擺動式扭力沖擊器節(jié)流口設(shè)計及動力仿真

朱云 馮進(jìn) 賀恒 齊列鋒

摘要：本文通過Fluent軟件對擺動式扭力沖擊器進(jìn)行靜態(tài)流道的動力仿真，驗證其扭力沖擊器節(jié)流口設(shè)計的合理性。通過對設(shè)計好的模型其進(jìn)行合理的簡化后，建立其流道模型，并且得出模擬仿真的結(jié)果。并通過與相似結(jié)構(gòu)液壓式扭力沖擊器各參數(shù)對比，驗證仿真結(jié)果的可靠性。

關(guān)鍵詞：擺動式扭力沖擊器;節(jié)流口;動力仿真

引言

擺動式扭力沖擊器是一種旋沖式的井下工具，可以有效的解決硬地層鉆井難題。擺動式扭力沖擊器通過鉆井液的高低壓差提供動力使其產(chǎn)生一定頻率的脈沖扭矩，并將動力傳遞給鉆頭。

1.擺動式扭力沖擊器工作原理與其節(jié)流口的設(shè)計

凈化后的液體流進(jìn)沖擊器經(jīng)過旋流誘導(dǎo)輪分流。大部分通過節(jié)流口形成低壓液，另一部分仍然以高壓的形式通過碰撞錘。來源于鉆井液的高低壓差使得動力錘往復(fù)運(yùn)動，流量和噴嘴產(chǎn)生的壓降來設(shè)置液壓錘的受力。壓降產(chǎn)生的鉆井液的高壓與低壓的壓差分別推動液動錘與換向閥芯做往復(fù)碰撞換向運(yùn)動。擺動式扭力沖擊器建模后整體結(jié)構(gòu)如圖1-1所示。

圖1-1擺動式扭力沖擊器整體結(jié)構(gòu)

扭力沖擊器的擺動式扭力沖擊器的動力部分通過碰撞部分來實現(xiàn)。碰撞錘與換向閥芯順時針與逆時針交替往復(fù)運(yùn)動與主軸的沖擊面碰撞，實現(xiàn)巨大的扭矩產(chǎn)生的機(jī)械沖擊能量由驅(qū)動短節(jié)內(nèi)的驅(qū)動軸集中均勻地傳送到鉆頭上，實現(xiàn)能量直接傳輸。液動錘與換向閥芯做往復(fù)運(yùn)動依靠鉆井液的高壓與低壓的壓差分別推動。而高低壓的實現(xiàn)依靠流量和噴嘴產(chǎn)生的壓降來實現(xiàn)。通過節(jié)流嘴橫截面積的大小設(shè)定，圖1-2為擺動式扭力沖擊器流道三維模型圖（通過其剖面可以清楚地看出兩個節(jié)流口）。

圖1-2為擺動式扭力沖擊器流道三維模型圖

2.擺動式扭力沖擊器的整體流道的動力仿真

擺動式扭力沖擊器的脈沖主要由液動錘與閥芯的往復(fù)運(yùn)動所形成。每個碰撞周期都分為四個部分、兩個狀態(tài)：碰撞狀態(tài)與換向狀態(tài)。而碰撞件往復(fù)擺動的動力來自與鉆井液的高低壓差。本節(jié)利用Fluent軟件分別對碰撞與換向狀態(tài)進(jìn)行模擬與仿真，進(jìn)一步驗證節(jié)流口尺寸設(shè)計的合理性。

2.1模型的建立

本模型是通過UG建立而成的。分別對擺動式扭力沖擊器的換向狀態(tài)與碰撞狀態(tài)兩種瞬態(tài)情況分別進(jìn)行流體的動力仿真。為了便于計算機(jī)的運(yùn)算，一些被阻截的流道被省略。

2.2前處理與后處理

由于模型為旋轉(zhuǎn)對稱結(jié)構(gòu)，故利用workbench網(wǎng)格工具規(guī)定網(wǎng)格大小為2mm，接著定義邊界條件（入口與出口）。

在mesh的下拉菜單中選擇check。接在在定義模型的粘度為keosilon。接著定義材料為液體水。接著定義邊界條件入口為入口速度4.763m/s與9.96m/s，湍流強(qiáng)度設(shè)為5%，湍流粘度比設(shè)為5。在出口的回流湍流強(qiáng)度與回流湍流粘度比也設(shè)為相同的數(shù)值。接著在solution?control的松弛系數(shù)一欄，壓力選0.2，動量選0.5。接著將絕對收斂標(biāo)準(zhǔn)的的精度改為1e-06。在初始化中選擇入口。最后在計算中選擇迭代步數(shù)為1000步。

2.3結(jié)果分析

由于模型為旋轉(zhuǎn)對稱結(jié)構(gòu)通過1000步的計算，得到殘差分析曲線，、壓力云圖以及速度云圖。處于換向狀態(tài)時壓力云圖如圖2-2所示。

圖2-2?壓力云圖

通過應(yīng)力云圖可清楚地展現(xiàn)出通過節(jié)流口后的流道的高低壓變化情況，這符合流體力學(xué)中的應(yīng)力分布云圖的分布趨勢。殘差曲線平穩(wěn)，說明計算收斂，計算結(jié)果較為準(zhǔn)確。

處于換向狀態(tài)的瞬態(tài)流道模擬結(jié)果：壓降以及流量的計算結(jié)果顯示壓差分別為217KPa和751KPa;進(jìn)出口流量滿足初始設(shè)定流速。證明計算結(jié)果合理性。

處于碰撞狀態(tài)的瞬態(tài)流道模擬結(jié)果：壓降以及流量的計算結(jié)果顯示壓差分別為256KPa和804KPa;進(jìn)出口流量滿足初始設(shè)定流速。證明計算結(jié)果合理性。

3.模擬得到壓降值與標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)的對比

運(yùn)用Fluent軟件仿真的結(jié)果與阿特拉公司的液壓式扭力沖擊器的各部分參數(shù)對比見表4-1。

表4-1?Fluent仿真結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)的對比

標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)

仿真結(jié)果

流量

18.33-38.33

18.287-38.33

壓降

350-1200

217.13-804

參照表4-1的對比結(jié)果，仿真得到的數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)線性相關(guān)。滿足設(shè)計要求。

4.結(jié)論

針對擺動式扭力沖擊器流道復(fù)雜難以運(yùn)用理論方法求解但是易于建模的特點。通過Fluent軟件對擺動式扭力沖擊器進(jìn)行靜態(tài)流道進(jìn)行動力仿真，得到通過節(jié)流口的壓降值。并通過與標(biāo)準(zhǔn)壓降參數(shù)的對比，驗證其扭力沖擊器節(jié)流口設(shè)計的合理性。

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