钻井工况冲蚀试验机喷嘴结构参数数值模拟.pdf

2 O l 4年 第 3期 第 4 3卷 第 4 7页 石油 矿 0I L Fl ELD 场 机械 E QUI P MENT 2 0 1 4， 4 3 3 4 7 5 1 文 章 编 号 1 00l 3 4 82 2 O1 4 03 00 4 7 0 5 钻井工况冲蚀试验机喷嘴结构参数数值模拟 邱 亚玲 。 颜 凌宇 ， 张 然。 ， 张 维 ， 周 新志 ， 董大为。 1 ． 西南石 油大学 机 电工 程学院 ， 成都 6 1 0 5 0 0 ； 2 ． 中国石 油大学 北京石油工程学院 ， 北京 1 0 2 2 4 9 ； 3 ． 河南晋开化工投资控股集 团有 限责任公 司 ， 河南 开封 4 7 5 0 0 2 摘要 喷嘴是冲蚀试验机 的关键部件之一 ， 其设计参数的合理与否将 直接影响到冲蚀试验机试验结 果的准确性及试验效率。应用计算流体动力学数值模拟技术 ， 以钻井液作为喷嘴的射流介质 ， 建立 钻井冲蚀工况所用锥直形喷嘴 的有限元模型， 对喷嘴的收缩角、 长径 比、 直径、 冲蚀距离等参数进行 优化 ， 为 喷嘴 的参数 设 计提供 依 据 。 关键 词 冲蚀 试验 机 ； 喷嘴 ； 数值 模拟 ； 优化 设计 中图分 类号 T E 9 2 7 文 献标 识码 A Nu me r i c a l Si mu l a t i o n o f t h e S t r u c t u r e Pa r a m e t e r o f t he Er o s i o n Te s t i ng M a c h i ne No z z l e i n t h e Co n di t i o n O f W e l l Dr i l l i ng Be ha v i o r QI U Ya l i n g ， YAN L i n g y u ， ZHANG Ra n ， Z HANG W e i ， ZHOU Xi n - z h i ， D0NG Da - we i 。 1 ． Co l l e g e o J Me c h a n i c a l a n d El e c t r o n i c En g i n e e r i n g， S o u t h we s t Pe t r o l e u m Un i v e r s i t y， Ch e n g d u 6 1 0 5 0 0， Ch i n a； 2 ． Co l l e g e o J Pe t r o l e u m En g i n e e r i n g， C hi n a Un i v e r s i t y o f Pe t r o l e u m ， Be i j i n g 1 0 2 2 4 9， C h i n a； 3 ． He n a n Ji n k a i I n v e s t me n t Ho l di n g Gr o u p， Ka i f e n g 4 7 5 0 0 2 ， C h i n a Ab s t r a c t The n oz z l e i s o ne of t he k e y c o m p o ne n t s of t he e r o s i on t e s t i n g ma c hi ne， s o i t s de s i g n p a r a m e t e r wi l l di r e c t l y i nf l u e n c e t h e a c c u r a c y a nd t he e xp e r i me nt a l e f f i c i e n c y o f t he e r o s i on t e s t i n g ma c h i ne l a b or a t or y f i nd i n gs ．Ba s e d on t h e f l ui d dy na m i c s nu m e r i c a l s i m u l a t i on t e c hni q u e，t he dr i l l i n g f l ui d u p f o r t he f l ui d m e d i u m i s ma de ， a nd a c on e s ha pe f i n i t e e l e m e nt mod e l f o r t h e we l l ” - 4 -“ ””“- 4 - “ 4- ” “” “ “”””” 卜”。 。 卜 ” 。 一”。 。 卜 ” ““卜“ 卜 ” 十 “ 十”。 。 卜” 十一 参考 文献 [ 1 ]Ha u s e n b e a u e r G F ， L e e G C ． S t r e s s i n Th i c k Wa l l e d C o n i c a l S h e l l s [ J ] ．Nu c l e a r E n g i n e e r i n g a n d d e s i g n ， 1 96 6 3 3 9 4 4 O1 ． [ 2 ] E 3 2 [ 4 ] Ay ob A B， Ta mi n M N， Ka b a s h i El b a s he r M ．Pr e s s u r e L i mi t s o f T h i c k Wa l l e d C y l i n d e r s [ e l ／ ／Ho n g K o n g P r o c e e di n gs o f t he I n t e r na t i o na l Mul t i Co nf e r e n c e o f Eng i n e e r s a n d Co mp u t e r Sc i e n t i s t s 2 00 9． 2 0 09 0 3 1 8 2 O． Da r ij a n i s H， Ka r g a r n o v i n M H， Na g h d a b a d i R． De s i g n of t hi c k wa l l e d c yl i n dr i c a 1 v e s s e l s un de r i nt e r na l pr e s s u r e b a s e d o n e l a s t o p l a s t i c a p p r o a c h [ J ． Ma t e r i a l s a n d De s i gn， 2 009 30 35 37 35 4 4． Pe r r y J ， Ab o u d i J ．E l a s t i c - P l a s t i c S t r e s s e s i n T h i c k wa l l C y l i n d e r s [ J ] ．A S ME J ．P r e s s u r e V e s s e l T e c h n o l o g y ， E 5 ] [ 6 ] [ 7 1 E s ] 2 0 0 3， 1 25 2 4 8 ～ 2 5 2． 张建 ， 肖刚， 孙骞 ， 等． 实体膨胀管膨胀过程数值模拟及 结构优化[ J 2 ． 石油矿场机械 ， 2 0 1 1 ， 4 0 5 6 7 7 0 ． A1 H i d d a b i S A ， S e i b i A C。 P e r v e z T． S t r e s s An a l y s i s o f Ca s i n g s Ex p a n s i 0 n ／ P o s t Ex p a n s i o nTh e o r e t i c a l Ap p r o a c h [ c ] ／ ／I s t a n b u l AS ME 6 t h B i e n n i a l C o n f e r e n c e Eng i n e e r i ng Sy s t e m s De s i gn a nd An al y s i s， 2 0 02 一 O 7 一 O 8一 l 2． Co l i n G R ， W I l 1 i a m C M ．Ana l y t i c a l M od e l f or Ca s i ng E x p a n s i o n [ C ] ／ ／ A ms t e r d a m s P E ／ I A D c Dr i l l i n g C o n f e r e nc e． 2 00 5 0 2 2 3 2 5． Ka r r e c h A ， S e i b i A． An a l y t i c a l M o d e l f o r t h e Ex p a n s i o n o f T u b e s Un d e r T e n s i o n [ J ] ． J o u r n a l o f Ma t e r i a l s Pr o c e s s i ng Te c hn ol og y， 20 1 0， 2 1 0 35 6 3 62 ． 收 稿 日期 2 0 1 3 0 9 0 6 作者简介 邱亚玲 1 9 6 3 ， 女 ， 四川 营山人 ， 教授 ， 主要从事机械工程领域科研 和教 学工作 ， E ma i l q i u y a l i n g 1 2 6 ． e o m。 石油 矿场 机 械 d r i l l i n g e r o s i o n b e h a v i o r i s b u i l t ． Th e p a r a me t e r s o f t h e c o n t r a c t a n g l e ， l e n g t h ／ d i a me t e r r a t i o ， d i a me t e r ， e r o s i o n di s t a n c e a n d S O on a r e op t i mi z e d， whi c h p r ov i d e t he e vi de nc e f or d e s i g ni n g t h e n o z z l e pa r a me t e r s ． Ke y wo r d s e r os i o n t e s t i n g ma c hi ne； no z z l e； n ume r i c a l s i mul a t i o n； o pt i m i z e d e s i gn 在油 气钻井 过 程 中 ， 由于钻 井液 压力 高 、 流 速快 且含 沙量 大 ， 使 得 钻井 设 备 在 施 工过 程 中 因冲蚀 而 引起 的失效现象时常发生 ， 尤其是节流阀、 旋塞 阀、 节流管汇、 钻头、 钻杆等冲蚀严重的设备均需要利用 冲蚀试验机进行抗冲蚀寿命分析。喷嘴是冲蚀试验 机的主要执行元件， 它利用其 内孔收缩截面 ， 将冲蚀 介质 的压力 能 聚集起 来 并 转 换 成 动能 ， 最 后 以高 速 射流的形式向外喷射 。高效 的喷嘴应具有较好的固 相颗粒加速能力 ， 使喷嘴出 口处粒子与射 流介质的 速度差 尽 可 能 小 ， 从 而 更 好 地 满 足 冲蚀 试 验 的 要 求 ] 。因此 ， 合理 的喷嘴结构参数将直接影响所设 计冲蚀试验机的性能和试验结果的可靠度 。 本 文通 过建 立 冲蚀试 验机锥 直形 喷嘴 的流场 计 算模型， 研究喷嘴的收缩角、 长径 比、 直径 、 冲蚀距离 等参 数对 冲蚀试 验 机 性 能及 试 验 结 果 的影 响 ， 为钻 井用 冲蚀 试验 机 的设 计提 供依 据 。 l 喷嘴类型及结构参数 按照 喷 嘴 内孔 截面形 状 的不 同可分 为 圆锥 收敛 形 喷嘴 、 锥直形 喷 嘴 、 流线 形 喷嘴 。本文 主要研 究非 淹没射流下 ， 不同喷嘴结构参数对射流的影响问题 ， 由于锥直形 喷嘴是 目前最 常用的一种连续射流 喷 嘴 ， 使用 十分 广泛 ， 因此本 文 的主要 研究对 象 为锥直 形 喷嘴 ， 其结 构如 图 1 所 示【 。 图中 D 为喷 嘴人 口 直 径 ； a为 喷 嘴 的 收缩 角 ； d为 喷 嘴 的 出 口直径 ； L 为圆柱段 长 度 ； L为喷 嘴长 度 。 图 1 锥直形喷 嘴结构 2喷嘴仿真模型的建立 由于喷 嘴 结构 的对 称性 ， 可将 喷 嘴 的有 限 元模 型简化为二维轴对称结构 。由于射流的速度大 ， 射 流外部 流场 区域较 大 ， 为 了表 示 喷嘴 的结 构 ， 图 中省 略了部分射流外部流场 的区域。由于喷嘴的结构尺 寸较小， 使得喷嘴内部以及喷嘴 出口附近的速度梯 度 都 比较大 ， 因此 需要 对喷 嘴 内部 、 出 口处 和入 口处 等主要区域进行网格细化 ] ， 所建喷嘴射流仿真计 算模型的网格模型如图 2 所示。 图 2 喷 嘴射流仿真 网格模型 喷射流体一般为高湍流动流体 ， 因此采用标准 的 e 模型l l4 ] ， 其输运方程为 一 a az 蠹[ 差 卜 一 y 1 一 [ a ．r j ]Jt r] a ， 刁 I 、 。 。 cl e G c3 e G 一 c 2 e lD 十 s e 2 式 中 G 为 由于平 均速 度梯 度引 起 的湍动 能 k的产 生项 ； G b 为 由于 浮力 引起 的湍 动 能 k的产 生 项 ； Y M 为可压 缩 湍流 中脉 动 扩 张 的 贡 献 项 ； C C 。 、 C 。 为 方程 的经 验 常数 项 ， 取 C 一 1 ． 4 4 ， C 1 ． 9 2 ， C 。 一 0 ． 0 9 、 分 别为与 湍动 能 k和 耗散 率 ￡相 对应 的 P r a n d t l 数 ， 取 一1 ． 3 、 一 1 ． 0 ； S 女 、 S 为用 户 自 定 义的 源项 。 3 数值仿真及结果分析 本 文 以钻 井液 密 度 1 2 0 0 k g ／ m。 、 动 力黏 度 0 ． 0 2 P aS 为例 ， 取喷嘴收缩角分别为 l 1 。 、 l 2 。 、 1 3 。 、1 4 。 、 1 5 。 、 1 6 。 ； 长 径 比 z ／ d分 别 为 21 、 31 、 4 1 ； 出 口速度为1 0 0 m／ s ； 利用流体力学分析软件 F l u e n t 对 喷 嘴射 流 的 最 优 收 缩 角 和 长 径 比以 及 喷 嘴 出 口直径 为 0 ． 0 0 3 ～0 ． 0 0 6 m、 钻井 液流速 在 1 0 ～ 第 4 3卷第 3期 邱亚玲 ， 等 钻井 工况冲蚀 试验机喷嘴结构参数数值模拟 1 0 0 m／ s 条件 下 的喷嘴 射流 的最 优 冲蚀 距 离进 行 了 研 究 。 3 ． 1 喷 嘴流 场计算 结 果分 析 以收缩角为 1 6 。 的喷嘴 为例 ， 分析 喷嘴的 内外 射 流 形式 。图 3 a为锥 直 形 喷 嘴 内外 射 流 的整 体 速 度 云 图 ， 图 3 b为锥 直形 喷嘴 出 口处速度 云 图 的局 部 放大图， 可 以看 出 喷嘴射流速度的产生部位主要在 喷嘴 收缩 段处 ； 钻 井 液射 流介 质 经 过 喷 嘴 收缩 段 的 加 速后 ， 与 喷 嘴外 的空 气 之 间发 生 了 剧 烈 的摩 擦 及 动 量 交换 ， 并在 射 流前 进 的过 程 中不 断 卷 吸周 围 的 空气 ， 因此 喷 嘴射 流 的轴 向速 度 是逐 渐衰 减 的 ； 随着 喷嘴射流距离 的增大 ， 射 流介质不断将能量传递给 与之接触的空气 ， 射流介 质周边 的空气速度也随之 增大 ， 从而使得射流介质 出现 了微小的发散流动状 态 ， 同时在 喷 嘴 出 口处 有 一 段 速 度 基 本 不 变 的 区域 被称 为“ 等速 核 区” 。 a 整体 速度云图 b 出 口处 速度云图局部放大 图 3 锥 直形 喷嘴的内外射流速度云 图 l 6 。 收缩角喷嘴射 流的轴 向速度 曲线如 图 4所 示 ， 可 以得 出 钻井 液 的最 大射流 速度 出现 在 喷嘴 的 出 口处 ， 并且 速度值 小 于 1 0 0 m／ s ， 这 主要 是 由于 喷 嘴 的局部 压力 损 失和 沿 程 压 力 损 失造 成 的 ； 喷 嘴 的 射流速度在喷射收缩段逐渐增大 ， 随着射流距离的 增 大 ， 射 流速 度逐 渐减 少 ， 并且 射流 速度 在距 离喷 嘴 出 口较近的区域衰减较快 ， 随后速度衰减较慢 。 图 4 l 6 。 收缩角喷嘴射流的轴 向速度 3 ． 2喷 嘴不 同收缩 角对 射流 的影 响 喷嘴 直径 取 5 mm 时 ， 不 同收 缩 角 喷 嘴 射 流 的 轴 向速度 曲线 如 图 5所 示 ， 可 以看 出 随着 喷嘴收 缩 角 的增 大 ， 喷 嘴 的射 流 速 度逐 渐 减 小 。 比较 图 中 不 同曲线的斜率可知 ， 不 同收缩角喷嘴的射流稳定性 基本一致 ， 分析得出 收缩角度为 1 1 o 时的射流速度 最 大 。 位 置， m 图 5 不 同收缩角喷 嘴的轴 向速度 3 ． 3 喷 嘴长径 比对 射流 效果 影 响 喷嘴 直 径 为 5 mm、 收缩 角 为 1 3 。 时 ， 不 同 长 径 比喷嘴轴向速度 曲线如图 6 所示 ， 可以看 出 不同长 径 比喷嘴的速度曲线基本一致 ， 随着 喷嘴长径 比的 增大 ， 喷 嘴 的射流 速度 逐渐 减 小I 7 ， 而 钻井 液 在 收 缩段 的加速效率却越高 ； 喷嘴长径 比为 3时， 即能保 证喷嘴具有较高的射流速度又能使喷嘴具有较好的 加速 能力 。 l 2 o ． 1 4 o ． 1 6 o ． 1 8 o ．2 0 o ． 2 2 o ． 2 4 o ． 2 6 o ． 2 8 位 置／ n 1 图 6 不 同长径 比喷嘴轴 向速度 3 ． 4不 同喷 嘴直 径下 的最 优冲 蚀距 离 为 了更 好 地 模拟 实 际 的 冲蚀 工 况 ， 本 文 以喷 嘴 的射流速度误差不超过 5 的射流距离作为喷嘴的 最优 冲蚀 距离 。 图 7为不 同直径喷嘴在不 同速度下射流的最优 冲蚀距离曲线 ， 可 以看出 随着射流速度 的增大， 钻 井液 的最优冲蚀距离逐渐增大 ， 但最优冲蚀距离存 在一个临界值 ， 并 且随着喷嘴直径 越大 ， 临界值 越 大 。这一 现象 可 以从 0 ． 0 0 3 m 与 0 ． 0 0 4 m 直 径 喷 ∞∞胁加∞如∞∞加m 0 O 石 油矿 场机 械 嘴的 曲线 中看 出 ， 其 主 要原 因是 当射流 速度 超 过 临 界值时， 高速的钻井液与气体之 间的动能交换逐渐 增大 ， 使喷嘴的雾化作用增强。因此可以得 出 射流 速度越 大 ， 喷嘴 的雾化 作用 越 明显 ； 随着喷 嘴直径 的 增大 ， 最优 冲蚀 距离 随之增 大 ， 其 主要 原 因是喷 嘴直 径越 大 ， 喷嘴 的雾化 作用 越小 。 2 2 2 0 1 8 ● 邑 1 6 越 l 4 l 2 1 O 8 6 位置／ I 11 a 射 流速度为 1 0 m／ s 0 ． 1 6 0 ． 1 8 0 ． 2 0 0 ． 2 2 0 ． 2 4 0 2 6 0 - 2 8 0 ． 3 0 位置， m 3 3 f 2 昌 1 l b 射流速度为 2 0 m s 5 n1 6 n1 8 n2 0 2 2 n2 4 1 2 6 n2 8 n3 0 位置／ l 『 】 c 射流速度为 3 0 m／ s 位置／ m d 射流速度为 4 0 m／ s 55 5 0 45 4 o 3 5 3 0 2 5 2 0 ∞ _ 三 二．、 ∞ 剖 ／x -- i ． 3 ． 、 4 7 5 ／1 ”／ x 0 ． 2 5 4．， 4 7． 5 0 ． 3 ． 4 7 。唢嘴 “ 喷嘴 往 喷嘴 喷u 觜 径 3 『 1 I l l I 4j 1 1 l 『 _ 5I 1 _ l 1 1 6 I 1 1 『 1 ] nl 6 8 n 2 0 0 ．2 2 -2 4 2 6 2 8 3 化 嚣， l1 、 e 射 流速 度为 5 0 m／ s 位置／ l n f 射 流速度为 6 0 m／ s 9 O 8 O 7 O 6 o 5 0 4 O 3 O 2 0 佗置／ I I 1 g射流速度为 7 0 m／ s ／ 3 一 y 2 8 5 ／ 0 ． 2 9 ， 7 6 x O． 2 4 0 ， y 7 6 x - O． 3 ． ’ 7 6 6 0 ． 1 8 _2 0 - 2 2 0 ．2 4 26 _2 8 3 m h 射流速度为 8 0 m／ s 一 ． ． s． 曼、 第 4 3卷第 3期 邱亚玲 ， 等 钻井工况 冲蚀试验 机喷嘴结 构参数数值模拟 5 1 f ， 量 ∞ ● 量 位霞／ n 1 射流速度为 9 0 m／ s 0 ． 1 6 0 ． 1 8 -2 0 0 -2 2 0 ．2 4 0 _2 6 O _ 2 8 0 ．3 0 位 置／ n 1 j 射流速度为 1 0 0 m／ s 图 7 不 同直径喷嘴在不同射流速度下的 最优 冲蚀 距离曲线 由图 7可 以得 出 在不 同 喷射 速 度 条 件 下 ， 不 同 直径 喷 嘴 的最 优 冲蚀距 离 ， 如表 1 所 示 。 表 l 不同喷射速度及喷嘴直径 的最优冲蚀距 离m 4 结论 1 以钻井 液为射 流介 质 时 ， 1 1 ～1 6 。 收 缩角 的 喷嘴具有相似的射流稳定性 ， 以最大射流速度为标 准 可 以得 出喷嘴 的最优 收缩 角度 为 1 1 。 。 2 随着 长 径 比增 加 ， 喷 嘴 的射 流 速度 逐 渐 减 小 ， 而钻井液在收缩段 的加速效率却越高 。为此取 喷嘴长径 比为 31 ， 既能保证喷嘴具有较高的射流 速度又能使喷嘴具有较好的加速能力 。 3 通过仿真得出 0 ． 0 0 3 ～0 ． 0 0 6 m直径喷嘴 在 1 0 ～1 0 0 m／ s喷射速 度下钻井液 的最优 冲蚀 距 离 ， 为进 行 喷 射 冲 蚀 试 验 提 供 了 准 确 的 冲 蚀 距 离 参数 。 参考文献 E 1 ] Hu a n g D S ． Th e S p e e d D i s t r i b u t i o n o f S u b m e r g e d F r e e Wa t e r J e t [ J ] ． J o u r n a l o f Hi g hP r e s s u r e Wa t e r J e t ， 1 9 8 7 1 32 45 ． [ 2 ] 葛 兆龙 ， 卢义玉 ， 左伟芹 ， 等． 水 力喷砂射孔 喷嘴的数值 模 拟及试验研究[ J ] ． 郑州大学学报 工学版 ， 2 0 1 1 3 1l 9 1 23 ． [ 3 ] 张生昌 ， 陈锡栋 ， 邓鸿英 ， 等． 往 复式 油气 混输 泵组合 阀 流场 数 值 模 拟 [ J ] ． 石 油 矿 场 机 械 ， 2 O 1 2 ， 4 1 1 2 33 36 ． [ 4 ] I ． a u n d e r v B E， S p a l d i n g D B ． L e c t u r e s Ma t h e ma t i c a l Mo d e l s o f Tu r b r l e n c e r M ] ． I ． o n d o n Ac a d e mi e Pr e s s． 1 9 72 ． [ 5 ] 杨 国来 ， 李秀华 ， 周 文会 ， 等． 圆锥形 喷嘴 内部结 构参数 对 射流流场的影响E J ] ． 液压与气动 ， 2 0 0 9 5 6 2 6 4 ． [ 6 ] 练章华 ， 刘 干， 龚建文 ， 等． 高压节流阀流场分析及其结 构 改进 [ J ] ． 石油机械 ， 2 0 0 4 9 2 2 2 4 ． [ 7 ] 刘 巨保 ， 徐世博 ， 娄永 ． 基于 C F X的磨料水射 流喷嘴 的 流场分析E J ] ． 石油矿场机械 ， 2 0 1 3 ， 4 2 4 4 0 4 4 ． E 8 ] 杨 国来 ， 周文会 ， 刘肥． 基于 F l u e n t 的高压水射 流喷 嘴 的流场 仿 真 [ J ] ． 兰州 理 工 大 学 学 报 ， 2 0 0 8 ， 3 4 2 48 52 ． E 9 ] 郭 仁宇 ， 王若旭 ， 陈扬 ． 磨料 水射 流喷嘴 的流场数 值模 拟 [ J ] ． 化 工进 展 ， 2 0 0 9 ， 2 8 4 4 3 4 4 6 ． [ 1 0 ] 周章根 ， 马德毅 ． 基 于 F l u e n t 的高压 喷嘴射 流的数值 模拟[ J ] ． 机械制造与 自动化 ， 2 0 1 0 1 6 1 - 6 2 ． ∞ ， ． ∞ 如 加 0 ● 0 9 8 7 6 5 4 3 2