CFD技术的注水单流阀阀口优化设计.pdf

2 0 1 3年 第 4 2卷 第 1 2期 第 3 O页 石油 矿 0I L FI ELD 场机 械 E QUI P MENT 2 O 1 3， 4 2 1 2 3 0 ～3 3 O o 文 章 编 号 1 0 0卜3 4 82 2 01 3 1 2 - 0 03 0 0 4 基于 C A D ／ C F D技术的注水单流阀阀 口优化设计 程 心平 ， 张成富 ， 王 良杰 ， 邹明华 ， 王 瑶 中海油能源发展股份有 限公 司 钻采工程研究 院， 天津 3 0 0 4 5 2 摘要 为提 高注水单流阀的工作性能并延长其使 用寿命， 采用 C A D和 C F D相结合的方法来对注水 单流阀的阀口结构进行优化设计。首先确定阀口倾角和开度 为单流阀阀口的待优化结构参数 ， 并 采 用 C AD技术对单流 阀的阀口结构进行三维参数化建模 ， 然后应 用计算流体力学软件 F I UE NT 对单流阀的 2 7个阀口模型进行三维流场仿真计算。通过设立阀口迎流面单位长度受到的剪切力、 液流喷射速度和角度 3个性能评价指标对各单流阀阀口模型的流场计算结果进行评价 ， 得 出阀口 倾 角为 3 0 。 、 阀口开度为 0 ． 8 mm 为注水单流阀阀口结构的最优设计参数 。 关键 词 注水 ； 单流 阀 ； 优化 设 计 ； C AD ／ C F D 中图分类 号 TE 9 3 4 ． 1 0 2 文献 标识 码 A Op t i mi z a t i o n De s i g n o f P o r t S t r u c t u r e i n I n j e c t i o n Ch e c k Va l v e B a s e d o n CAD／ CF D CHENG Xi n p i n g Z HANG Ch e n g f u ； W ANG L i a n g j i e ； Z OU Mi n g h u a ； WANG Ya o ‘ En e r g T c h n 【 I l t ， g ＆ S e r v i c e s oi ui e l d En g i n e e r i n g Re s e a r c h I n s t i t u t e ， CNOOC， Ti a n j i n 3 0 0 4 5 2 ， C h i n a Ab s t r a c t To i mp r o v e t h e p e r f o r ma n c e a n d e x t e n d t h e s e r v i c e l i f e o f i n j e c t i o n c h e c k v a l v e ， t h e me t h o d o f CAD／ CF D i s p r e s e n t e d t o o p t i mi z e i n j e c t i o n c h e c k v a l v e p o r t s t r u c t u r e i n t h i s p a p e r ． Fi r s t l y， t he s t r u c t u r e pa r a m e t e r s wh i c h i nc l ud e ob l i qu i t y a n d op e n i ng o f v a l v e p o r t a r e c ho s e n t o h e o pt i m i z e d， t he n t he CAD t e c h no l og y i s a pp l i e d t o bu i l d 27 t h r e e di m e n s i on a l v a l v e p or t pa r a me t e r i z a t i o n m o d e 1 s， wh i c h a r e us e d t o c a l c u l a t e t hr e e di m e ns i o na l f l o w f i e l d i n t he v a l v e p or t m o de l s b v CFD s of t wa r e FI UENT． Th e n t hr e e e v a l ua t i o n i n de xe s wh i c h c on s i s t o f t he f l o w s h e a r f or c e p e r u n i t l e n g t h o f t h e s u r f a c e ， l i q u i d j e t v e l o c i t y a n d a n g l e a r e e s t a b l i s h e d， t h e c a l c u l a t i o n r e s u l t s o f e v e r y i nn e r f l ow f i e l d i n t he a b o v e 2 7 mo de l s a r e e v a l ua t e d by t he s y nt he s i s o f A n a l y t i c H i e r a r c h v Pr o c e S S a n d Fu z z y Co mp r e h e n s i v e Ev a l u a t i o n ． Fi n a l l y， t h e o p t i mu m s t r u c t u r e d e s i g n o f i n j e c t i o n c he c k v a l v e po r t wi t h t he o bl i qu i t y o f 3 0 d e gr e e a nd t he op e n i ng o f 0 ． 8mm i s a c h i e v e d ． Ke y w o r d s wa t e r f l o o d i n g ； c h e c k v a l v e ； o p t i mi z a t i o n d e s i g n； CAD／ CFD 井下 注水单 流 阀的 作用 是 在 注 水 井停 注 时 ， 防 止地层水发生倒灌造成层间干扰 ， 或防止地层水返 吐诱发地层出砂造成砂埋井下工具 。由于井下工作 条件恶劣及接触介质复杂 ， 结构设 计不合理 的单流 阀会很快出现阀口冲蚀而不密封 ， 因此探索合理的 单流阀结构设计方法是 目前亟待解决的重要技术问 题 。由于单流阀内部流动是复杂 的三维湍流运 动 ， 对其进行研究面临很大困难 。随着计算机技术 收稿 E t 期 2 0 1 3 0 6 1 5 基金项 目 中国海洋石油总公 司科技发展项 目“ 海上分层注水井下洗井工艺技术研究” C ／ K J F J D C J F 0 0 1 2 0 1 0 作者简介 程心平 1 9 6 8 ， 男 ． L U 西汾 阳人 ， 高级工程师 ， 1 9 9 0年毕业于西安石油学院矿机专业 ， 长期从事 采油工艺 和井下 工具 开发研究 ， E ma i c h e n g x p c n o o c ． c o rn． c n 。 第 4 2卷第 1 2 期 程心平 ， 等 基 于 C A D ／ C F D技术 的注水单流 阀阀 15 优化设计 和湍流理论以及计算流体力学技术 C F D 的发展 ， 对各种流体机械 内部流场进行数值模拟成为可能。 将 C F D与计算机辅助设计技术 C AD 相结合进行 流体机械优化设计 ， 可以解决传统流体机械结构设 计工作量大、 性能预测精度低和开发周期长等问题 ， 目前 已经应用于水力机械转轮、 柴油机冷却水套等 多种流体机械的结构优化设计工作 中E a - 4 ] 。因此 ， 本 文通过综合应用 C AD和 C F D技术对单流阀的阀口 结构进行优化设计 ， 以期提高单流阀的工作性能并 延长其使用寿命 。 1 优化设计方法的提 出 在进行流体机械的结构优化设计前 ， 首先确定 影响流体机械性能的多个结构参数 ， 然后确定各参 数的取值范围。由于 目前常用 的 c AD软件都具有 参数化建模功能 ， 因此利用这项功能并结合确定 的 结构参数来完成流体机械 的几何建模， 即建立多个 不同结构尺寸的流体机械几何模型。对于建立 的每 个流体机械模型 ， 将其 内部结构进行剖分以形成 网 格来实现数值模拟运算 ， 并根据流动状况建立不同 的 C F D计算模型 ， 设置求解模型的各种边界条件和 相关参数 ， 然后运行计算。在运算结束后 ， 通过对计 算结果进行分析处 理， 得出流体机械 内部流场信息 参数， 例如各部分的压力、 速度和流线分布等。根据 要优化流体机械的工作原理和性能特点 ， 确定能够 评价流体机械性能的指标值 ， 并对各结构参 数下 的 流体机械性能预测指标值进行计算， 可相应 的得到 不同结构参数下的流体机械性能预测指标值 ， 通过 比较这些性能预测 指标值 ， 得到最优 的流体 机械结 构参数 ， 这就是基 于 C AD ／ C F D技术的流体 机械结 构优化设计的方法_ 5 。 j 。 2 优化设计 方法的实例应用 2 ． 1 注 水 单流 阀的参 数化 建模 以油 田注水单流阀的阀口优化设计为例 ， 要求 对单流阀阀口形状结构进行优化 ， 使单流阀在开启 时其 阀口及外部套 管受到 的冲蚀最小 ， 图 1为注水 单流阀的结构图。工作时 ， 本体 中的压力流体通过 其管壁上下开设的孔道流出， 进入单流阀的环形空 间内， 液流压力作用在活塞 上， 当压力 达到规定值 后 ， 活塞在液体压力的作用下克服弹簧力的作用而 移 动 ， 单 流 阀的 阀 口开启 ， 本 体 中的液 流通 过 阀 口泄 流 。由于单流阀泄流过程中的流体高速通过阀口并 喷射到套管内壁上， 因此在单流 阀的阀口位 置和套 管内壁受冲击位置会产生冲蚀 ， 通过优化阀 口的结 构可以减轻阀口和套管内壁所受 的冲蚀作用。在进 行单流阀阀口机构的参数化建模时， 将阀 口的倾角 b及阀口开度a作为优化的结构参数 ， 选择不 同的 b 和n值 ， 建立不同的单流阀的阀口内部流道 的几何 模型 ， 各模型的结构参数如图 2所示。 l 2 3 4 5 1 一 接头； 2 一本体 ； 3 一 形圈 ； 4 ～活塞 ； 5 一弹簧 图 1 注水单流 阀的结构 a ～表示 阀 口的开度 ． b 表示 阀 L I 的倾 角 图 2 阀口结构 在进行参数化建模时， 将阀口的开度 a在0 ． 7 ～ 0 ． 9 mm 区间均匀取值 ， 即设计开度值分别为 0 ． 7 、 0 ． 8 、 0 ． 9 mm。阀 口倾角 b在 3 O ～6 o 。 区间均匀取 值 ， 所 选择 阀 口倾 角值 分别 为 3 0 。 、 3 5 。 、 4 0 。 、 4 3 。 、 4 5 。 、 4 7 。 、 5 O 。 、 5 5 。 、 6 0 。 ， 因此 2个参数相互配合形成 2 7个 阀 口结 构模 型 。各 个 模 型 的设 计 参 数 值 如 表 1 所示 。 表 1各单流阀阀 口模型的设计参数值 模 型编 号 开 度 ／mm 倾角／。 模 型编 号 1 O 1 1 1 2 1 3 1 4 1 5 1 6 1 7 l 8 开度／ mm 0 ． 8 0 ． 8 0 ． 8 0 ． 8 0 ． 8 0 ． 8 0 ． 8 0 ． 8 0 ． 8 倾角／。 3 0 3 5 4 0 4 3 4 5 4 7 5 0 5 5 6 0 模 型编号 1 9 2 O 2 1 2 2 2 3 2 4 2 5 2 6 2 7 开度／ ram 0 ． 9 0 ． 9 0 ． 9 0 ． 9 0 ． 9 0 ． 9 0 ． 9 0 ． 9 0 ． 9 倾角／。 3 0 3 5 4 0 4 3 4 5 4 7 5 0 5 5 6 0 2 ． 2 几何 模型 的 C F D计 算 首先 ， 将注水单 流阀的阀口内部计算区域进行 网格划分 。本文应用计算流体力学软件 F l u e n t 的 前置处理器 G a mb i t 将单流阀内部的充液空间划分 。 ∞ ∞ 。 。 ∞ 。 ∞ 石 油矿 场机 械 2 O 1 3年 1 2月 为网格， 网格形式采用结构化网格 ， 以利于接下来的 计算结果分析 ， 网格总数约为 1 0 0 0 0 0 。 第 2步 ， 应用 F l u e n t 对分离箱 内部的流场进行 求解 。在 求 解 时 ， 根 据 工 作 状 态 和 结 构 特 点 选 用 R NG 湍流模 型 。 2 ． 3 计 算结 果的 评价 在得到上述各几何模型的计算结果后 ， 对其进 行分析。根据对注水单流阀工作原理的分析 ， 影响 阀口冲蚀效果的主要 因素是阀口迎流面单位长度受 到的剪切力 F， 影响套管 内壁 冲蚀效果 的主要因素 是液 流喷 射 的速度 和 角度 a 。各 模 型 的评 价 指标 值如表 2所示 。 表 2模型评价指标值 模型编号 F 7 N ／ m s ，／ 。 1 ． 98 0 52 ．4 O2 35 4 4．1 3 2 52 ．4 02 43 4．3 9 6 5 2 ．4 02 45 4． 46 4 5 2 ．4 02 5 0 8 5 ．3 09 5 2． 4 02 模型编号 F N ，／ r ns a ／ 。 1 0 0． 09 8 44 ．1 O3 3 0 12 2 ．3 5 9 44 ．1 03 40 1 3 2 ．9 8 O 44 ．1 O 3 4 3 1 4 3 ．3 9 4 44 ．1 O3 45 1 5 3 ．8 53 44 ．1 03 4 7 l 6 4 ．2 86 44 ．1 03 5 O 1 7 4 ．7 62 44 ．1 O3 00 1 8 4 ．7 7O 44 ．1 O3 6 0 模 型编号 F f N ，／ m S 一 。 ／。 2 4 4 ．1 53 3 4． 83 6 47 。 25 4 ．7 68 3 4． 83 6 5 0。 2 ． 4设计 结果 的模糊 综合 评判 在对设计结果进行模糊综合评价时 ， 通常要构 造等级模糊子集来量化能够反映被评价事物特征的 模糊指标 ， 目的是要在论域 U{ ， “ 。 ， ⋯， “ } 的 忌 个方案中做 出各方案相对优劣 的对 比， 并能够从 中 选择出相对最优的方案 7 。本文设立了 3个评价指 标 F 、 、 a ， 并建立 了每个指标的样本集为 f I 1 ， F ， z 2 ， 一 ， 1 I I z 3 ， 一a ， ， i 一1 ， 2 ， 3 ； J 一1 ， ⋯ ， 2 7 J 其 中各指标 值 i ， J 均 是 非 负 的 。同 时 ， 通 过 对样 本数据集{ x i ， 进行标准化处理来消除各评价指 标 的量纲效 应 ， 并建 立 每 个 评 价指 标 相 对 隶 属 度 的 模糊综合评价矩阵。 通过对单流阀工作原理的分析可知 ， 上述 3个 评价参数越小则单流阀工作性能越优 ， 为 了尽可能 保持各评价参数 的变化信息 ， 对 于越小越优型指标 的标 准化 处理 可采用 下式 一 ㈩ 式中 r i ， J 为经过标 准化处 理后 的评价 指标值 ； ， z ⋯ 为方案集 中第个指标的最 大值 和最 小值 ； i 一1 ， ⋯ ， 3 ； 一1 ， ⋯ ， 2 7 。 每个评价指标相对隶属度的模糊综合评价矩阵 R是 由 r i ， J 为 元素组 成 的 。 0． 3 05 0． 2 6 0 0 ． 2 49 O ． 3 99 0． 3 9 9 0 ．3 9 9 0 ． 5 22 0． 5 0 0 0 ． 47 8 0 ． 4 99 0． 4 2 9 0 ． 35 2 O ． 4 94 0． 4 9 4 0 ． 49 4 0． 5 22 0 ．5 0 0 0 ． 4 78 0． 3 57 0 ．3 3 1 0 ． 3 01 0． 6 01 0． 6 0 1 0 ． 6 01 0． 5 2 2 0 ．5 0 0 0 ． 4 7 8 0． 1 7 6 0 ．1 0 7 0 ．1 07 0 ． 3 99 0． 3 9 9 0 ． 39 9 0 ． 4 4 4 0 ．3 8 9 0 ． 3 33 0． 2 7 9 O ．1 9 9 0 ．1 9 8 0 ． 4 9 4 0． 4 9 4 0 ． 49 4 0． 4 4 4 0 ． 38 9 0 ． 3 33 0． 1 9 8 0 ．2 1 0 0 ． 0 7 0 ] l 0 ． 6 0 1 0 ． 6 0 1 0 ． 6 0 1 l f 0 ． 4 4 4 0 ． 3 8 9 0 ． 3 3 3 J 9 培 u L O 瑚 互 3 叭 瑚 0 6 9 5 3 4 6 3 1 6 4 3 5 0 9 5 6 O 5 ． ． ． 6 4 5 5 6 5 O 0 0 ． ． ． ． ． ． O 0 O O O 0 7 9 1 6 9 1 3 4 1 1 1 1 6 3 6 1 9 1 5 0 1 ． ． ． 7 4 6 6 6 6 O O 0 ． ． ． ． ． ． 0 O O O 0 O 5 9 7 6 9 6 4 4 7 8 4 7 7 3 6 8 9 6 5 9 6 ． ． 。 9 4 6 7 4 6 ● C ； 一 ]● 一 rL l l R 第 4 2卷第 1 2 期 程 心平 ， 等 基 于 C A D ／ C F D技术 的注水单 流阀阀 口优 化设计 在得到每一个单流阀阀口结构设计模型的模糊 综合评价矩阵 R后 ， 就可 以建立每个模 型的综合评 价 函数 G j 一 ／ r 1 ， J 。 q - r 2 ， J 。 r 3 ， J ／ 3 ， J一 1 ， ⋯ ， 2 7 2 由此 目标函数计算得到结果如表 3 所示。 表 3各模型综 合评价值 模 型编号 G． 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1． 0 90 0． 98 8 0． 82 7 0． 72 4 0．6 9 0 0 ．6 7 0 0 ．6 2 2 0 ．5 67 0 ．5 2 模 型编号 G． 1 0 1 1 1 2 1 3 1 4 1 5 1 6 1 7 1 8 1． 2 86 1． 06 0 0． 95 7 0． 87 4 0．8 2 3 0 ．7 72 0 ．7 2 0 0 ．6 59 0．6 27 模 型编 号 G． 1 9 2 O 21 22 23 24 25 26 27 1 ．1 7 4 1 ． 07 6 0 ．9 93 0 ．87 2 0． 8 48 0． 82 4 0．7 7 3 0． 74 5 0 ．69 0 从表中可以得出， 以设计变量 即各模型的阀 口 倾角及开度变化时， 模型的综合评价值也发生变化。 以模型的编号为横坐标 ， 综合评价函数 GJ 为纵坐标 建立坐标轴 ， 绘制 N- G， 关系图形， 如图 3所示 。 趔 姐 副 模 型 编 号Ⅳ 图 3 G 关系 图 通过图 3可以得 出， 目标 函数最大值所对应 的 模型编号为 1 0 。因此 ， 当阀口开度为 0 ． 8 mm， 倾角 为 3 0 。 时， 注水单流阀的阀口结构在 2 7个设计模型 中是 最优 结构 。 3 结 论 1 提 出将 C F D 与 计 算 机 辅 助 设 计 技 术 C AD 相 结 合 来 进 行 注 水 单 流 阀 阀 口结 构 的优 化 设计 ， 即应用 C AD软件 的参数化建模功 能生成不 同参数下的几何模型， 并对各几何模 型进行 C F D仿 真计算 ， 得到不同结构参数下单流 阀工作性 能的预 测指标值 ， 通过对各性能预测指标值 的比较 ， 得到注 水单流阀的阀口结构参数 的最优化设计值。 2 本文基 于 C A D／ C F D技术对 注水单 流 阀 的阀口结构进行优化设计， 得出当单流 阀的阀口倾 角为 3 0 。 、 阀 口开度为 0 ． 8 mm 时， 注水单流 阀对其 阀口和外部套管 的冲蚀 作用最小 ， 工作性能最优 。 通过 优化 设计 得到 了 明确 的分 析 规 律 和 结 论 ， 为单 流阀阀口结构设计提供了明确方 向， 并将在今后 的 实际 工作 中进一 步加 以验 证 。 3 基 于 C AD ／ C F D 技 术 的 单 流 阀 阀 口结 构 设计方法 ， 可以推广应用到其 他油 田流体机械优化 设 计 中 。 参考文献 [ 1 ] 冯永江 ， 张峻， 时新东 ， 等． 新型油井单流阀的研制 与 应用[ J 3 ． 石油机械 ， 2 0 0 8 ， 3 6 1 1 7 5 7 6 ． [ 2 ] 雷德荣． 连续 油管不 压井作业 注气 单流 阀的设计 [ J ] ． 新疆石油天然气 ， 2 0 1 2 ， 8 3 1 2 8 1 3 1 ． E 3 ] 任静 ， 吴 玉林 ， 杨 建 明， 等． 水 轮机 械转 轮 内的 C F D 分析及优 化设 计[ J ] ． 工程 热 物 理学 报 ， 2 0 0 0 ， 2 1 3 3 16 32 O． [ 4 ] 刘铁刚 ， 李 军 ， 高 莹． 4 9 8柴 油机 冷却水 套优 化设 计[ J ] ． 吉林大学学报 工学版 ， 2 0 0 8 ， 3 8 4 7 7 8 7 8 1 ． [ 5 ]T a h a r a Y， T o h y a ma S ， Ka t s u i T ． C F I b a s e d mu l t i o b j e c t i v e o p t i mi z a t i o n me t h o d f o r s h i p d e s i g n [ J ] ． I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l f o r Nu me r i c a l Me t h o d s i n Fl u i d s ， 2 0 0 6 ， 5 2 5 49 9 - 5 27 。 [ 6 ] 黄勇 ， 施哲雄 ， 蒋 晓东 ． C F D在三 通冲蚀磨 损研究 中 的应用[ J ] ． 化工装备技术 ， 2 0 0 5 ， 2 6 1 6 5 6 7 ． [ 7 ] 曾亚勤 ， 郭方元 ， 巨亚锋． C F D技术 在防堵塞 系列配水 嘴设计 中 的应 用 [ j ] ． 石 油 矿 场机 械 ， 2 0 1 1 ， 4 0 1 2 7 6 8 O． [ 8 ] 庞剑锋 ， 王乐勤 ， 杨健 ， 等． 石 油管道插入构 件流场 的 C F D模拟 及 冲蚀 预 测 [ J ] ． 能 源 工 程 ， 2 0 0 5 ， 1 1 4 1 ] 6 ] 9．