黃天成，周思柱 （長江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖北 荊州434023）

陳 翔 （中海油能源發(fā)展股份有限公司采油服務(wù)分公司，天津300457）

袁新梅 （長江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖北 荊州434023）

壓裂混砂車作為壓裂機(jī)組的重要設(shè)備，其主要是將水、石英砂及不同的添加劑在攪拌罐里進(jìn)行混合攪拌配置成滿足壓裂工藝要求的壓裂液，攪拌罐攪拌效果的好壞直接影響壓裂液的質(zhì)量，從而影響壓裂作業(yè)的效果［1-3］。HSC360型壓裂混砂車是一種適用于油田大型壓裂和防砂作業(yè)配套的壓裂設(shè)備，具有超大排量、單機(jī)可滿足大型機(jī)組高排量需求的優(yōu)點(diǎn)，可為多臺聯(lián)機(jī)作業(yè)的壓裂機(jī)組提供穩(wěn)定充足的砂液。為了了解混砂車攪拌罐的進(jìn)水情況，特對其進(jìn)行了相應(yīng)的試驗(yàn)，通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)該混砂車攪拌罐只進(jìn)水不攪拌的情況下，出現(xiàn)進(jìn)水濺出的現(xiàn)象，從而影響混砂車攪拌罐的正常工作。

為解決混砂車攪拌罐進(jìn)水濺出的問題，需要對攪拌罐結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。筆者結(jié)合混砂車攪拌罐實(shí)際工況，提出了5種改進(jìn)方案，并對攪拌罐改進(jìn)前后的工作過程進(jìn)行了CFD分析與數(shù)值模擬。

1 攪拌罐結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案

在現(xiàn)有混砂車攪拌罐結(jié)構(gòu)和外形尺寸基礎(chǔ)上，根據(jù)攪拌罐設(shè)計(jì)技術(shù)要求，對混砂車攪拌罐選用了5種不同結(jié)構(gòu)進(jìn)行了CFD數(shù)值模擬分析。5種方案的混砂車攪拌罐結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。

圖1 5種方案攪拌罐結(jié)構(gòu)示意圖

2 攪拌罐流場計(jì)算模型

根據(jù)各計(jì)算方案的要求，利用Pro-E軟件建立混砂車攪拌罐5種方案的三維參數(shù)化模型 （見圖1），然后將模型導(dǎo)入gambit對模型進(jìn)行前處理，并對攪拌罐進(jìn)行網(wǎng)格劃分 （圖2為方案5的網(wǎng)格劃分結(jié)果），然后對計(jì)算模型進(jìn)行邊界條件設(shè)置，將擋板面設(shè)置為wall，葉片設(shè)置為wall，旋轉(zhuǎn)區(qū)域面設(shè)置為interior，擋板區(qū)域設(shè)置為interior，入水口的邊界條件設(shè)置為velocity-inlet，區(qū)域設(shè)置均設(shè)置為fluid，然后將文件保存為msh格式導(dǎo)入fluent進(jìn)行相關(guān)的分析設(shè)置，最后進(jìn)行分析計(jì)算［4-5］。

圖2 方案5攪拌罐網(wǎng)格劃分結(jié)果

3 攪拌罐CFD數(shù)值模擬結(jié)果

圖3 5種方案攪拌罐流場矢量圖

根據(jù)CFD軟件的分析計(jì)算可得出攪拌罐5種不同方案的計(jì)算結(jié)果，各方案的速度流場圖如圖3所示。由各方案的流場情況提取攪拌罐進(jìn)水口流體的最大流速，最大流速情況如表1所示。由圖3及表1可以看出，攪拌罐現(xiàn)有結(jié)構(gòu)進(jìn)水口處有大量進(jìn)水速度矢量是斜向上的，而且此處水流速度最大達(dá)到了10．5m／s，這與實(shí)際工作過程中有大量水濺出的情況相吻合；在攪拌罐現(xiàn)有結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)的5種方案中，方案4攪拌罐進(jìn)水口處最大流速增加了38．10%，達(dá)到了14．5m／s，雖然只有少量水速度處于最大流速附近，但由于速度較大，進(jìn)水濺出的情況還會出現(xiàn)，說明方案4對改善攪拌罐濺水問題沒有太大效果；方案3攪拌罐進(jìn)水口處有大量的水在最大流速附近，因此還可能有大量的水濺出，表明方案3并不能太好的改善進(jìn)水濺出的問題；而方案2和方案5在攪拌罐進(jìn)水口處最大流速都有很大程度的降低，同時(shí)處于最大流速左右的水量都不多，說明這2種方案對攪拌罐進(jìn)水口濺水問題都有所改善。通過對比方案2和方案5的分析結(jié)果，可以看出方案5進(jìn)水口最大流速下降最大，達(dá)到了23．52%，而且處于最大流速附近的水量也最少，表明方案5是改善攪拌罐濺水問題最佳方案。

表1 5種方案攪拌罐進(jìn)水口最大流速

4 結(jié) 論

1）通過攪拌罐現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)其進(jìn)水口處有大量的流體流速較大，而且方向斜向上，從而導(dǎo)致攪拌罐有水濺出。

2）通過5種攪拌罐的數(shù)值模擬及結(jié)果分析，方案5進(jìn)水口最大流速下降最大，達(dá)到了23．52%，而且僅有極少量的水處在最大流速附近，表明在攪拌罐進(jìn)水口夾層上方添加一蓋板，同時(shí)在攪拌罐中間部位添加6個(gè)進(jìn)水彎頭的方案可以很好地解決攪拌罐濺水問題。

［1］黃天成，王德國，周思柱，等 ．混砂車攪拌葉輪流固耦合模態(tài)分析研究 ［J］．西南石油大學(xué)學(xué)報(bào) （自然科學(xué)版），2012，34（1）：165-170．

［2］周思柱，?？藦?qiáng)，吳漢川，等 ．基于Workbench的混砂車攪拌葉輪疲勞壽命分析 ［J］．石油機(jī)械，2012，40（2）：36-38．

［3］?？藦?qiáng)，吳漢川，喬春，等 ．采用流固耦合的混砂車攪拌葉輪應(yīng)力分析 ［J］．現(xiàn)代制造工程，2012，3：51-54．

［4］陳翔，吳漢川，喬春，等 ．基于正交實(shí)驗(yàn)法和流場模擬的攪拌罐結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì) ［J］．機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2012，3：55-57．

［5］周思柱，陳翔，吳漢川，等 ．混砂車攪拌罐流場分析方法 ［J］．石油機(jī)械，2011，39（增刊）：23-24，48．