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文档简介
摘要 双向减震器是目前应用广泛的一种井下减震工具。在钻井过程中,它能同时减缓或吸收钻柱纵 向和周向振动,从而减小钻头、钻具及地面设备的振动破坏,维持正常的钻压和转矩。 本文以现场应用的双向减震器作为参考,用f l u e n t 软件建立模型,采用k e 模型,基于有限 体积法,应用s i m p l e 算法,对双向减震器下液压腔流场进行了数值模拟。通过数值计算得到了双向 减震器内部流场的压力分布特性、湍动能分布特性规律,得出长径比与液压腔中硅油减震性能的关 系。同时为了验证数值计算结果,建立实验模型,进行室内实验,并且将实验数据同数值模拟结果 的减震刚度值进行比较,数值计算结果和实验数据的相对误差分别在1 0 以内,在两种模型的比较 分析基础上,对原有模型进行优化设计,为生产实际提供优化方案,说明理论计算结果具有一定的 可信度,从而说明本文所采用的数学模型及算法对双向减震器内部流场的数值计算是可行的,证明 了数学模型和算法的正确性。 本论文的数值计算方法和设计的减震器为进一步研究双向减震器的流场特性及结构优化设计 提供一定的理论基础和经验。 关键词:双向减震器:液压腔;结构优化;数值模拟;湍流 s t u d yo ns t r u c t u r ea n dc h a r a c t e r i s t i co ft w o - w a ys h o c ka b s o r b e r a b s t r a c t t w o w a ys h o c ka b s o r b e ri sas o r to fs h o c ka b s o r b e rt o o lu n d e rt h ew e l li na b r o a dn o w i tc a na b s o r b o rr e d u c eb o t ht r a n s v e r s a la n dl o n g i t u d i n a lv i b r a t i o no ft h ed r i l l i n gs t r i n gi nd r i l l i n go p e r a t i o n s i nt h et h e s i s ,c o n s u l t e dt ot h et w o w a ys h o c ka b s o r b e ri nu s e ,o p t i m i z e dn o r m a lm o d e ,c o n s t r u c t e da n e wt y p eo ft w o w a ys h o c ka b s o r b e r ,c o m p u t e rm o d e li sf o u n d e db yf l u e n t ,t h ea r t i c l ef i r s t l ys i m u l a t e s t h ei n t e r n a lf l o wf i e l do ft w o w a ys h o c ka b s o r b e rb yu s i n gk 一m o d e l b a s i n go nc o n t r o lv o l t l m e m e t h o da n da p p l y i n gs i m p l ea r i t h m e i i c d i s t r i b u t i n gc h a r a c t e r i s t i co fp r e s s u r ea n dk i n e t i ce n e r g y ,i n i n t e r n a lf l o wf i e l do ft w o - w a ys h o c ka b s o r b e rw e r eg a i n e db yn u m e r i c a lc o m p u t a t i o n a n dt h a tm o d e lc a n b ec o n f i r m e dt h r o u g hc o n t r a s tb e t w e e ns i m u l a t i o nr e s u l ta n de x p e r i m e n t d a t a f i n a l l y ,t h e m o d e l s p a r a m e t e r sa r ei m p r o v e db a s e do nc f dt h e o r ya n ds i m u l a t i o nr e s u l t ,a n do p t i m i z a t i o ns c h e m ei sp r o v i d e d f o ro p e r a t i o n a tt h es a m et i m e ,f o rc h e c k i n gu pt h er e s u l to fn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ,e x p e r i m e n ts t u d yo f a b s o r b i n gs h o c kc h a r a c t e rw a sc o m p l e t e da b o u td o u b l e a c t i n gs h o c ka b s o r b e r ,b yc o m p a r i n ge x p e r i m e n t d a t aa n dr e s u l to fn u m e r i c a ls i m u l a t i o n i tc a nb ef o u n dt h a tt h ec o m p a r i n gt h es i m u l a t i o no fa b s o r b i n g s h o c ke f f i c i e n c yc o m p a r e dw i t ht h ee x p e r i m e n t a t i o nd a t aa n dt h er e l a t i v ee r r o ri sw i t h i n10 t h et w o r e s u l t sp r o v et h ec o r r e c t n e s so fm a t h e m a t i c a lm o d e la n dc o m p u t i n g m e t h o d t h em a t h e m a t i c a lm o d e la n dc o m p u t i n gm e t h o dc a na c c u r a t e l yf o r e c a s tt h ei n t e r n a lf l o wf i e l do f t w o w a ys h o c ka b s o r b e r ,w h i c hp r o v i d e st h e o r yb a s i ca n de x p e r i e n c ef o f l h es t u d yt oc o m p o u n d h y d r o c y c l o n es u c ha ss e p a r a t i o nm e c h a n i s m ,f l o wf i e l dc h a r a c t e r i s t i ca n ds t r u c t u r eo p t i m i z a t i o nd e s i g n k e yw o r d s :d o u b l e a c t i n gs h o c ka b s o r b e r ;h y d r a u l i cp r e s s u r ec a v i t y ;s t r u c t u r eo p t i m i z a t i o n ;n u m e r i c a l s i m u l a t i o n ;t u r b u l e n c e 学位论文独戗性声明 本人所呈交的学位论文是我在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知 除文中已经注明;| 用的内容外,本论文不包含其他个人已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研 究镦出重要贡献妁个人和集体,均已在文中作了明确说明并表示谢意。 作者签名:盈堡 学位论文使用授权声明 本人完全了解大庆石油学院有关傣磐、使用学位论文的规定,学校舞权保留学位论文并巍国家 主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版。有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并 允许论文进入学校篷书馆被查溺。有毂将学位论文的内容缡入有关数据律遮行捡索。有权祷学位论 文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在解密后适用本规定。 学位论突作者签名:豫炙q 8 期:知7 ;、2 ? 翱签名褫 日期:谢7 7 ; 创新点摘要 1 针对双向减震器的结构特征,应用相似理论,进行了实验模型的设计、制造。 其模型能够满足结构性能实验的要求。 2 本论文利用计算流体力学软件f l u e n t ,采用标准t 一模型对双向减震器下液压 腔流场进行数值模拟,流量计算结果与实验得到的数据基本吻合,证明了算法和模型的 正确性,为双向减震器的流场特性及结构优化设计提供了一条有效的途径。 大庆石油学院硕 。研究生学位论文 引言 石油工业飞速发展,钻采工艺和设备的技术革新更是日新月异。随着科技工作的纵 深发展,实践中长期制约钻采技术发展的问题显得特别突出。 钻井过程中,由于钻头破岩特点使井下钻柱产生纵向、扭转和横向的冲击振动,尤 其在钻进硬地层或软硬夹层时更为剧烈。据现场实测证明,在牙轮钻头钻进过程中,钻 压变化幅度一般为平均钻压的3 5 1 0 0 ,最大峰值钻压可达到平均钻压得3 倍以 上。扭矩变化幅度一般为平均扭矩的1 4 4 - 3 0 ,最大峰值可达到平均扭矩的1 5 倍。 在钻进过程中,钻头上下振动的幅度为9 5 2 5 2 5 4 m m 。 钻柱振动给钻井作业带来极大危害,主要表现在: 1 - 不能均匀地施加钻压和扭矩,使钻头早期破坏,影响钻头寿命和钻速; 2 加剧钻柱疲劳破坏,以钻柱组件连接部位最为严重,常发生刺扣,粘扣,断裂事 故; 3 破坏地面设备。 因此,需要采取钻柱减震措施消除振动的危害,而应用钻具减震器是最有效的方法 之一。应用减震器不仅可以调离底部钻柱固有频率和钻头的激震频率,还能吸收或减缓 钻柱的振动冲击载荷,从而提高钻速,降低钻井成本,提高钻井效率。 评价减震器优劣的标准是:一方面减震元件的减震效果及其性能参数;另一方面是 否受井下条件( 温度、压力、钻井液类型、井下油气等环境) 影响。 在目前较为常用的减震器中,弹簧式减震器受井下条件的影响较小,工作频率范围 较宽,其弱点是减震元件较易疲劳。气垫式减震器是在密封腔内注入一定压力的惰性气 体,通过气室体积变化实现减震,特点是吸震效果好,但其致命的弱点是密封结构复杂, 而且注入的压力只能在地面预调,吸震范围有限。液压式减震器采用可压缩性硅油作减 震元件,优点是使用寿命较长,弱点是密封结构复杂,在使用过程中还要受到井温的影 响。双向式减震器克服了以往的减震器的弱点,吸震范围大且是动态连接,目i j i 双向式 减震器已在大庆油田广泛推广应用。双向减震器的应用钻具震动破坏事故减少5 0 ,钻 头使用寿命提高4 2 8 ,平均机械钻速提高5 0 1 ,取得了显著的社会经济效益,其 主要优点有: 1 消除钻头跳离井底的现象 无减震器时钻头处于跳钻状态,钻头对井底频繁地冲击,采用减震器后,完全消除了 跳钻,使钻头与井底接触的时问提高到1 0 0 ,有利于岩层的有效破碎,提高钻井效果。 2 大幅度降低钻头动找 无减震器钻井时,随钻头跳离与冲击井底工况的出现,动载钻压可达很高的值,采 用碱震器后,钻头除保持与井底接触的同时,其动载钻压峰峰值大幅度减小,有利于提 引等 高铺_ 、的寿命。 : 减小钻头的功率消l c 钻岁i 的平均扭矩会因身:l l 】减震器而减小,其,| j j :消耗随之卜降。有减,。:; 时钻头功 率_ _ i l j l l 为无减震器时的7 4 1 。 1 减小钻杠的纵振与一力 f 1 :尤共振工况发生时,于钻头的动载钻压r 比人,部分足钻铤的惯r :力造成的钻 头的低频纵向位移通过减旋搽后被削弱,处于拉“l ;状态下的钻往,其动应,j 疗:纵振发生 日寸j 些d , q :钻头的动载钻压。有了减震器,即使 火仍处于跳钻状态,不仪仍可以使钻 头n :j 动载钻压峰峰值大为减小,同时也在很大程i 哩l ? 减小钻柱的动载,自减震器后,钻 扫| 0 动心力只为无减震器时施于钻柱动载的l 7 ,所以它对钻 e 的保护作川是非常显著 的, j 提高低钻压下的钻j | 效果 减震器可以在低钻压。卜使钻头长期稳定地接呲j 底,对快速完成造斜i :作和打定向 爿毖为有利。 双向减震器是配合牙轮钻头或研磨性取芯钻尖钻进时起纵向和周向减震作用的减 震i ;。在钻井过程中,“ij :钻头破岩特点使井 柱产生冲击振动,;需婴采取钻柱减 震 “施消除震动的危害,女仃效的方法是使用钻l i 减震器,应朋钻柱减震器町以提高钻 速降低钻井成本,提高钻片效率。因此钻柱减t 。:器的材质和性能也在不断的发展,减 震器的最初结构是橡胶筒- 的简单结构,目前最i ij lj 的是双向减震器,其l i 经历了从橡 胶翰式、碟式、弹簧式、液睚式到双向减震器的住腱过程。它经过这三十多年的发展, 其j 本i j 标还是为了改善、j r 发优质高效率的减,础 。 煳外减震器开发应用j :人十年代,囡外减震,州内发展对我陶的减震器的发展起到推 动促进作用。国际上关于钻 f ( 包括钻头) 的震砷i 减震问题的研究已有近# 个世纪”, 爿l z 乏眨和应用了不同类删的减震器,使人们对i j ? :器的效果育了一定的认识,如它可 以i j 戍少钻柱的纵震,防止铴大跳离井底降低钻_ 、的动载,提高进尺和i j + 命等。 | im 液压减震器和m 胁震器已在各油用。泛推广应f 日,双作用般震器是目 j i 瓤z j 川想的钻卡1 减震器。议向减震器在使用时! ! 仃在不足,j 正需要进一步优化,如时 划i j ! 的适应范刚不够宽,j m 芝的吸震能力有限等返螳部需要对双向减震; : 进行研究和 仂化,设计出更合理的减器,要达刮一亘理想的w 。效果,有一必要从其爿构、工作状态 ;f l | 液爪腔的内部流场的;j - i 建立模掣用于指j 液爪减震器勺设计和远f f 操作。进 丛“理蛳震效果,提高钻:| n 0 作效率j 芷高钻爿ji 作效率。 晒r 计算机和测试技j 发展,j 彭| j 数值棱,巾批毫器的内水流场成,j j 能。 4 、究将 i 尊机数值j h 疗法应f jt 叫减旋器+ :流场的硎花上,不汉0i | :内部流场 臼 i 蠼供了条科学、,一扎快捷n 勺女径,而7 j 向减震 的结构rj :化提供r , f 丈j 一,i 双向狮震器j 、t 用l i j 迅速自k 和人仃1 、减震效粜墨求的f l0 r :5 ,按照f ? 人庆石油学院硕i :1 1 ) t 究生学位论文 统的经验或半经验公式进行减震器设计方法的局限性越来越明显。通过数值模拟技术研 究减震器下液压腔的内部流场的分布特性和流动规律,掌握减震器内部流体的流动规 律,并研究减震器受到外力冲击时,减震介质对这种冲击能量的吸收情况,真实再现减 震器的工作过程,客观评价其减震效果。同时选择多种设计方案,对减震器存在的不足 进行结构优化,开发出更好的减震器产品。 计算机的飞速发展,使得应用c f d 技术模拟成为可能。通过该数值模拟,掌握减震 器内部流体的流动规律,并研究减震器受到外力冲击时,减震介质对这种冲击能量的吸 收情况,真实再现减震器的工作过程,客观评价其减震效果。同时选择多种设计方案, 对减震器存在的不足进行结构优化,开发出更好的减震器产品,大幅减少实验室和测试 等实体实验研究的工作量、降低实验研究成本、缩短开发周期。 对于减震器下液压腔的数值模拟,目前尚无此方面的相关报道。双向减震器作为一 种吸震和减震的减震工具有着广泛的应用前景。但对其结构及尺寸的优化设计还有待于 进一步的研究,c f d 通过计算机数值计算和图像显示的方法,在时间和空间上定量描述 流场的数值解,从而达到对物理问题研究的目的,它兼有理论性和实践性的双重特点, c f d 现已成为解决各种流体流动与传热问题的强有力工具,成功应用于流体机械和流体 工程等各种技术科学领域”1 。 本课题的研究范围涉及到流体力学、计算流体力学、机械设计理论、数值模拟、数 值计算方法和流体机械、计算机科学等多学科。运用c f d 在计算机上进行计算,得到双 向减震器下液压腔内部流场的速度、压力、湍动能等描述流场特性参数的分布规律。通 过对双向减震器下液压腔内部流场的深入研究,掌握流体的运动规律,能够为双向减震 器下液压腔的结构设计和尺寸优化提供理论指导。采用数值模拟技术和实验研究相结合 的方法对双向减震器下液压腔尺寸进行优化设计具有设计周期短、资金投入少、信息量 大且完整、仿真模拟能力强等优点“1 。 本文研究的主要内容包括以下几个方面 一、利用f l u e n t 软件进行理论模拟 1 建立物理和数学模型; 2 在计算机上绘制几何模型,并对其进行网格划分: 3 对边界条件进行处理; 4 离散方程,选取算法,进行求解; 5 分析计算结果。 二、建立实验模型进行室内实验 三、对计算数据和实验数掘进行比较分析,通过分析得出双向减震器下液压腔的长 径比与减震性能的规律,从而优化出更合理的减震器结构。 本文运用计算流体力学理论,建立适合于双向减震器下液压腔流场的数学模型。通 过求解流体力学的基本数学方程,模拟出下液压腔内部流体的流动状态,分析计算结果 得到双向减震器内部流体流场的流动舰律。并用室内实验进行验证,为双向减震器的结 引言 杓j :寸优化设t i 提供理讫f f 、蜊,这将对减震技术俨深入的硎咒和应用生到枞极的促进 f 1 。 大庆石油学院硕l :研究生学位论文 第一章双向减震器液压腔结构的数值分析 双向减震器减震效果的研究在机理研究中占有举足轻重的地位,为寻找更合理的双 向减震器结构,建立有效地预测其性能的数学模型,对其液压腔内部硅油压缩的运动规 律进行研究是非常必要的。 随着数值分析、计算流体力学、测试技术、微型计算机和湍流模型理论的发展,数 值模拟技术在流体动力学研究及工程实践中得到广泛的应用。它以计算机为工具,应用 各种离散化的数学方法,对流体力学的各类问题进行数值实验、计算机模拟和分析研究, 以解决各种实际问题”m 。 本章从双向减震器流场分析的基本理论出发,选出了适合于双向减震器内部流场计 算的标准k - e 模型,通过对方程的研究,得到了双向减震器内部流场的分布规律,为进 一步的研究打下理论基础。 1 1 钻柱用双向减震器的概况 1 1 1 双向减震器的结构 双向减震器是在液压减震器的基础上研制成功的减震设备,其结合了液压减震器的 消除或减缓钻柱纵向震动的特点,依据减震器在钻柱中的工作环境的实际需要,双向减 震器除吸收钻进过程中钻柱纵向振动和冲击载荷外,还能同时减缓或消除钻进中钻柱产 生的纵向扭转振动,从而维持正常的扭矩和钻压。 双向减震器是由心轴、扶正外筒、花键外简、键、液压缸、活塞、液体弹簧、冲管、 防掉螺母、下接头等组成。其结构示意图如图卜1 所示。 图1 1 烈向减宸器结构示意图 5 第一章双向一城震器液压口 ,的数值模拟 2 双向减以器的工f 1i ,! 理 舣向减震器是在7 l lj i j 代以后出州的一种澉。成震器。可同时对纵抓和扭振实现减 ,芝j 力能。该减,。芝器由心铀,挡环、活摩、外套、捎皈、花键等零件组成花键可使溉塞 ;岱外套做纵向移动。活,f :部的腔内 皮不可压缩的液体所充满,下部口j 允满可压缩液体 ! 炙7e 液混合物。本文研i e 的双向减震: 的下部小;可压缩的硅油充满【。 减震原理:减震机物l :要由心轴、活塞、j - i f 女;压腔( 阻尼腔) 和下,仅m 腔( 工作腔) 川成。钻井过程中,当仃r 1 :周向或扭转冲击振z 圳q ,通过活摩与花键外i 的花键副,心 轴薅 塞连接的螺纹副 【麦负荷转换为钻柱的轴向负荷。 钻压传递:钻压通j 心轴、活塞作用在液仆弹簧上,经压缩硅油 j 堑给下接头及钻 大。 扭矩传递:转盘的 斟油上部钻柱传递给心轴,通过心轴与活塞的螺纹,活塞与花 健外筒的花键传递给油j i l 硬下接头而驱动钻头4 。 钻柱和钻头受到冲f 、振动使轴向负荷发爿变化,该负荷使减震器f 卜部液压腔( 工 f l 腔) 中的可压缩介质发,l 三弹性变形( 压缩或j 彬胀) ,从而吸收或释放钻柱或钻头的冲 , f 、震动能鼋。在硅油,挣r t 变形的同时,心轴耳“埘芘键外筒作轴向运动,l 液压腔中的 液体高速流过环隙阻尼产生大量摩擦热,吸收部分冲击能量,从而边纠减缓冲击的作 川。 减震器吸收或减缓l 斛e 的纵向振动冲击载伯,钻压通过心轴、承儿i 。塞( 冲管在液 m 缸内的台肩面) 、阻,l 塞、液体弹簧( 硅油) 、下接头传递给钻头。转盘传给钻头的 射嘶通过心轴和活塞内的庄旋大螺旋驱动装置,从活塞的外花键传至 j 化键外筒的内花 避,并通过油缸和下接传递到钻头上“。 双向减震器下接钻火,上接钻柱。钻井时,钻头的纵向震动( 或i i | l ,t f ) 通过下部腔 内j l i 缩介质得到缓冲;川时,当心轴相对于外 :作纵向运动时,上部舻m 的液体通过微 小环隙的阻流作用办使掀动( 或冲击) 减小,起刨辅助减震作用。所以本丈只是针对装 f j ”油的下液j e 腔进行川究。 烈向减震器可看作址个液压缓冲装置和l 一 证干斤顶的结合体“”尖的扭转振动 | j i | j 通过连接滔罄与心轴i 门, - 旋螺纹转换成两者,u l j 纵向的相对运动,川 t 话下部腔i l r 压 液体容积的7 窆化和上,;i ,i 伦中环隙阻流的作用犬的扭震得到缓冲 舣向减震撂规格结 ;j f f l 液压减震器基本相i j 烈作用减戎器与液j 减震器主要i 别 j 转换机构双作用l l l l i :器有一个处特的机4j 司将扭转自i 动冲击奴c 4 转换成轴载 。一通过i 舌i 和阻尼j 作用在液体弹簧上u 而减缓或:| j 除纵向,i 川转产生的:| l 击 l 即j i 起的抓一力。舣向i :器较之纵:c j 】减震器,j ) 、h j 优点是:双向减j 川瑜吸收钻j 过 f t l - 竹柱纵向- 梃动年河1 : e 衍外,还,_ 通过活q 孔、梯形mg 旋到心! 卫接机构,化扭 ;,4 , l ,j j 及冲f 。戈简化瞬化为工竹j i 的纵向jj ,从而保 计区矩扭 她进。 碱震器ii 乍时常青,j :一乏压状念当l :具 ,:啪加时,心轴绵1 进t - j 腔内液1 压 大庆石油学院硕i :研究生学位论文 力随之增加。反之,当减小外载时,液体压力弹性回复,心轴伸出。因此,减震器在钻 井过程中可看作一个压缩弹簧,它随着钻头的上下跳动吸收和释放能量,以此消除钻头 向上跳动的尖峰负荷,起到保护钻头、钻具的目的“”。 1 2 创建几何模型 1 2 1 模型简化和近似处理 模拟计算是一个无限逼近理论结果的计算过程,通过建立几何模型,数学模型,使 最终的计算结果和试验吻合,因此在模拟计算中可以人为采取特殊手段使计算满足实际 情况又尽量节省计算机资源。 进行模拟计算,首先建立仿真模型。在建立仿真模型时,经验性的处理手段、方法 或公式具有举足轻重的作用,可决定部件的选择及其简化原则。理想情况下,用户希望 建立尽可能详细的仿真模型,并让仿真软件自己来决定哪些是主要的物理现象,但是受 制于有限的计算机资源或算法,应该简化仿真模型。 双向减震器的减震功能主要是通过其下液压腔内的硅油压缩或膨胀,吸收或释放冲 击能量实现的,其中上液压腔中的液体产生大量摩擦热吸收的能量是辅助作用,在模拟 中忽略不计,这样可以极大地节省计算机资源,而且计算结果不受影响。因而本文只考 虑下液压腔的模型简化。 模型简化主要取决于结构和尺寸,由于减震器中冲管作三维运动,所以可将实际问 题简化为三维模型。把下液压腔简化为一个密闭的圆柱体液压缸,扰动压缩硅油的冲管 简化为运动的壁面。 其结构如图卜2 ,密闭的液压腔,变径的冲管。 1 2 2 划分网格 图1 2 建立几何模删的结构示意图 c f d ( c o m p u t a t i o nf l u i dd y n a m i c s ) 技术以计算机为工具,应用各种离敞化的数学方 法,对流体力学的各类问题进行数值实验、计算机模拟和分析研究,以解决各种实际l 口j 题“。 7 冉一章双f :l j 减震器液压职喘构的数值模拟 网格是c f d 模型的几何莨达形式,也足模扒和分析的钱体。刚格质量对c f d 计雉精 f 生和计算效率有重要影响“”。划分刚恪是建立丰c :型的一个重要环节,合理的网格对f 精 f | f i 】懈的获得至关重要“。对f 复杂问题,网格,i 成耗时,且极易出错,因此有必要对网 的划分和生成方式给与足够的重视。 减震器的几何模型可通过g a m b i t 软件束尖现网格生成。 应用g a m b i t 软件i t j 动生成结构网格曼k 非结构网格。将需要求解的未知物理量 的几何位置称之为节点,联接相邻两节点形成曲线簇是网格线,网格线构成了网格, 绀陶网格是节点排列有序,印当给出了一个节 的编号后,立即可以得出其相邻节点的 号。这是一种传统的网格形式,网格自身利川了几何体的规则形状。非结构网格是节 以不规则方式布置在流场中,这种网格有很女j :的适应性,对具有复杂边界的流场计算 0 q 题特别有效,划分网格还可以分成许多不同结构的块,允许不同结构块之间的数据通 玳及交换,从而可以将复杂外形进行规则块的划分,以适用于复杂的几何形状“。本文 吐芷的是规则的几何模型,因而采用结构网格。 如果计算区域的各边界是一个与坐标轴都习7 行的规则区域,则可以方便地划分该区 域,快速生成均匀网格。但。实际工程问题的边界不可能与各种坐标轴正好相符,于是需 嘤采用数学方法构造一种坐标系,其各坐标轴一1 7 好与被计算物体的边界相适应,这就是 妣体坐标系。 贴体坐标网格是计算中比较理想的网格形式,通过代数变换或解微分方程的方法来 拗造,保证求解域的边界与坐标曲面( 线) 重彳r ,虽然求解域在物理空间内一般呈复杂 肜状,但在变换后的空间内则为规则的形体m 1 。 图1 - 3 体网恪划分对酯框 随着划分嘲格技术的残建,网格肜态从舰9j 的四边形、六面体结构网格己发展到更 f j 灵活r m7 三角形、六边肜、四酣体、多面1 i 等非结构化j 嘲格,本文几十模型1 成贴 - p 际的芦i i f 一体纪构网格 i tf 密曲的液j i 三腔和t i j 变径彭j 冲管首,:确定端面边譬层j 塑上的网格节点,利用 t q 各生成卜i i i 历两个端 。| 勺网格,再以两个;面作为资源利川拓扑网格技术4 - 戊体 大庆石油学院硕l 研究生学位论文 网格。见图1 3 。 在本几何模型中,边界类型为边界固壁、中问动壁,固壁和动壁之间的液体硅油。 其端面网格是规则的四边形网格,在整个液压腔中是规则的六面体网格。网格结构如下 图所示。 1 3 液压腔流场的数学模型 图1 4双向减震器下液压腔的网格结构 当钻头在动力作用下向下钻进时,遇到阻力瞬间停止,冲管继续向下运动,使冲管 附近液体受压后向下运动,而靠近固壁处的液体仍然保持静止,此时,液压腔内的液体 呈现湍流“m 9 1 驯。 任何一个湍流模型均不能适用于所有的问题。“。选择模型时主要依靠以下几点:流 体是否可压缩、建立方程的可行性问题、精度的要求、计算机的能力、时间的限制。为 了选择最好的模型,需要了解不同条件的适用范围和限制”。 三维湍流数值模拟的方法目前可以分为两种水平的模拟,可以分为直接数值模拟方 法和非直接模拟方法。 所谓直接数值模拟方法是指直接求解瞬时时间湍流控制方程。而非直接模拟可以分 为三种模拟方法即大涡流模拟( l e s ) 、r e y n o l d s 平均法( r a n s ) ”、统计平均法。实际 上的流动问题大多为湍流,尽管湍流的直接模拟是可能的,但就目丽的计算机水平来 兑, 仍要使用某种型式的湍流模型,一般采用涡粘性湍流模型”“,从而使复杂的湍流模型简 化。湍流流动是一种高度1 线性的复杂流动,但人们已经能够通过某些数值方法对湍流 进行模拟。 k e 模型足最简单完整的湍流模型,它是在一方程的基础上,引入一个关于湍流耗 第一章双j 减震擀液jl j :,占构的数值傩 敞率e 的方f i i ! 后形成的”1 ,本文选川标准k - e 堪型,所以! l 详细介 “际准k - 模型。 标准k - 模型是个半经验公。,k 方程赴个精确方程,方程足个由经验公式导出 旧方程,主嘤基于湍流动能和扩散; j ,是从实g :! 现象中总绀出来的。# j i 准k 一模型适用 包围广、经济、并具矾合理的精度,自从被i ,。u l n d e r 和s p a i d i n g 汹1 扒 b 之后,它在工程 流场模拟中得到广泛用,已成为i :程流场汁i # 中主要的j 具。其输运方程为 k 方程 毒胁乒毒陋+ 等) 考卜q 一。 e 方程 毒汹 毒盱+ 等) 毒卜c - i e g tt p 譬。埘 - 中 心湍流粘度其值为p 巳等; g 是由于平均速度梯度而引起的湍流动能的产生项,其值为以f 堕o x j + o 眠u y j ) 孤o u j i 可压湍流一p 脉动扩张的贡献“”,l i 值为2 p e m m ,是湍动m t c h 数,其值为t 口2 口是声速,e 值为皿丁 暖、m 分别为膏,f 的湍流普朗特数;c ,c 。g 为经验常数。 根据l a u n d e r 等旧推荐值及后来的实验蛤l i e ,其值”为 s t 2 1 0 ,s ,z 1 3 ,c i ;1 4 4 ,c 2 1 9 2 ,q 。o 。 1 4 流场的数值计算方法 4 1 求解: ; 的选取 流场计 的基本j 的体积单,i ,在每 就是对离+ 攸后i 内弘 u e n t 提伊i 坶种数自 t ,l 型积分。程,其一 程是在空m1 用确限f 体彩! 单元p f 离散后1 0 方利组的求佯。懈j r 解仃法”9 :分离】解列 包招动量、自琏、t 厦量: | j = 基或其他乡:似方法j j 制方程纰j i 行永解 s 。的分析,别离散后n 喁合解法。 ? lh e l l tf j 乏其他初i 荦湍j 乱和 r 算域离散成许多 氙场计算方法的本 l 制方程努 的求解 目种解法都”,以解 学组分的j 恒“。 人庆石油学院硕i :研究生学位论文 分离式求解器以前主要用于不可压流动和微可压流动,而耦合式求解器用于高速可 压流动。两种求解器都适用于从不可压到高速可压很大范围的流动。在分离和耦合式解 法中,离散方程、非线性控制方程被线性化为每一个计算单元中相关变量的方程组。然 后用线性化方程组的解来更新流场。 1 耦合式解法 耦合式解法同时求解离散化的控制方程组,联立求解出各变量( h ,v ,w ,p 等) ,当计 算中流体的密度、能量、动量等参数存在相互依赖关系时,采用耦合式解法具有很大优 势,耦合式解法中,所有变量整场联立求解应用包括高速可压流动、有限速率反应模型 等。所有变量整场联立求解应用较普遍,求解速度较快,而在局部对所有变量联立求解 仅用于声变量动态性极强的场合,如激波捕捉。如设计算区域内的节点数为n ,则每一时 间步内须求解4 n 个方程构成的代数方程组( 三个速度方程及一个压力或密度方程) 。总 体而言,耦合式解法计算效率较低、内存消耗大。 2 分离式解法 分离求解器不直接解联立方程组,而是顺序地、逐个地求解各变量代数方程组。使 用该方法,控制方程是分离解出的( 即是逐个逐个的解) 。因为控制方程是非线性的, 所以在得到收敛解之前,必须进行迭代。分离式解法计算效率较高、内存消耗小,所以 本文采用分离求解器,其工作步骤为: ( 1 ) 在当i i i 解的基础上,更新流体属性( 如果计算刚刚开始,流体的属性用初始解 来更新) 。 ( 2 ) 为了更新流场,动量方程用当前压力和表面质量流量按顺序解出。 ( 3 ) 因为第一步得到的速度可能在局部不满足连续性方程,所以从连续性方程和线 化动量方程推导出压力校正的泊松方程。然后解出压力校正方程获取压力和速度场以及 表面质量流量的必要校j 下从而满足连续性方程。 幽卜5 分离求解器计算流程 第一牟“向减能器河| lt l 皓f f j 的数仃f 榜似 ( 4 ) j i 适当的地九用前面更新的其它乏f i := 的数值角 ,f b 湍流、i 剧, 、组分与使辐射 等标量。 ( 5 ) 1 包含相间科合时,可以用离散利4 j l 迹计算来更新连续桐| f f j 原项。 ( 6 ) 榆查设定的力程的收敛性。 1 4 2 计算方法的确定 在分离式和祸合虱i 埘种求解器之中,都垤心办法将离敞的非线陀托制方程的线性化 为每一个计算单元中丰是变量的方程组。为此可采用显式和隐式i t j 川一方案实现这一线 性化过程,隐式和显武的物理意义如下: 1 隐式( i m p l i c i t ) :对于给定变量,单厄内的未知量用邻近单儿们已知和未知量计 算得出。因此,每一个术知值会在不止一个,稚中出现,这些方程,i g , 须同时求解j 。能解 出未知量的值。 2 显式( e x p l i c i t ) :对于给定变量,每 式计算。因此未知量只拒一个方程中出现, 次就可以得到未知量的值。 - 个单元内的未知量用j 包含已知量的关系 n 川每一个单元内的未 走的方程只需解一 在分离式求解器中,只采用隐式方案进f j 控制方程的线性化。j :分离式求解器是 在全计算域上解出一个控制方程的解之后才上求解另一个方程,因此,区域内每个单元 只有一个方程,这些方程组成一个方程组。似宅系统共有m 个单儿,则针对一个变量 ( 如速度u ) 生成一个由膨个方程组成的线性代数方程组。f l u e n t 使用点隐式 g a u s s s e i d e l 方法来求解这个方程组。总体采眠分离式方法同时髫i , g 所有单元来解出 一个变量的场分布( 如速度h ) ,然后再同丑j 彭虑所有单元解出下一个变量( 如速度v ) 的场的分斫j ,直至所要求的几个变量( 如w 、p ,r ) 的场全部解出, 目前工程上使用最为广泛的流场数值计弹,j 法是压力修正法。垠力修正法的实质是 迭代法。在每一时间步k 的运算中,先给出j i j j 场的初始猜测值, l :此求出猜测的速度 场。再求斛根据连续力程导出的_ i 力修正力w 对猜测的f e 力场和j 出f 耍场进行修1 f 。如 此循环往复,可得出上| 】场和速度场的收彭、m ¥ 压力修 f 法有多科疋现方式,其中,压j 鸺合方程组的半隐式d 法( s i m p i 。e ) 应用 最为广泛,在文办采用七压力修i f i k 。其基4 、心想可描述为:对于j t 的压力场( 它w 以是假定的值,或是一! 一次迭代训算所得j 川j 结果) ,求懈离散形l 旧动量方稃得f 【; 速度场。p 、l 为压力场由帔j 之的或刁、精确的,辽 f ,由此衡刊的速度j 自。般不满足琏续方 程,因此,必须对给氪i 门j e 力场加以修i i i 。ti :原则足:。j 修矿后,j i i 力场相删i 、t 的速 度场能满上l 这一迭代 次上的适红疗程,王i w 收敛, s i m p il 算 :最仞;f 不可噩流动训算,【ji g 懂和、锄勾基本翌一 i 来逐渤7 幢展j 戊 一个系列f 算法,并訇! 到可压纬,氚动的训一在呵压沛,r 算f 1 ,。e 力程可噬f # 为密 度的输运,i 程,功量7 z 作为速n 的输运能瞳方“1 # 为濉展 粗生方程7 t 将崭 大庆石油学院硕l 研究生学位论文 度、速度和温度求解出来后,再通过状态方程求出压强。在不可压流中,因为压强与密 度的关联被解除,所以需要将压强与速度相关联进行求解。求解不可压流控制方程的逻 辑为:在压强场已知的情况下,可以通过求解动量方程获得速度场,而速度场应该满足 连续方程。s i m p l e 算法使用压力和速度之间的相互校正关系来强制质量守恒并获取压力 场。 1 5 材料属性与边界条件设定 1 5 i 材料属性 在f l u e i 、v f 中,流体和固体的物理属性都用材料这个名称来表示。f l u e n t 在其 材料数据库中已经提供了空气和水等一些常用材料,硅油的物理属性软件未提供,因此 要将硅油的属性进行定义。 l5 2 流场边界条件的设定 图i - 6 硅油的物理属性对话框 所有c f d 问题都需要边界条件。所谓边界条件是指在求解域的边界上所求解的变 量或其一阶导数随地点和时间变化的规律。只有给定了合理的边界条件,才可能计算得 出流场的解”“。 c f d 模拟时的基本边界条件包括:流动入口边界、流动出口边界、给定压力边界、 壁面边界、对称边界和周期性边界等类型。 第一- 亨双向减震器“l j 结构的数卉髓拟 在j l 吲 钻进时,p 一力一力,当记_ 、遇卡突然停止,p 钻e 一l ,液、崆承受 销压吃m = 2 0 0 3 0 0 k n :。 液乐腔 晶f e 二 1 6 壁面处理 图卜7 双向减震器f 、液j e 腔受力分析图 鉴于双向减震器;。塞的运动状态,双m 成震器活塞在做螺旋式前进,周向运动速度 大小发生变化,因此冲管的运动情况需要加拽用户自定义,来描述冲管的运动。 f l u e n t 的一般j j j 能均是在交互方式l j 使用,对于复杂的边界条件或用户自定义的 方程源项,很难直拨通过对话框输入给f l u e n t ,因此,需要使用f l u e n t 提供的用 尸一自定义函数”1 1 ( u c r d e f i n e df u n c t i o n s 即u d f ) ,柬扩展f l u e n t 的用法。它可 以提高f l u e n t 程j l :的标准计算功能。 1 6 1u d f 功能 u d f 用户可以他川c 语言编写扩展n 。u e n t 的程序代码,然后动念加载到f l u e n t 环境中,供f l u e n t 他用。u d f 的主要功能也括1 : 1 定制边界条r l ,材料属性、表面和1 1 、似反应率、f l u e n t 输运疗程的源项、用户 f l 定义的标量方程n :m ! 项、扩散函数等。 2 调整每次迭代 j 的计算结果。 3 初始化流场们。 4 u d f 的异步j 【。”( 在需要时) 。 5 物性定义( 日1 比热外) 。 6 代坡滑流( i , l g c h r a i cs l i p ) 混合物校如滑流速复和微釉从、j ) 。 7 咎面热流量 8 强化后处理 ? 。 边, 囊件u d i哆产生依蛳时i b j ,一;和流场少量棚是疗j 立昝餐件。边界条件 ld f 用1 d e f i n ei k o f i l e 定:。u d f 广| 泛的心】:j ,习、文矗伟_ :分详解 大庆石油学院硕 :研究生学位论文 1 6 2u d f 运行方式 u d f 是用c 语占书写的,有两种执行方式:i n t e r p r e t e d 型和c o m p i l e d 型。u d f 是 用宏d e w 咂_ 定义的,对宏的解释在u d l h 文件中。u d l h 文件存放的位置为 p a t h f l u e n t i n c f l u e n t 5 x s r c u d f h ,p a t h 为f l u e n t 安装路径。 1 6 3 i n t e r p r e t e d 型与c o m p il e d 型比较 c o m p i l e du d f 执行的是机器语言,这和f l u e n t 本身运行的方式是一样的。一个 叫做m a k e f i l e 的过程能够激活c 编辑器,编译我们的c 语言代码,从而建立一个目标 代码库,目标代码库中包含有高级c 语言的低级机器语言诠释。在运行的时候,一个叫 做“d y n a m i c l o a d i n g ”的过程将目标代码库与f l u e n t 连接。其部分特性啪1 为: 1 运行速度比i n t e r p r e t e du d f 快; 2 能够完全与c 语占结合; 3 能够用任何兼容a n s i - - c 的编辑器编译; 4 对不同f l u e n t 版本( 2 d 或3 d ) 需要建立不同的共享库; 5 不一定能够当作i n t e r p r e t e du d f 使用。 i n t e r p r e t e du d f 是在运行的时候直接装载编译c 语言代码的,生成的机器代码不依 赖于
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