基于FLUENT的連續波泥漿脈沖仿真實驗研究

鄢志丹, 艾春偉, 馬士騰

(中國石油大學(華東) 信息與控制工程學院, 山東 青島 266580)

基于FLUENT的連續波泥漿脈沖仿真實驗研究

鄢志丹, 艾春偉, 馬士騰

(中國石油大學(華東) 信息與控制工程學院, 山東 青島 266580)

為使學生接觸專業科研前沿,更好地培養其科學研究能力和創新能力,將隨鉆測量技術領域中連續波泥漿脈沖器設計的部分研究內容引入到實驗教學當中,設計了基于FLUENT的連續波泥漿脈沖仿真實驗。該實驗可使學生熟悉計算流體力學的基本知識,學習FLUENT軟件中建模、網格劃分、流體分析等方法,掌握連續波泥漿脈沖發生器器工作原理及轉閥設計思想,有利于培養學生的科學探索精神,并從中學到新的思維方式和研究方法以至有所創新。

實驗教學； 連續波泥漿脈沖； FLUENT仿真

教學與科研相輔相成、相互促進,是研究型大學密不可分的兩個方面[1-2],科學研究是高質量教學的有力保證[3-4]。在教學課程改革中,將專業前沿的科研課題融入到教學環節,開展學科前沿知識課程,講授當前學科的發展現狀和應用前景,有助于提升學生熱愛專業的情懷,增強學生的學習積極性,促進學生主動學習。也有利于培養學生的科學素養和科研創新能力[5-8]。

隨鉆測量技術是本專業科學研究的一個重要方向。在該領域中,連續波泥漿脈沖傳輸以其傳輸速率較高、抗干擾能力強,成為應用前景廣闊、發展潛力極大的數據傳輸方式[9-11]。泥漿脈沖連續波發生器通過改變旋轉轉子與定子過流斷面的相對位置而產生連續壓力波信號。為加強學生科學研究能力和創新能力的培養,本文將課題組在連續波泥漿脈沖器設計這一科研項目中的部分研究內容引入實驗教學中,設計了“基于FLUENT的連續波泥漿脈沖仿真實驗”,給學生創建一個深入接觸科研前沿、拓展專業知識的平臺,創設科學研究的情境,以使其從中學到新的思維方式和研究方法以至有所創新。

1 連續波泥漿脈沖發生器工作原理

連續波泥漿脈沖發生器是產生脈沖信號的核心裝置,其主要部件是由定子和轉子組成的轉閥。由于泥漿的可壓縮性,轉子的連續開、關節流作用將產生以聲速傳播的壓力擾動,以作為傳遞井下數據的載體。當定子和轉子間的面積增大時,泥漿流動暢通,壓力減?。划斆娣e減小時,泥漿流動受阻,壓力增大。

為了提高連續波信號檢測強度,通?；诒”谌锌诹黧w壓力原理,將連續波脈沖發生轉閥的結構設計成特殊的閥口形狀,以產生具有正弦特性的連續泥漿壓力波。

2 基于FLUENT的連續波泥漿脈沖仿真

在連續波泥漿脈沖發生器設計中,轉子和定子的閥口形狀是影響壓力波形狀的重要因素,對于當前利用基于薄壁刃口流體壓力原理而優化的外切式四葉片三角形閥口形狀能否滿足實際的技術要求,需要進行后續的實驗驗證,但考慮到實驗系統搭建困難,實驗周期長，成本高昂,因此開展以計算流體力學(CFD)為重要技術手段的仿真實驗,探索定轉子結構與壓力波間的變化規律,便成為研究中的必要環節。

CFD通過計算機數值計算和圖像顯示方法,在時間和空間上定量描述流場的數值解,從而達到研究物理問題的目的。FLUENT作為當前流行的CFD軟件[12],具有豐富的物理模型、先進的數值方法和強大的前后處理功能,可對傳熱與相變、化學反應與燃燒、旋轉機械、動/變形網格等流動問題進行精確的模擬,非常適合連續波泥漿脈沖的仿真研究。

2.1 定轉子結構流體模型

依據建立的連續波泥漿脈沖發生器的三維機械模型,生成如圖1所示的定轉子結構流體模型。

圖1 定轉子結構流體模型

2.2 定轉子結構流體網絡劃分

如圖2所示,定轉子結構流體網格模型與定轉子結構流體模型保持一致,包括上部流體網格、定子流體網格、轉子流體網格、轉子后流體網格和下部流體網格5大部分。為劃分較好的網格結構,將下部流體按其結構分成兩部分。由于上部流體網格、轉子后流體網絡以及下部流體網絡結構較為簡單,可盡量劃分為六面體網格,而定子流體和轉子流體的結構較為復雜,網格以四面體為主,特別的對于與定子和轉子本體相接觸的流體,還需要采用膨脹層的劃法,得到更加精細的網格結構。該網絡共有節點60多萬個,單元超過180萬個,正交質量最小值不低于0.15,平均值大于0.88,總體質量優。

2.3 FLUENT主要參數設置

針對本文涉及的連續波泥漿脈沖仿真,參數設置主要包括以下部分：

(1) FLUENT Launcher設置:3D、單精度(計算機性能好,可選擇雙精度)、并行計算；

(2) 全局設置:Pressure-based基于壓力的求解器；Absolute速度描述；Transient瞬態分析；考慮重力；

(3) 模型設置:RNG 兩方程k-湍流模型,增強壁面；

(4) 流體屬性:泥漿密度為1 100 kg/m3,運動黏度為0.04 kg/(m·s)；

(5) 運動設置:轉子以轉速120 r/min相對于定子旋轉；

(6) 區域設置:均為流體；

(7) 初始條件:上部流體流速為4.3 m/s,出入口壓力初值為0；

(8) 求解方法:PISO；迎風格式優選二階迎風。

3 仿真結果分析

如圖1所示,設上部流體上端面為流體入口,產生的壓力信號為Pt。

3.1 流體流動特征

在實際的定轉子安裝過程中,為了防止定轉子間的磨損,不可避免地存在安裝間隙,間隙過小,磨損可能性增大,而間隙過大,又將會影響產生波形的質量。不失一般性,令定轉子間隙d=1 mm,定轉子處流體的壓力與速度矢量三維分布以及轉子周邊流體壓力分布情況見圖3。可以看出:(1)總體來看,壓力從上到下依次降低，在定轉子區變化劇烈,而在入口及出口處壓力平穩；(2)流體在入口及出口處流速平穩,在流體經定子后,速度增大,接觸轉子后,流體速度變化加劇,向多方向流動,并在轉子下方形成強烈渦流；(3)與流體直接接觸的轉子葉片部分,受到較大且集中的壓力沖擊,且各葉片受力情況相同。

圖3 連續波泥漿脈沖發生器定轉子結構流體流動特征

3.2 間隙d與壓力Pt間的關系

理論上講,當定轉子間隙d=0時,將得到最理想的仿真壓力波形。隨著定轉子間隙d的增加,流體的流通面積將變大,使得仿真壓力Pt峰值降低,波形畸變增大。圖4為不同間隙(d=0、1、2、3.5、5 mm)下,Pt與定轉子旋轉角度α的關系,設α=0時,轉子為全開狀態。

圖4 間隙d與Pt的變化關系

從圖4可以看出,隨著間隙d的增大,Pt的最小最大值都成下降趨勢,但最大值較最小值下降更快,這是因為較大的間隙d,會造成一定的流體泄流通道。在轉子關閉時,此泄流通道會造成較大的壓力損失,而在轉子打開時,壓力損失較小。

圖5 Pt峰峰值與定轉子間隙d的變化關系

d=0、1、2、3.5、5 mm下Pt的峰峰值隨間隙呈負指數變化規律，如圖5所示。圖5中所示的紅色曲線為Pt峰峰值Apt的負指數擬合曲線，其數學關系為

(1)

依據圖4中所示的各Pt的最大值、最小值和變化頻率,可得到隨之對應的標準正弦曲線。d=0、1、2、3.5、5 mm下的Pt與相應標準正弦曲線的相關系數見表1?？梢钥闯?(1)在d<3.5 mm時,相關系數值大于0.99,Pt具有很好的正弦相似性；(2)隨著d的增大,相關系數依次遞減,Pt的諧波分量增加,這會使地面檢測信號的強度隨之下降。

表1 不同間隙d下Pt與對應標準正弦曲線的相關系數

4 結束語

以上仿真實驗主要是針對優化的外切式四葉片三角形閥口的定轉子結構進行的,分析了間隙d=1 mm時的定轉子處流體的壓力與速度矢量三維分布以及轉子周邊流體壓力分布情況,重點討論了間隙d與壓力Pt間的變化關系,得出了隨著d的增大,Pt的諧波分量增加,Pt的峰峰值呈負指數變化規律。實驗時還可通過改變流體屬性、流速，FLUENT求解算各參數,來更深入地分析所設計的定轉子結構的流體特性。此外,還可開展諸如扇形、矩形等多種結構的仿真實驗,全面了解各閥形結構的流體特點及生成壓力波特征,為后續的結構優化提供數據支撐。

本文所設計的實驗是連續波泥漿脈沖器設計科研項目中的部分研究內容。學生通過操作實驗過程、分析實驗結果和撰寫實驗報告,可以從中熟悉計算流體力學的基本知識,學習FLUENT軟件中建模、網格劃分、流體分析等方法,培養學生利用先進分析軟件解決實際科研問題的能力,有助于激發學生獲取新知識的欲望,點燃學生創新的熱情。

References)

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[2] 余秀蘭.研究型教學:教學與科研的雙贏[J].江蘇高教,2008(5):60-63.

[3] 吳再生.吳有訓大學教育思想及其在清華的實踐:以高水平科學研究支撐的高質量大學教育[J].清華大學教育研究,2012,33(3):112-118.

[4] 張德高.科研教學結合 為人才培養提供強力支撐[J].中國高等教育,2013(17):44-45,54.

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[7] 馮根生,馮婷,杜春榮.基于學科特點的研究型實驗教學模式建設[J].實驗技術與管理,2012,29(3):239-241.

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[10] 徐峰,陳敏.隨鉆測井系統的信號傳輸方式綜述[J].石油儀器,2014,28(6):9-11,7.

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[12] 唐家鵬,FLUENT14.0超級學習手冊[M].北京:人民郵電出版社,2013.

Study on simulation experiment of continuous wavemud pulses based on FLUENT

Yan Zhidan, Ai Chunwei, Ma Shiteng

(College of Information & Control Engineering,China University of Petroleum(East China)， Qingdao 266580, China)

In order to make students touch professional scientific research frontier and better train their scientific research and innovation abilities,a simulation experiment of continuous wave mud pulses based on FLUENT is especially designed for experimental teaching,which is a part of the research based on the project of the continuous wave mud pulse generator in measuring while drilling area.From the experiment, the students can learn the basic knowledge of computational fluid dynamics,and the modeling,meshing,fluid analysis and other methods by using FLENT software, and master the working principles and rotary valve design ideas of the continuous wave mud pulser.It is beneficial to motivating the students’ scientific curiosity and innovation ability with a new way of thinking and research.

experimental teaching; continuous wave mud pulse； FLUENT simulation

2015- 02- 12 修改日期：2015- 03- 27

國家自然科學基金青年基金項目(11104354)

鄢志丹(1983—)，男，甘肅文縣，博士，講師，研究方向為隨鉆測量技術、目標檢測與識別、現代測控技術.

E-mail：zhidanyan@upc.edu.cn

TE272；G642.423

A

1002-4956(2015)9- 0051- 03