宋曉明

(承德石油高等?？茖W校 機械工程系，河北 承德 067000)

現(xiàn)代鉆井工藝中，井控節(jié)流閥是節(jié)流管匯上的關(guān)鍵零部件，用以調(diào)節(jié)控制油氣等流體的流量，維持井筒壓力平衡[1-2]。目前，楔形節(jié)流閥因其工作穩(wěn)定可靠廣泛應(yīng)用于油氣鉆采的節(jié)流管匯上。但是，在高壓油氣井壓井的實際工況中，由于流體中攜帶的固體顆粒的沖蝕作用和液相流的氣蝕作用，楔形節(jié)流閥很快失效而不能正常工作[3-5]。因此，為提高節(jié)流閥的工作可靠性，本文基于fluent對楔形節(jié)流閥進行數(shù)值模擬研究，得出其內(nèi)部流場的分布規(guī)律及其特點，研究其引發(fā)失效的主要原因，為楔形閥的結(jié)構(gòu)改進提供理論依據(jù)。

1 幾何模型的建立

楔形節(jié)流閥的結(jié)構(gòu)主要包括閥體、閥芯、閥座和防磨套，如圖1所示。工作原理為：流體流經(jīng)節(jié)流閥后流體的速度增大、壓力變小，且流體壓力隨閥芯與閥座形成的開口大小的變化而變化。鑒于楔形節(jié)流閥結(jié)構(gòu)復雜，為便于研究又不失計算準確性，在建立模型時，對其進行了相應(yīng)的簡化，利用Creo 2.0三維建模軟件建立流體計算域模型，如下圖2所示。

2 數(shù)值模擬計算

2.1 網(wǎng)格劃分

針對節(jié)流閥流體計算域的復雜結(jié)構(gòu)，本文在滿足計算精度的前提下，采用非結(jié)構(gòu)四面體網(wǎng)格對其進行網(wǎng)格劃分，同時對閥芯周圍等重要部位進行網(wǎng)格加密處理以更好地反映該區(qū)域內(nèi)的流體流動情況，劃分結(jié)果如下圖3所示。

2.2 邊界條件及求解設(shè)置

本文中楔形節(jié)流閥的流場比較復雜，對湍流模型的要求較高，因此采用realizablek-ε湍流模型。以速度為入口條件，取現(xiàn)場工況(流體的密度1 800 kg/m3，動力黏度0.02 Pa·s，入口流速9.2 m/s)，出口為自由發(fā)展出流(outflow)，壁面條件采用 standard wall function。計算方法采用壓力與速度耦合方法SIMPLEC，離散格式采用二階迎風格式second order upwind，以各項參數(shù)的殘差小于1.0×10-4為收斂標準。

3 數(shù)值模擬分析

計算結(jié)束后，通過后處理得到節(jié)流閥某一開度的流場分布云圖，如下圖4所示。

從上圖4可以看出，流體以9.2 m/s的速度流入，進入流道后流體形成均勻穩(wěn)定的湍流狀態(tài)；流體流經(jīng)節(jié)流閥的節(jié)流口處時，由于通流面積的變小，流速急劇增大，在閥芯楔形面沿軸向處的速度值達到最大為241 m/s；大部分流體經(jīng)導流面進入出口流道，少部分流體在閥芯底部形成漩渦。

4 結(jié)論

通過對楔形節(jié)流閥內(nèi)部流體的流場分布規(guī)律及其特點的分析可知，流體在節(jié)流口的節(jié)流作用下形成高速流，對閥芯表面造成嚴重的沖蝕；同時，導流面的引流作用降低了高速流體對節(jié)流管壁的沖擊。