集中, 经过出口的压强明 显下降, 入口平均压强为 0 3MPa, 出口平均压强 547 3Pa, 故进出口速度差压强差都为 0 293MPa, 和 实际边界条件相符。 图 4防刺短节内流场速度流线图和压力云图 为了进一步分析选取短节中流体的速度剖面为 对象, 从图 5 中可以看出, 左右两侧壁面处于对称形 式布置, 在此选择左侧壁面上的三条竖直线 L1、 L2、 L3 和弧面上的一条弧线 L4来研究速度的变化情况, 探 42 研究与分析 欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘机械研究与应用欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘 寻流速对短节冲蚀作用的影响。 图 5取剖面上 4 条速度直线 图 6与图 5 对应的 4 条直线上的速度分布图 从图 6 可看出速度线 L4中的速度值由小增大然 后变小, 最大冲击速度发生在合金头弧面最上部, 由 于出口端的截面积由小变大且最终流出时出口端的 截面积和入口端截面积相同, L1和 L3可看出, 流体进 入进出口端时, L1上的速度明显比 L3的速度大, 最后 趋于相等, 由于短节中部过流面积最大, 所以其速度 值比速度线 L1、 L3上的值要小, 在据冲蚀机理, 从 L1、 L2、 L3的速度图得知在流量一定的情况下, 过流面积 越小, 速度越大, 与流体力学控制方程一致。 6结语 ( 1)由防刺短节节流阀的压降曲线走向和实际 工作环境基本一致, 压差和速度差几乎为 0, 这说明 流体经过防剌短节后理论值符合实际情况。 ( 2)从防刺短节的结构可以看出, 当流道内环形 空间增大, 可以降低速度造成的冲蚀, 但流场流线复 杂, 出现了很多漩涡, 可能会产生振动和噪声。 ( 3)根据控制方程, 在最大速度和最大压强同时 存在的情况下, 流体对短节合金头的冲击较小, 基本 不会造成对短节本体的失效。从防刺短节在现场应 用情况来看, 还没有失效的案例。防刺短节腔体内流 速较低, 短接合金头没有必要采用硬质合金材料, 本 文建议, 该零件采用普通碳钢材料, 对其表面进行特 殊硬化处理即可, 这样可以极大的降低成本。 参考文献: 1陶文铨 数值传热学M 西安: 西安交通大学出版社, 2001 2BAI L, MITRA N K, FIEBIG M Computation of unsteady 3D turbu- lent flow and torque transmission in fluid couplingsC Fourteenth International conference on numerical methods in fluid dynamics Heidelberg:Springer Berlin, 1995: 435 440 3练章华, 刘干, 易浩, 等 高压节流阀流场分析及其结构改 进 J 石油机械, 2004, 32( 9) : 22 24 4刘干 节流阀结构研究与流场数值模拟分析D 重庆: 西南 石油大学, 櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒 2003 ( 上接第 22 页) 图 9制动距离曲线 根据仿真图, 可以得出以下结论。 ( 1)采取 PID 控制后, 当设定望滑移率为 0 20 时, 较短的控制时间内( 约在控制开始后 0 3s 时) , 滑移率就达到期望值, 在以后的持续时间内车轮的滑 移率始终在期望滑移率附近波动, 而且波动的幅度很 小, 基本上与期望滑移率一致, 控制效果比较理想。 ( 2)从车速与轮速比较可以看出, 制动一开始由 于受到制动器摩擦力矩的作用, 轮速的降比车速快, 滑移逐渐增大, 控制器反复调节后, 当滑移率达到期 望值时, 轮速的下降速度变得较为平缓, 基本与车速 的变化速度相一致, 整个过程中车轮滚动情况较好, 未出现侧滑。 ( 3)从图 7 和图 8 来看, 采用 PID 控制器进行调 节后, 制动力的变化和制动减速度的比较稳定, 缩短 了制动距离, 提高了制动安全性。 从以上仿真分析结果可以证明, 所设计和调试的 PID 控制器, 在以滑移率为控制目标的制动防抱死控 制中, 制动滑移率始终处于最佳滑移率 20% 30% 范围内, 汽车制动效果最好, 因此采用 PID 控制具有 较好的控制效果。 参考文

温馨提示

  • 1. 本站所有资源如无特殊说明,都需要本地电脑安装OFFICE2007和PDF阅读器。图纸软件为CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.压缩文件请下载最新的WinRAR软件解压。
  • 2. 本站的文档不包含任何第三方提供的附件图纸等,如果需要附件,请联系上传者。文件的所有权益归上传用户所有。
  • 3. 本站RAR压缩包中若带图纸,网页内容里面会有图纸预览,若没有图纸预览就没有图纸。
  • 4. 未经权益所有人同意不得将文件中的内容挪作商业或盈利用途。
  • 5. 人人文库网仅提供信息存储空间,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对用户上传分享的文档内容本身不做任何修改或编辑,并不能对任何下载内容负责。
  • 6. 下载文件中如有侵权或不适当内容,请与我们联系,我们立即纠正。
  • 7. 本站不保证下载资源的准确性、安全性和完整性, 同时也不承担用户因使用这些下载资源对自己和他人造成任何形式的伤害或损失。

评论

0/150

提交评论