那　楓

(中國石油技術(shù)開發(fā)公司，北京 100028)*

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射流式水力振蕩器工作參數(shù)數(shù)值模擬

那楓

(中國石油技術(shù)開發(fā)公司，北京 100028)*

摘要：通過CFD數(shù)值模擬方法分析射流式水力振蕩器內(nèi)部復(fù)雜流場，尤其在射流式壓力脈沖短節(jié)內(nèi)部由射流元件、缸體、活塞、節(jié)流盤所組成的復(fù)雜流場的速度場、壓力場變化情況。運(yùn)用 Solidworks、Hypermesh、FLUENT 軟件，建立合理模型，選擇合理的數(shù)值計(jì)算方法，進(jìn)行了射流式水力振蕩器內(nèi)部流場數(shù)值模擬研究，對(duì)優(yōu)化該工具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)性意義。

關(guān)鍵詞：水力振蕩器；工作參數(shù)；數(shù)值模擬

射流式水力振蕩器是基于振動(dòng)減摩技術(shù)和射流式?jīng)_擊回轉(zhuǎn)技術(shù)的一種用于定向鉆井領(lǐng)域的新工具。摩擦阻力和轉(zhuǎn)矩是定向鉆井過程中不可忽視的問題，隨著水平井、大斜度井、大位移井、連續(xù)管鉆井等復(fù)雜井眼數(shù)量的增多，都將減摩降扭作為一項(xiàng)重要課題來研究。射流式?jīng)_擊回轉(zhuǎn)技術(shù)具有耐高背壓、結(jié)構(gòu)簡單、深井穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用到地質(zhì)勘探領(lǐng)域，受到石油鉆井領(lǐng)域的青睞[1-6]。

射流式水力振蕩器是依靠高速噴射流體的自然物理特性來工作的，內(nèi)部流場變化非常復(fù)雜。本文應(yīng)用 Solidworks、Hypermesh、FLUENT 軟件，對(duì)射流式水力振蕩器內(nèi)部流場進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，著重分析了射流式水力振蕩器的壓力參數(shù)變化情況，對(duì)優(yōu)化該工具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)性意義。

1模型的建立

1.1結(jié)構(gòu)模型

射流式壓力脈沖短節(jié)流體計(jì)算域的結(jié)構(gòu)模型如圖1所示，采用Solidworks 軟件建模。結(jié)構(gòu)模型包括射流元件內(nèi)部流域、缸體上下腔流域、兩側(cè)排空流道、節(jié)流盤流域。射流元件驅(qū)動(dòng)活塞做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，與以往射流式?jīng)_擊系統(tǒng)模擬不同，活塞上下表面隨活塞進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，由于活塞桿插入節(jié)流盤中間的錐形孔，造成過流斷面面積變化，活塞桿下表面也會(huì)隨著活塞做往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

數(shù)值模擬計(jì)算將以此結(jié)構(gòu)模型為計(jì)算基礎(chǔ)，將此Solidworks建立的結(jié)構(gòu)模型通過中間轉(zhuǎn)換格式.step或.nas文件導(dǎo)入Altair Hypermesh軟件進(jìn)行幾何清理、網(wǎng)格劃分、定義初始邊界條件等操作，建立完善的數(shù)值模擬計(jì)算模型。

圖1　射流式水力振蕩器流體計(jì)算域結(jié)構(gòu)模型

1.2計(jì)算域和 CFD 網(wǎng)格

一個(gè)典型的射流式?jīng)_擊系統(tǒng)的計(jì)算域包括射流元件內(nèi)部流域、缸體內(nèi)部流域以及兩側(cè)排空流域，而射流式水力振蕩器的計(jì)算域除了上述流域外還包括缸體下部流道和節(jié)流盤的錐形流域。

射流式水力振蕩器的CFD網(wǎng)格如圖2所示。該網(wǎng)格模型采用Altair Hypermesh軟件生成，包括74 952個(gè)網(wǎng)格單元，其中含有48 624個(gè)六面體(Hex8)單元和1 398個(gè)五面體(Penta6)單元，其余為面單元。流體域由體網(wǎng)格組成，面網(wǎng)格用于定義邊界條件、初始條件、壁面、變形區(qū)等。該網(wǎng)格模型比以往的射流式?jīng)_擊系統(tǒng)的網(wǎng)格模型增加了下部流道和節(jié)流盤流域，不僅可以模擬活塞在缸體內(nèi)做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，而且可以模擬活塞桿在節(jié)流盤的錐形。

圖2　射流式水力振蕩器流體計(jì)算域和CFD網(wǎng)格模型

為了保證數(shù)值模擬分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，需要對(duì)網(wǎng)格模型進(jìn)行網(wǎng)格依賴性檢測(cè)。在相同初始、邊界條件下，分別采用粗糙、中等、精細(xì)網(wǎng)格模型進(jìn)行計(jì)算，對(duì)所得到的結(jié)果進(jìn)行比較，如果網(wǎng)格類型和數(shù)量對(duì)計(jì)算結(jié)果影響不大，那么證明該網(wǎng)格模型的網(wǎng)格依賴性小，計(jì)算結(jié)果較為準(zhǔn)確。對(duì)于本模型進(jìn)行網(wǎng)格依賴性檢測(cè)，3種網(wǎng)格所得的結(jié)果誤差只有5%，因此綜合考慮計(jì)算時(shí)間和結(jié)果準(zhǔn)確性，采用中等網(wǎng)格模型進(jìn)行計(jì)算即可得到較為準(zhǔn)確的結(jié)果。

1.3初始條件和邊界條件

射流式水力振蕩器的模擬分為穩(wěn)態(tài)計(jì)算和非穩(wěn)態(tài)計(jì)算2步，穩(wěn)態(tài)計(jì)算的結(jié)果作為非穩(wěn)態(tài)計(jì)算的初始條件。本文的射流式水力振蕩器模擬是在同一個(gè)網(wǎng)格模型中，采用不同的初始流量(10、12、14、16、18 L/s)進(jìn)行計(jì)算，得到該工具工作時(shí)的某些流體參數(shù)的變化規(guī)律。在穩(wěn)態(tài)計(jì)算中，網(wǎng)格模型的入口定義為速度邊界條件，在網(wǎng)格模型出口定義壓力出口，出口壓力值定義為1個(gè)大氣壓力。為了讓射流元件的主射流更容易附壁到與下腔相連的側(cè)壁，需要將與上腔相連側(cè)壁的排空壓力定義為2倍的大氣壓力。在非穩(wěn)態(tài)計(jì)算中，入口邊界條件與穩(wěn)態(tài)計(jì)算相同，出口邊界條件定義為1個(gè)大氣壓力。不同流量條件下的邊界條件參數(shù)如表1 所示。

表1　不同流量條件下的邊界條件參數(shù)

2動(dòng)態(tài)模擬結(jié)果分析

經(jīng)過建立結(jié)構(gòu)網(wǎng)格模型、選擇湍流模型及算法、定義初始條件和邊界條件、定義動(dòng)網(wǎng)格設(shè)置和 UDF、設(shè)置時(shí)間步等操作，即可進(jìn)行射流式水力振蕩器的動(dòng)態(tài)數(shù)值模擬計(jì)算。FLUENT 軟件模擬到了射流元件的附壁切換、驅(qū)動(dòng)活塞進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)以及活塞桿在節(jié)流盤錐形孔內(nèi)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)這3個(gè)動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)過程，如圖3所示，可以精確捕捉到回程階段、沖程階段、附壁切換過程的每個(gè)時(shí)間步的流體變化情況。從動(dòng)態(tài)模擬過程看出，在不同輸入流量 10、12、14、16、18 L/s 的條件下，射流式水力振蕩器都工作正常，射流元件附壁與切換過程順利。

圖3　射流式水力振蕩器的動(dòng)態(tài)模擬過程

通過 CFD 數(shù)值模擬計(jì)算，得到了射流式水力振蕩器的內(nèi)部流體工作參數(shù)，包括壓力、速度、位移等數(shù)據(jù)，著重對(duì)射流式水力振蕩器的流體壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和分析，主要監(jiān)測(cè)4個(gè)截面的壓力變化情況，如圖4所示。截面 1 監(jiān)測(cè)的是射流式壓力脈沖短節(jié)入口處的壓力數(shù)據(jù)；截面2監(jiān)測(cè)的是射流元件排空處的壓力數(shù)據(jù)；截面3監(jiān)測(cè)的是缸體下腔的壓力數(shù)據(jù)，截面4監(jiān)測(cè)的是節(jié)流盤出口處的壓力數(shù)據(jù)。

圖4　動(dòng)態(tài)模擬監(jiān)測(cè)的截面

2.1不同流量條件下的壓力變化分析

2.1.1輸入流量為10 L/s

輸入流量為10 L/s 時(shí)，1個(gè)周期的壓力變化特性曲線如圖5所示。沖程階段缸體下腔壓力呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，回程階段缸體下腔壓力呈現(xiàn)升高趨勢(shì)。射流式壓力脈沖短節(jié)入口壓力值在1.5～2.0 MPa范圍內(nèi)波動(dòng)，缸體下腔處的壓力值在 1.0～1.6 MPa 范圍內(nèi)波動(dòng)，射流元件排空處的壓力值在 0～0.5 MPa范圍內(nèi)波動(dòng)，而節(jié)流盤出口處的壓力值在 0～0.1 MPa 范圍內(nèi)波動(dòng)。

圖5　輸入流量為10 L/s時(shí)的壓力變化特性曲線

2.1.2輸入流量為12 L/s

輸入流量為 12 L/s時(shí)，1個(gè)周期的壓力變化特性曲線如圖6所示。沖程階段缸體下腔壓力呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，回程階段缸體下腔壓力呈現(xiàn)升高趨勢(shì)。射流式壓力脈沖短節(jié)入口壓力值在 2.4～3.2 MPa 范圍內(nèi)波動(dòng)，缸體下腔處的壓力值在 1.4～2.4 MPa 范圍內(nèi)波動(dòng)，射流元件排空處的壓力值在 0～0.8 MPa 范圍內(nèi)波動(dòng)，而節(jié)流盤出口處的壓力值在 0～0.2 MPa 范圍內(nèi)波動(dòng)。

圖6　輸入流量為 12 L/s 時(shí)的壓力變化特性曲線

2.1.3輸入流量為14 L/s

輸入流量為14 L/s時(shí)，一個(gè)周期的壓力變化特性曲線如圖7所示。沖程階段缸體下腔壓力呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，回程階段缸體下腔壓力呈現(xiàn)升高趨勢(shì)。射流式壓力脈沖短節(jié)入口壓力值在 3.2～4.2 MPa 范圍內(nèi)波動(dòng)，缸體下腔處的壓力值在 1.9～3.0 MPa 范圍內(nèi)波動(dòng)，射流元件排空處的壓力值在 0～1.2 MPa 范圍內(nèi)波動(dòng)，而節(jié)流盤出口處的壓力值在 0～0.3 MPa 范圍內(nèi)波動(dòng)。

圖7　輸入流量為 14 L/s 時(shí)的壓力變化特性曲線

2.1.4輸入流量為16 L/s

輸入流量為 16 L/s 時(shí)，一個(gè)周期的壓力變化特性曲線如圖8所示。沖程階段缸體下腔壓力呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，回程階段缸體下腔壓力呈現(xiàn)升高趨勢(shì)。射流式壓力脈沖短節(jié)入口壓力值在 4.0～5.3 MPa 范圍內(nèi)波動(dòng)，缸體下腔處的壓力值在 2.3～4.0 MPa 范圍內(nèi)波動(dòng)，射流元件排空處的壓力值在 0～1.8 MPa范圍內(nèi)波動(dòng)，而節(jié)流盤出口處的壓力值在 0～0.3 MPa 范圍內(nèi)波動(dòng)。

圖8　輸入流量為16 L/s 時(shí)的壓力變化特性曲線

2.1.5輸入流量為18 L/s

輸入流量為18 L/s 時(shí)，1個(gè)周期的壓力變化特性曲線如圖9所示。沖程階段缸體下腔壓力呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，回程階段缸體下腔壓力呈現(xiàn)升高趨勢(shì)。射流式壓力脈沖短節(jié)入口壓力值在 5.3～7.0 MPa 范圍內(nèi)波動(dòng)，缸體下腔處的壓力值在 3.9～5.7 MPa 范圍內(nèi)波動(dòng)，射流元件排空處的壓力值在 0～1.7 MPa 范圍內(nèi)波動(dòng)，而節(jié)流盤出口處的壓力值在 0～0.4 MPa 范圍內(nèi)波動(dòng)。

圖9　輸入流量為 18 L/s 時(shí)的壓力變化特性曲線

2.2壓力數(shù)據(jù)綜合分析

不同流量條件下，射流式水力振蕩器各截面的壓力值匯總?cè)绫?所示。壓力在很短時(shí)間內(nèi)波動(dòng)，在最小值和最大值之間變化，可以用平均值來反映壓力隨流量變化的趨勢(shì)。上接頭入口處的壓力值變化曲線如圖10所示。入口壓力值與流量大小基本呈線性關(guān)系，可見入口壓力受流量影響很大，一定程度上反映了工具壓力降的大小。

表2　不同流量下各截面的壓力值

圖10　上接頭入口壓力與流量的關(guān)系

射流元件環(huán)空處的壓力值變化曲線如圖11所示。在流量小于 16 L/s時(shí)該處壓力值與流量基本呈線性關(guān)系，但是流量達(dá)到 18 L/s 時(shí)，環(huán)空壓力值不再升高，而稍稍降低。值得注意的是，射流元件環(huán)空壓力最小值是 0，這是因?yàn)樵?CFD 模擬計(jì)算中，出口壓力被設(shè)置自然流出，而射流元件環(huán)空屬低壓區(qū)，與出口直接相連通，因此壓力出現(xiàn) 0 的情況是存在的。 缸體下腔的壓力值變化曲線如圖12所示。缸體下腔的壓力值與流量大小基本呈線性關(guān)系，可見缸體壓力受流量影響很大，變化趨勢(shì)與入口壓力一致。

圖11　射流元件環(huán)空壓力與流量的關(guān)系

圖12　缸體下腔壓力與流量的關(guān)系

節(jié)流盤出口處的壓力值變化曲線如圖13所示。雖然該處壓力值與流量基本呈線性關(guān)系，但是該處壓力變化幅度較小，在 0～0.4 MPa 之間波動(dòng)，由于與模型出口相鄰，出口壓力被設(shè)置自然流出，因此壓力出現(xiàn) 0 的情況。 以往的射流式?jīng)_擊系統(tǒng)的 CFD 數(shù)值模擬計(jì)算研究中，研究重點(diǎn)是射流元件的噴射流速、臨界流速、活塞沖錘的沖擊末速度、沖擊功以及沖擊頻率等參數(shù)上。但是本文中的射流式水力振蕩器 CFD 數(shù)值模擬的研究重點(diǎn)在于分析該工具工作中的壓力參數(shù)變化情況。

圖13　節(jié)流盤出口壓力與流量的關(guān)系

3結(jié)語

研究了射流式水力振蕩器的 CFD 數(shù)值模擬計(jì)算問題，包括計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)的概況、計(jì)算域的結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)、CFD 數(shù)值模擬軟件設(shè)置及動(dòng)態(tài)模擬結(jié)果分析，并詳細(xì)介紹了該工具的數(shù)值模擬計(jì)算步驟，包括湍流模型選擇、算法選擇、計(jì)算域網(wǎng)格模型的建立、初始條件邊界條件的定義、動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)、滑移網(wǎng)格技術(shù)、用戶自定義函數(shù)(UDF)、時(shí)間步設(shè)置等。通過CFD 數(shù)值模擬計(jì)算，監(jiān)測(cè)到了工作中射流元件的附壁切換的過程、活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)過程以及活塞桿在節(jié)流盤錐形孔中的往復(fù)運(yùn)動(dòng)過程，得到了不同輸入流量條件下射流式水力振蕩器的工作參數(shù)變化情況，并著重研究分析了射流式水力振蕩器的壓力參數(shù)變化情況。

參考文獻(xiàn)：

[1]黃崇君，謝意，劉偉，等.水力振蕩器在川渝地區(qū)水平井的應(yīng)用[J].鉆采工藝，2015(2)：101-102.

[2]馬騰，趙小東，柳鶴，等.射流式液動(dòng)節(jié)流器缸體強(qiáng)度校核與數(shù)值模擬[J].科技傳播，2014(7)：109-110.

[3]王建章.120型射流式水力振蕩器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].石油礦場機(jī)械，2015，44(9)：68-72.

[4]王芳層，賈吉冉，楊成永，等.水力振蕩器的研制與應(yīng)用[J].石油礦場機(jī)械，2015，44(7)：83-85.

[5]王立宏.水力振動(dòng)器的研制與應(yīng)用[J].石油礦場機(jī)械，2015，44(3)：81-83.

[6]李博，王羽曦，孫則鑫，等.?178型水力振蕩器的研制與應(yīng)用[J].石油礦場機(jī)械，2013，42(8)：55-57.

Numerical Simulation of Working Parameters for Hydraulic Oscillator Jet

NA Feng

(ChinaPetroleumTechnologyandDevelopmentCorporation，Beijing100028，China)

Abstract：By CFD numerical simulation method，complex flow field inside the Jet hydrodynamic oscillators is analyzed，especially within the pressure pulse jet nipple by Jet components，cylinders，pistons，throttle plate consisting of complex flow field velocity，pressure changes.Using Solidworks，Hypermesh，F(xiàn)LUENT software are used to establish a rational model，reasonable selection of numerical methods and select reasonable numerical simulation to study jet flow field in hydraulic oscillator for optimization of structural design of the tool，which are of guiding significance.

Keywords：hydraulic oscillator；parameters；numerical simulation

中圖分類號(hào)：TE921.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.04.012

作者簡介：那楓(1971-)，女，黑龍江阿城人，工程師，主要從事石油設(shè)備的技術(shù)管理工作，E-mail：naf@cptdc.cnpc.com.cn。

收稿日期：2015-11-21

文章編號(hào)：1001-3482(2016)04-0047-05