基于CFD方法的钻井液锥阀流场模拟及结构分析

1、基于CFD 方法的钻井液锥阀流场模拟及结构分析朱万胜1,尹玉芳2,张作龙1,张彦廷1(1、中国石油大学(华东机电工程学院 山东 东营 257061; 2、中国石油大学(华东物理科学与技术学院 山东 东营 257061摘要:本文基于计算流体力学方法,采用幂律流变模型和RNG k湍流模型对钻井液锥阀阀口处的内部流场进行数值仿真计算。通过对流场内流线形状、压力和流速的大小及其分布情况进行分析,着重研究了阀芯半锥角、阀芯结构、阀座倒角等对锥阀流场的影响。研究结果对以钻井液作为介质的液压锥阀的设计和优化具有一定的借鉴意义。 关键词:幂律流体 湍流 锥阀 数值模拟 中图分类号:TE9270 前言目前,在导

2、向钻井、随钻测量等众多油气田开发系统中,广泛采用液压阀对钻井液进行控制。由于钻井液润滑性能差,因此液压阀多采用座阀类型的阀芯形式,其中圆锥提升阀由于其良好的通流能力、密封性能以及对加工精度要求不高等优点在钻井液控制中得到广泛的应用。国内外的研究者针对以矿物油或纯水为介质的液压锥阀阀口处的流场以及气穴现象进行了大量的研究工作15。但是钻井液属于非牛顿流体,与矿物油、水相比,具有不同的理化性能6,而国内外在这方面的研究结果较少。本文采用RNGk 湍流模型,对钻井液锥阀阀口流场进行数值模拟,为钻井液锥阀系统的设计和优化提供一定的借鉴。1 数学模型和物理模型1.1 数学方程考虑到阀口结构及液流的对称性

3、,将其简化为二维轴对称模型,并假设流体为不可压缩流体,忽略质量力的影响,并且在液压阀内部的流动为定常流动。模拟采用单相湍流模型,主要方程如下:质量方程:0=iix u (1雷诺时均Navier Stokes 方程:+=+ij i j i x px u u t u ''j i j i ju u x u x (2 式中 i u 时均速度,s m ;'i u i 方向的脉动速度分量,s m ;'j u j 方向的脉动速度分量,s m ;流体密度,3m kg ;p 平均压力,Pa ; 流体粘度,s Pa RNG k 湍流模型:根据Boussinesq 提出的涡粘假定,建

4、立雷诺应力相对于时均速度梯度的关系式:ij ''32k x u x u u u i j j i t ji +=(3 t 为湍流粘性系数,高雷诺数时2k C t = (4k 的输运方程:(+=+j eff k j i i x k x x ku t k k G (5 的输运方程:(+=+j eff j i i x x x u t kC G k C k 221 (6 式中t +=eff (7k G 为平均速度梯度引起的湍动能k 的产生项ij ij t k S S G 2=(8ij S 为平均应变率张量分量 +=ji i j ij x u x u S 21(9与标准的k 模型不同,在方

5、程中考虑了非平衡应变率的影响,引入了附加耗散生成项,即:方程中的1C 不再是常数。其他的参数由理论计算获得,其值分别为:,0845.0=C,68.12=C 393.1=k 。而30111(42.1+=C (10 其中Sk=,ij ij S S S 2=,38.40=,012.0=。幂律流体本构方程:n K = (11 式中 剪切应力,Pa ; 剪切速率,-1s ;K 幂律流体稠度系数,m s N n ; n 幂指数1.2 物理模型:图1所示为锥阀阀口结构及流场计算区域的参数。进口直径mm 22=d ,阀腔直径mm 60=D ,阀口开度mm 2=h ,阀芯半锥角为可变参数,液流流向采用外流式。

6、2 阀口附近网格示意图1.3 网格划分由于流场计算区域物理量变化梯度很大,为保证计算精度和减小计算工作量,将阀口流场计算区域划分为三个小区域。其中阀口高速流动区域由于压力、速度等变化剧烈,划分网格时采用了较密的网格,其他区域则采用了较疏的网格。另外为获得更好的求解精度,运用fluent 的自适应功能对初始网格进行了细化处理。锥阀阀口附近的网格局部放大示意图如图2所示。2 仿真结果与分析:选用四川东部某井场钻井液实测数据,对该数据进行处理后,得到幂律非牛顿流体的流变参数:稠度系数n S Pa 38.1=K ,幂律指数47.0=n 。钻井液密度为14803/m kg 。计算采用fluent 软件,

7、设定入口条件为速度入口边界条件,流速为m 4;出口为压力边界条件,压力采用大气压;壁面处采用无滑移边界条件,在壁面附近采用壁面函数法处理。 2.1 阀芯半锥角在保证其他条件相同的前提下,分别对不同阀芯半锥角的锥阀进行流场模拟,得到流场内静压等值线图如下。图3 不同阀芯半锥角锥阀静压等值线图从图3所示的静压等值线图中可以看出,阀芯半锥角D15=时,流场内最低压力值位于阀口处,为-0.11MPa ,随着阀芯半锥角的增大,该处压力值不断升高。这是由于随着角度的增加,虽然阀口开度不变,但是阀口处钻井液的过流面积增大,导致阀口两端压差降低、流速减小、压力损失减少。另外,随着阀芯半锥角的增大,流场内最低压

8、力值发生的区域发生改变,由阀口处移到阀芯前端锥面与阀杆交界处,并且在D15=到D 45之间时,随着阀芯角度的增加,该处压力值逐渐减小,在阀芯半锥角D45=时达到最小值,为-0.215MPa ,然后随着阀芯半椎角的增大,该处压力也慢慢增大。这是由于在D 45之前,随着阀芯半锥角的增大,通过阀口的高速钻井液在该处脱离阀芯锥面的“脱空”作用增强,从而导致压力值不断降低。但是当阀芯半锥角进一步增大后,由流线图可以看出,钻井液在脱离阀芯锥面后产生第二个漩涡,由于钻井液流体的回流作用,在一定程度上补偿了压力损失,导致该处压力升高。 2.2 阀芯结构由于气穴现象的发生与压力分布关系密切,低压甚至负压区极易发

9、生气穴、气蚀现象,由上述计算可以看出,锥阀阀芯前端锥面与阀杆交界处压力最低,易出现负压值,为改善该处压力状况,拟采用圆弧过渡的方式对阀芯结构加以改进,并对圆弧半径r 分别为5mm 、10mm 、20mm 、30mm 的阀芯结构进行计算,以验证改进后效果。在阀口开度mm 2=h 、D30=时,得到静压等值线图如下: a、mm 5=rb、mm 10=r c、mm 20=rd、mm 30=r 图4 不同阀芯圆弧半径锥阀静压等值线图对比图3-b 及图4,结构改造之前,阀芯前端锥面与阀杆交界处压力值为-0.199MPa ,采用圆弧过渡之后,该处压力值大幅提高,并且随着圆弧半径的增大,流场内最小负压值相应

10、提高。与结构改进前相比,负压现象得到很大改善,从而大大降低了气穴发生的几率,缩小了气穴现象发生的区域。 2.3 倒角长度保持阀口开度mm 2=h 及阀芯半锥角D 30=不变,分别对阀座倒角长度l 为1mm 、2mm 、3mm 、4mm 的钻井液锥阀流场进行模拟,得到图5所示静压等值线图。 a、mm 1=lb、mm 2=l c、mm 3=ld、mm 4=l图5 不同阀座倒角长度锥阀静压等值线图对比阀座无倒角的静压等值线图可以看出,对阀座进行倒角加工后,阀口两端压差减小,压力损失降低。流场内最低压力值位于阀座倒角两拐点之间的区域,与无倒角时相比,该处压力明显降低,并且倒角长度越长,该处压力值越低。

11、通过对流线图进行分析可知,无倒角时阀口下游回流区的低速钻井液对于阀口处由高速液流而形成的“真空区”起到一定补充作用,缓解了该处压力损失;而倒角之后,阀座倒角处两拐角之间充满高速钻井液,导致低压区的范围扩大,压力降低。倒角之后,阀芯前部锥面与阀杆交界处的压力略有上升,这是因为倒角之后,阀口两端压差减小,通过阀口后的钻井液流速比阀座倒角之前减慢,从而使得该处附壁钻井液“脱空”作用减弱所致。3 结论1、随着阀芯半锥角的增大,钻井液流场内最低压力值存在先减小后增大的变化趋势。经过计算发现,当阀芯半锥角在30°到45°之间时,阀内最低压力值相对其他角度时较小,具体数值应根据钻井液压力

12、及流速而定。2、阀芯前端与阀杆交界处采用圆弧过渡的结构后,使得该处最低压力值提高,并且圆弧半径越大,压力值提高越明显,因而对于气穴的抑制作用也越显著。3、对阀座进行倒角加工后,阀口两端压力损失降低,通过阀口的钻井液流速减缓,湍流脉动尺度下降,能量损失减小,而且阀座处倒角有利于阀的密封,所以阀座处倒角还是有必要的。但是由于倒角越长,阀口处最低压力值越小,因此倒角长度不宜过长。参考文献1 冀宏,傅新,杨华勇. 内流道形状对溢流阀气穴噪声影响的研究J. 机械工程学报,2002,38(8:1922.2 VAUGHAN N D ,JOHNSTON D N ,EDGE K A .Numerical sim

13、ulation of fluid flow in poppet valves J. Proc Instn Mech Engrs ,Part A ,1992,206:119127.3 Kazumi ITO ,Koji TAKAHASHI , Kiyoshi INOUE. Flow in a poppet valve J. JSME International Journal ,Series B ,1993,36(1:4250.4 高红,傅新,杨华勇,等. 锥阀阀口气穴流场的数值模拟和实验研究J. 机械工程学报,2002,38(8:2730.5 GAO Hong ,FU Xin ,YANG Hua

14、-yong. Numericalinvestigation of cavitating flow behind the cone of a poppet valve in water hydraulic system J. Journal of Zhejiang University SCIENCE ,2002,3(4:395400.6 李兆敏,蔡国琰. 非牛顿流体力学M. 东营:石油大学出版社,2001.Flow Field Simulation and Structural Analysis of Hydraulic Cone Control Valvefor Drilling Fluid

15、s Based-on CFDZHU Wansheng ,ZHANG Zuolong ,ZHANG Yanting ,LI Jizhi(College of Mechanical and Electronic Engineering in China University of Petroleum,Dongying 257061, Shandong Abstract :Power-law Rheological model and RNG kturbulence model are used to simulate the Flow Field in Hydraulic Poppet Valve for drilling fluids, which are based on Computational Fluid Dynamics Approach. The effect of structural forms, angle of poppet, and chamfer of valve seat on the flow field within cone valve is investigated emphatically by analyzing the form of stream line, the data and distribution of pr