射流式水力振蕩器工作參數數值模擬

那　楓

(中國石油技術開發公司，北京 100028)*

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射流式水力振蕩器工作參數數值模擬

那楓

(中國石油技術開發公司，北京 100028)*

摘要：通過CFD數值模擬方法分析射流式水力振蕩器內部復雜流場，尤其在射流式壓力脈沖短節內部由射流元件、缸體、活塞、節流盤所組成的復雜流場的速度場、壓力場變化情況。運用 Solidworks、Hypermesh、FLUENT 軟件，建立合理模型，選擇合理的數值計算方法，進行了射流式水力振蕩器內部流場數值模擬研究，對優化該工具的結構設計具有指導性意義。

關鍵詞：水力振蕩器；工作參數；數值模擬

射流式水力振蕩器是基于振動減摩技術和射流式沖擊回轉技術的一種用于定向鉆井領域的新工具。摩擦阻力和轉矩是定向鉆井過程中不可忽視的問題，隨著水平井、大斜度井、大位移井、連續管鉆井等復雜井眼數量的增多，都將減摩降扭作為一項重要課題來研究。射流式沖擊回轉技術具有耐高背壓、結構簡單、深井穩定性好等特點，廣泛應用到地質勘探領域，受到石油鉆井領域的青睞[1-6]。

射流式水力振蕩器是依靠高速噴射流體的自然物理特性來工作的，內部流場變化非常復雜。本文應用 Solidworks、Hypermesh、FLUENT 軟件，對射流式水力振蕩器內部流場進行了數值模擬研究，著重分析了射流式水力振蕩器的壓力參數變化情況，對優化該工具的結構設計具有指導性意義。

1模型的建立

1.1結構模型

射流式壓力脈沖短節流體計算域的結構模型如圖1所示，采用Solidworks 軟件建模。結構模型包括射流元件內部流域、缸體上下腔流域、兩側排空流道、節流盤流域。射流元件驅動活塞做往復運動，與以往射流式沖擊系統模擬不同，活塞上下表面隨活塞進行往復運動的同時，由于活塞桿插入節流盤中間的錐形孔，造成過流斷面面積變化，活塞桿下表面也會隨著活塞做往復運動。

數值模擬計算將以此結構模型為計算基礎，將此Solidworks建立的結構模型通過中間轉換格式.step或.nas文件導入Altair Hypermesh軟件進行幾何清理、網格劃分、定義初始邊界條件等操作，建立完善的數值模擬計算模型。

圖1　射流式水力振蕩器流體計算域結構模型

1.2計算域和 CFD 網格

一個典型的射流式沖擊系統的計算域包括射流元件內部流域、缸體內部流域以及兩側排空流域，而射流式水力振蕩器的計算域除了上述流域外還包括缸體下部流道和節流盤的錐形流域。

射流式水力振蕩器的CFD網格如圖2所示。該網格模型采用Altair Hypermesh軟件生成，包括74 952個網格單元，其中含有48 624個六面體(Hex8)單元和1 398個五面體(Penta6)單元，其余為面單元。流體域由體網格組成，面網格用于定義邊界條件、初始條件、壁面、變形區等。該網格模型比以往的射流式沖擊系統的網格模型增加了下部流道和節流盤流域，不僅可以模擬活塞在缸體內做往復運動，而且可以模擬活塞桿在節流盤的錐形。

圖2　射流式水力振蕩器流體計算域和CFD網格模型

為了保證數值模擬分析結果的準確性，需要對網格模型進行網格依賴性檢測。在相同初始、邊界條件下，分別采用粗糙、中等、精細網格模型進行計算，對所得到的結果進行比較，如果網格類型和數量對計算結果影響不大，那么證明該網格模型的網格依賴性小，計算結果較為準確。對于本模型進行網格依賴性檢測，3種網格所得的結果誤差只有5%，因此綜合考慮計算時間和結果準確性，采用中等網格模型進行計算即可得到較為準確的結果。

1.3初始條件和邊界條件

射流式水力振蕩器的模擬分為穩態計算和非穩態計算2步，穩態計算的結果作為非穩態計算的初始條件。本文的射流式水力振蕩器模擬是在同一個網格模型中，采用不同的初始流量(10、12、14、16、18 L/s)進行計算，得到該工具工作時的某些流體參數的變化規律。在穩態計算中，網格模型的入口定義為速度邊界條件，在網格模型出口定義壓力出口，出口壓力值定義為1個大氣壓力。為了讓射流元件的主射流更容易附壁到與下腔相連的側壁，需要將與上腔相連側壁的排空壓力定義為2倍的大氣壓力。在非穩態計算中，入口邊界條件與穩態計算相同，出口邊界條件定義為1個大氣壓力。不同流量條件下的邊界條件參數如表1 所示。

表1　不同流量條件下的邊界條件參數

2動態模擬結果分析

經過建立結構網格模型、選擇湍流模型及算法、定義初始條件和邊界條件、定義動網格設置和 UDF、設置時間步等操作，即可進行射流式水力振蕩器的動態數值模擬計算。FLUENT 軟件模擬到了射流元件的附壁切換、驅動活塞進行往復運動以及活塞桿在節流盤錐形孔內的往復運動這3個動態運動過程，如圖3所示，可以精確捕捉到回程階段、沖程階段、附壁切換過程的每個時間步的流體變化情況。從動態模擬過程看出，在不同輸入流量 10、12、14、16、18 L/s 的條件下，射流式水力振蕩器都工作正常，射流元件附壁與切換過程順利。

圖3　射流式水力振蕩器的動態模擬過程

通過 CFD 數值模擬計算，得到了射流式水力振蕩器的內部流體工作參數，包括壓力、速度、位移等數據，著重對射流式水力振蕩器的流體壓力數據進行監測和分析，主要監測4個截面的壓力變化情況，如圖4所示。截面 1 監測的是射流式壓力脈沖短節入口處的壓力數據；截面2監測的是射流元件排空處的壓力數據；截面3監測的是缸體下腔的壓力數據，截面4監測的是節流盤出口處的壓力數據。

圖4　動態模擬監測的截面

2.1不同流量條件下的壓力變化分析

2.1.1輸入流量為10 L/s

輸入流量為10 L/s 時，1個周期的壓力變化特性曲線如圖5所示。沖程階段缸體下腔壓力呈現降低趨勢，回程階段缸體下腔壓力呈現升高趨勢。射流式壓力脈沖短節入口壓力值在1.5～2.0 MPa范圍內波動，缸體下腔處的壓力值在 1.0～1.6 MPa 范圍內波動，射流元件排空處的壓力值在 0～0.5 MPa范圍內波動，而節流盤出口處的壓力值在 0～0.1 MPa 范圍內波動。

圖5　輸入流量為10 L/s時的壓力變化特性曲線

2.1.2輸入流量為12 L/s

輸入流量為 12 L/s時，1個周期的壓力變化特性曲線如圖6所示。沖程階段缸體下腔壓力呈現降低趨勢，回程階段缸體下腔壓力呈現升高趨勢。射流式壓力脈沖短節入口壓力值在 2.4～3.2 MPa 范圍內波動，缸體下腔處的壓力值在 1.4～2.4 MPa 范圍內波動，射流元件排空處的壓力值在 0～0.8 MPa 范圍內波動，而節流盤出口處的壓力值在 0～0.2 MPa 范圍內波動。

圖6　輸入流量為 12 L/s 時的壓力變化特性曲線

2.1.3輸入流量為14 L/s

輸入流量為14 L/s時，一個周期的壓力變化特性曲線如圖7所示。沖程階段缸體下腔壓力呈現降低趨勢，回程階段缸體下腔壓力呈現升高趨勢。射流式壓力脈沖短節入口壓力值在 3.2～4.2 MPa 范圍內波動，缸體下腔處的壓力值在 1.9～3.0 MPa 范圍內波動，射流元件排空處的壓力值在 0～1.2 MPa 范圍內波動，而節流盤出口處的壓力值在 0～0.3 MPa 范圍內波動。

圖7　輸入流量為 14 L/s 時的壓力變化特性曲線

2.1.4輸入流量為16 L/s

輸入流量為 16 L/s 時，一個周期的壓力變化特性曲線如圖8所示。沖程階段缸體下腔壓力呈現降低趨勢，回程階段缸體下腔壓力呈現升高趨勢。射流式壓力脈沖短節入口壓力值在 4.0～5.3 MPa 范圍內波動，缸體下腔處的壓力值在 2.3～4.0 MPa 范圍內波動，射流元件排空處的壓力值在 0～1.8 MPa范圍內波動，而節流盤出口處的壓力值在 0～0.3 MPa 范圍內波動。

圖8　輸入流量為16 L/s 時的壓力變化特性曲線

2.1.5輸入流量為18 L/s

輸入流量為18 L/s 時，1個周期的壓力變化特性曲線如圖9所示。沖程階段缸體下腔壓力呈現降低趨勢，回程階段缸體下腔壓力呈現升高趨勢。射流式壓力脈沖短節入口壓力值在 5.3～7.0 MPa 范圍內波動，缸體下腔處的壓力值在 3.9～5.7 MPa 范圍內波動，射流元件排空處的壓力值在 0～1.7 MPa 范圍內波動，而節流盤出口處的壓力值在 0～0.4 MPa 范圍內波動。

圖9　輸入流量為 18 L/s 時的壓力變化特性曲線

2.2壓力數據綜合分析

不同流量條件下，射流式水力振蕩器各截面的壓力值匯總如表2所示。壓力在很短時間內波動，在最小值和最大值之間變化，可以用平均值來反映壓力隨流量變化的趨勢。上接頭入口處的壓力值變化曲線如圖10所示。入口壓力值與流量大小基本呈線性關系，可見入口壓力受流量影響很大，一定程度上反映了工具壓力降的大小。

表2　不同流量下各截面的壓力值

圖10　上接頭入口壓力與流量的關系

射流元件環空處的壓力值變化曲線如圖11所示。在流量小于 16 L/s時該處壓力值與流量基本呈線性關系，但是流量達到 18 L/s 時，環空壓力值不再升高，而稍稍降低。值得注意的是，射流元件環空壓力最小值是 0，這是因為在 CFD 模擬計算中，出口壓力被設置自然流出，而射流元件環空屬低壓區，與出口直接相連通，因此壓力出現 0 的情況是存在的。 缸體下腔的壓力值變化曲線如圖12所示。缸體下腔的壓力值與流量大小基本呈線性關系，可見缸體壓力受流量影響很大，變化趨勢與入口壓力一致。

圖11　射流元件環空壓力與流量的關系

圖12　缸體下腔壓力與流量的關系

節流盤出口處的壓力值變化曲線如圖13所示。雖然該處壓力值與流量基本呈線性關系，但是該處壓力變化幅度較小，在 0～0.4 MPa 之間波動，由于與模型出口相鄰，出口壓力被設置自然流出，因此壓力出現 0 的情況。 以往的射流式沖擊系統的 CFD 數值模擬計算研究中，研究重點是射流元件的噴射流速、臨界流速、活塞沖錘的沖擊末速度、沖擊功以及沖擊頻率等參數上。但是本文中的射流式水力振蕩器 CFD 數值模擬的研究重點在于分析該工具工作中的壓力參數變化情況。

圖13　節流盤出口壓力與流量的關系

3結語

研究了射流式水力振蕩器的 CFD 數值模擬計算問題，包括計算流體動力學(CFD)的概況、計算域的結構模型設計、CFD 數值模擬軟件設置及動態模擬結果分析，并詳細介紹了該工具的數值模擬計算步驟，包括湍流模型選擇、算法選擇、計算域網格模型的建立、初始條件邊界條件的定義、動網格技術、滑移網格技術、用戶自定義函數(UDF)、時間步設置等。通過CFD 數值模擬計算，監測到了工作中射流元件的附壁切換的過程、活塞的往復運動過程以及活塞桿在節流盤錐形孔中的往復運動過程，得到了不同輸入流量條件下射流式水力振蕩器的工作參數變化情況，并著重研究分析了射流式水力振蕩器的壓力參數變化情況。

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Numerical Simulation of Working Parameters for Hydraulic Oscillator Jet

NA Feng

(ChinaPetroleumTechnologyandDevelopmentCorporation，Beijing100028，China)

Abstract：By CFD numerical simulation method，complex flow field inside the Jet hydrodynamic oscillators is analyzed，especially within the pressure pulse jet nipple by Jet components，cylinders，pistons，throttle plate consisting of complex flow field velocity，pressure changes.Using Solidworks，Hypermesh，FLUENT software are used to establish a rational model，reasonable selection of numerical methods and select reasonable numerical simulation to study jet flow field in hydraulic oscillator for optimization of structural design of the tool，which are of guiding significance.

Keywords：hydraulic oscillator；parameters；numerical simulation

中圖分類號：TE921.2

文獻標識碼：A

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.04.012

作者簡介：那楓(1971-)，女，黑龍江阿城人，工程師，主要從事石油設備的技術管理工作，E-mail：naf@cptdc.cnpc.com.cn。

收稿日期：2015-11-21

文章編號：1001-3482(2016)04-0047-05