HSC360型混砂車攪拌罐濺水現(xiàn)象分析及結(jié)構(gòu)改進設(shè)計

黃天成，周思柱 （長江大學機械工程學院，湖北 荊州434023）

陳 翔 （中海油能源發(fā)展股份有限公司采油服務(wù)分公司，天津300457）

袁新梅 （長江大學機械工程學院，湖北 荊州434023）

壓裂混砂車作為壓裂機組的重要設(shè)備，其主要是將水、石英砂及不同的添加劑在攪拌罐里進行混合攪拌配置成滿足壓裂工藝要求的壓裂液，攪拌罐攪拌效果的好壞直接影響壓裂液的質(zhì)量，從而影響壓裂作業(yè)的效果［1-3］。HSC360型壓裂混砂車是一種適用于油田大型壓裂和防砂作業(yè)配套的壓裂設(shè)備，具有超大排量、單機可滿足大型機組高排量需求的優(yōu)點，可為多臺聯(lián)機作業(yè)的壓裂機組提供穩(wěn)定充足的砂液。為了了解混砂車攪拌罐的進水情況，特對其進行了相應(yīng)的試驗，通過試驗發(fā)現(xiàn)該混砂車攪拌罐只進水不攪拌的情況下，出現(xiàn)進水濺出的現(xiàn)象，從而影響混砂車攪拌罐的正常工作。

為解決混砂車攪拌罐進水濺出的問題，需要對攪拌罐結(jié)構(gòu)進行改進設(shè)計。筆者結(jié)合混砂車攪拌罐實際工況，提出了5種改進方案，并對攪拌罐改進前后的工作過程進行了CFD分析與數(shù)值模擬。

1 攪拌罐結(jié)構(gòu)改進方案

在現(xiàn)有混砂車攪拌罐結(jié)構(gòu)和外形尺寸基礎(chǔ)上，根據(jù)攪拌罐設(shè)計技術(shù)要求，對混砂車攪拌罐選用了5種不同結(jié)構(gòu)進行了CFD數(shù)值模擬分析。5種方案的混砂車攪拌罐結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。

圖1 5種方案攪拌罐結(jié)構(gòu)示意圖

2 攪拌罐流場計算模型

根據(jù)各計算方案的要求，利用Pro-E軟件建立混砂車攪拌罐5種方案的三維參數(shù)化模型 （見圖1），然后將模型導入gambit對模型進行前處理，并對攪拌罐進行網(wǎng)格劃分 （圖2為方案5的網(wǎng)格劃分結(jié)果），然后對計算模型進行邊界條件設(shè)置，將擋板面設(shè)置為wall，葉片設(shè)置為wall，旋轉(zhuǎn)區(qū)域面設(shè)置為interior，擋板區(qū)域設(shè)置為interior，入水口的邊界條件設(shè)置為velocity-inlet，區(qū)域設(shè)置均設(shè)置為fluid，然后將文件保存為msh格式導入fluent進行相關(guān)的分析設(shè)置，最后進行分析計算［4-5］。

圖2 方案5攪拌罐網(wǎng)格劃分結(jié)果

3 攪拌罐CFD數(shù)值模擬結(jié)果

圖3 5種方案攪拌罐流場矢量圖

根據(jù)CFD軟件的分析計算可得出攪拌罐5種不同方案的計算結(jié)果，各方案的速度流場圖如圖3所示。由各方案的流場情況提取攪拌罐進水口流體的最大流速，最大流速情況如表1所示。由圖3及表1可以看出，攪拌罐現(xiàn)有結(jié)構(gòu)進水口處有大量進水速度矢量是斜向上的，而且此處水流速度最大達到了10．5m／s，這與實際工作過程中有大量水濺出的情況相吻合；在攪拌罐現(xiàn)有結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進行結(jié)構(gòu)改進的5種方案中，方案4攪拌罐進水口處最大流速增加了38．10%，達到了14．5m／s，雖然只有少量水速度處于最大流速附近，但由于速度較大，進水濺出的情況還會出現(xiàn)，說明方案4對改善攪拌罐濺水問題沒有太大效果；方案3攪拌罐進水口處有大量的水在最大流速附近，因此還可能有大量的水濺出，表明方案3并不能太好的改善進水濺出的問題；而方案2和方案5在攪拌罐進水口處最大流速都有很大程度的降低，同時處于最大流速左右的水量都不多，說明這2種方案對攪拌罐進水口濺水問題都有所改善。通過對比方案2和方案5的分析結(jié)果，可以看出方案5進水口最大流速下降最大，達到了23．52%，而且處于最大流速附近的水量也最少，表明方案5是改善攪拌罐濺水問題最佳方案。

表1 5種方案攪拌罐進水口最大流速

4 結(jié) 論

1）通過攪拌罐現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)其進水口處有大量的流體流速較大，而且方向斜向上，從而導致攪拌罐有水濺出。

2）通過5種攪拌罐的數(shù)值模擬及結(jié)果分析，方案5進水口最大流速下降最大，達到了23．52%，而且僅有極少量的水處在最大流速附近，表明在攪拌罐進水口夾層上方添加一蓋板，同時在攪拌罐中間部位添加6個進水彎頭的方案可以很好地解決攪拌罐濺水問題。

［1］黃天成，王德國，周思柱，等 ．混砂車攪拌葉輪流固耦合模態(tài)分析研究 ［J］．西南石油大學學報 （自然科學版），2012，34（1）：165-170．

［2］周思柱，祝克強，吳漢川，等 ．基于Workbench的混砂車攪拌葉輪疲勞壽命分析 ［J］．石油機械，2012，40（2）：36-38．

［3］祝克強，吳漢川，喬春，等 ．采用流固耦合的混砂車攪拌葉輪應(yīng)力分析 ［J］．現(xiàn)代制造工程，2012，3：51-54．

［4］陳翔，吳漢川，喬春，等 ．基于正交實驗法和流場模擬的攪拌罐結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計 ［J］．機械設(shè)計與制造，2012，3：55-57．

［5］周思柱，陳翔，吳漢川，等 ．混砂車攪拌罐流場分析方法 ［J］．石油機械，2011，39（增刊）：23-24，48．