液力扭轉沖擊器典型工藝孔參數對流場影響

(中國石油集團 長城鉆探工程技術研究院，遼寧 盤錦 124010)

近幾年來，隨著遼河油田勘探開發的不斷深入，目標油氣藏正不斷向深層發展，降本增效已迫在眉睫。鉆井用液力扭轉沖擊器對提高鉆井效率、降低鉆井成本意義重大[1]。液力扭轉沖擊器所處的井底環境壓力高、沖擊大、腐蝕嚴重，故對液力扭轉沖擊器內部液體流道設計至關重要。由于機械加工難以形成流線型流道，直角轉彎流道比較多，故流場結構復雜，壓力損失增加[2-4]。有時，為避免各流道之間發生干涉，必須使用工藝流道。

現有對工藝流道的研究大多是對直角流道進行耗能機理的分析，不僅沒有考慮工藝流道的長度和直徑大小對耗能的影響，而且采用對刀尖容腔和工藝孔容腔進行簡化后的物理模型，因此不能準確地表征集成塊內部孔道及液流的流動特性。本文采用計算流體力學(CFD)方法對液力扭轉沖擊器內部常用的“Z”型結構流場進行仿真分析，探討不同長度和不同直徑的工藝流道對液流壓力的影響，以及壓力損失規律，得出使流道壓力損失最小的最佳工藝孔長度和直徑，為液力扭轉沖擊器的流道改進提供理論依據。

1 模型建立

1.1 液力扭轉沖擊器典型流道的物理模型

本文采用由直角轉彎組成的典型“Z”型結構流道(如圖1)，主要包括進液口流道、上游直角轉彎結構、工藝孔流道、下游直角轉彎結構和出液口流道。

液力扭轉沖擊器內部的液流為不可壓縮的黏性液體，且多數情況下液流的流動處于湍流狀態，流動方向如圖1箭頭所示，液流密度ρ=900 kg/m2，動力黏度μ=0.045 kg/(m·s)。根據工況條件定義邊界，設定進口速度v=5 m/s，出口壓力p=0 Pa，并假設進液口液流為充分發展流，垂直于進液口液流流速方向上的速度為零，對所有液流流道壁面上都施加無滑移邊界條件。如圖2所示，d1為進出液口直徑，d為工藝孔直徑，L為工藝孔長度，L是d的整數倍。

圖1 流道結構示意

圖2 典型流道示意

1.2 液力扭轉沖擊器典型流道的數學模型

液力扭轉沖擊器內部流體的運動可認為是流體在流動域內隨時間與空間的波動而形成的湍流，是一個三維、非穩態的復雜過程，可用Navier-Stokes方程來描述湍流流動。對于湍流流動，液流具有高度脈動性，加之流道邊界條件的多樣性，方程組不存在解析解，故需對方程組進行模型化，使方程組封閉求出數值解。本文采用k-ε湍流模型對以下方程組進行求解[5]，具體方程如下:

1) 連續性方程。

(1)

式中：u為流體密度，g/cm3；t為時間，s；u為瞬時速度，m/s。

2) 動量方程(Navier-Stokes)。

(2)

3) 湍流動能(k)方程。

(3)

4) 湍流動能耗散(ε)方程。

(4)

方程式(3)和(4)中，Cε1、Cε2、σk、σε均為經驗常數，在Fluent程序中推薦Cε1=1.44，Cε2=1.92，σk=1.0，σε=1.3，ε為湍流動能耗散。

1.3 數值模擬

本文應用ANSYS軟件中的Fluent模塊對液力扭轉沖擊器內部帶工藝孔的流道流場進行數值模擬，采用Tet/Hybird對流道進行混合網格劃分[7]。設定d1=10 mm，L=xd(x=1、2、3、4、5)，d=yd1(y=1.2、1.0、0.8、0.5)

對圖2流道結構的模擬參數與結果如表1。

表1 工藝孔長度和直徑對進出口壓差的影響

2 仿真結果與分析

2.1 不同工藝孔長度液流特性仿真分析

通過ANSYS軟件中的Fluent模塊對數學模型，按照表1中d=d1=10 mm，L=xd(x=1、2、3、4、5)進行模擬仿真，得到不同工藝孔長度下的壓力云圖和速度流線圖，非常直觀地將液力扭轉沖擊器的內部液流特性展示出來，如圖3～6。

圖3 L=d的壓力云圖和速度流線

圖4 L=2d的壓力云圖和速度流線

圖5 L=3d的壓力云圖和速度流線

圖6 L=4d的壓力云圖和速度流線圖

從圖3所示的云圖可以看出，高壓液體在進液口與上游轉彎結構之間的壓力變化和下游轉彎結構與出液口之間的壓力變化都比較小，且速度流線幾乎是一些平行線，沒有漩渦出現，流體流動基本是穩定的，而在上游轉彎結構和下游轉彎結構處壓力變化較大，速度流線發生劇烈變化，并產生了4處漩渦，說明高壓液體在流道內壁上的沿程壓力損失較小，壓力損失主要集中在上下游的直角轉彎處。在上游直角轉彎處，流速增大，靠近壁面的液流出現分離脫流現象，在進液流道容腔和直角轉向的工藝流道內側產生了漩渦A和B(如圖3)，其漩渦尺寸較大，流線密集，說明漩渦強度較大。在漩渦區，液流流速降低，中心處近似為零，形成流動滯止區。液流在滯止區做回旋運動，流動的擴張要克服液流黏性力的作用而產生較大能量損失，液流自身的回旋也消耗一定的能量[8]。高壓液體經過上游直角轉彎后進入工藝孔流道，由于工藝孔流道較短，液流沒有得到擴散和附壁，就直接流入下游的直角轉彎處。在下游直角轉彎處，液流變化更加劇烈，流速進一步增大，因液流在工藝孔流道內沒有得到擴散和附壁，所以加劇了液流的分離脫流，產生的漩渦尺寸更大，如圖3中的漩渦C和D。由圖3可以看出，漩渦C位于工藝孔容腔，液流的分離脫流現象比較嚴重，造成的漩渦尺寸較大，能量損失較大，漩渦D位于下游直角轉向的出液口流道內側，漩渦尺寸很大，流線較為密集，說明該漩渦的強度較強，能量損失較大。從以上分析可知，下游直角轉向結構的壓力損失大于上游直角轉向結構的壓力損失，即下游直角轉向結構的壓力損失起主導作用，這是由于兩個直角轉彎之間的工藝孔流道長度較小，兩處的漩渦相互影響，加大了下游直角轉向結構的液阻，從而下游直角轉向結構的壓力損失較大。

圖4所示是L=2d時的壓力云圖和速度流線圖，是在圖3模型下將工藝孔流道長度增大一倍后的仿真結果。從圖4中可以看出，液流的整體流速較L=d時有所減小，液流在上下游直角轉彎結構處分離脫流強度有所下降，但是整個流道仍有和圖3相同位置的4個漩渦，漩渦的尺寸和流線的密集度與圖3相比都有所減小，液流在經過上游直角轉彎后，開始進行不完全的擴張和附壁，然后進入下游直角轉彎。由于工藝孔流道長度的加長，上下游直角轉彎處的漩渦相互影響減小，液流的液阻減小，壓力損失減小，由表1可以看到，L=d時的進出液口壓降是55 973.4 Pa，L=2d時的進出液口壓降是54 622.2 Pa，壓力損失減小了1 351.2 Pa。

圖5是在圖3模型下將工藝孔流道長度增大2倍后的仿真結果，從圖中可知，液流的整體流速和圖4相比又有所減小，液流在直角轉彎處的分離脫流強度得到進一步的緩和，上下游直角轉彎處的4個漩渦尺寸比圖4又有所減小，流線相對稀疏。液流在工藝孔流道得到進一步的擴張和附壁，液流流動逐漸平穩，上下游直角轉彎處的漩渦相互影響進一步減小，液阻減小，壓力損失減小，如表1所示，L=3d時的進出液口壓降是53 490.6 Pa，較L=2d時的壓力損失減小了1 131.6 Pa。

圖6是在圖3模型下將工藝孔流道長度增大3倍后的仿真結果，從圖中可以發現，液流經過上游直角轉彎結構后，在工藝孔流道內得到了充分擴張和附壁，雖然整體流速比圖5有所減小，但是在轉彎結構處的局部速度有明顯提高，所以在直角轉彎處，液流分離脫流的強度比圖5增大，直角轉彎處的漩渦尺寸增大，流線更加密集，漩渦液阻增大，壓力損失增大，由表1知，L=4d時的進出液口壓降是54 182.6 Pa，較L=3d時的壓力損失增加了692 Pa。從表1中看到，當L=5d時的進出口壓降為56 038.6 Pa，比L=4d時的壓力損失增加了1 856 Pa。

2.2 不同工藝孔長度對液流進出口壓力影響

下面以曲線圖更直觀地表達工藝孔流道長度對進出口壓力的影響。以L=xd(x=1、2、3、4、5)為橫坐標，進出口壓降為縱坐標繪制在d=d1和d=1.2d1時不同工藝孔流道長度對進出口壓力影響的曲線圖(如圖7)。

圖7 不同工藝孔流道長度對進出口壓力的影響

結合表1中d=d1和d=1.2d1,L=xd(x=1、2、3、4、5)中的數據和圖7的曲線圖，可以發現，在L=3d附近進出口壓力損失比其他工藝孔長度的壓力損失小。而隨著工藝孔流道長度的減小，進出口壓力損失在逐步增大，這是由于液阻主要集中在局部流動區域，各局部漩渦的相互干擾造成的；隨著工藝孔流道長度的增加，各局部漩渦的相互干擾在逐步減小甚至無干擾，但進出口壓力損失仍在逐步增大，原因是液阻不僅集中在局部流動區域，而且隨著液流在工藝孔流道內的擴張和附壁，工藝孔流道內的液阻也在逐步增加。所以，在工藝孔流道直徑不小于進出液口直徑時，設計工藝孔流道長度時既不能太短也不能太長，建議設計長度是工藝孔流道直徑的3倍，此時壓力損失較小。

2.3 不同工藝孔直徑與壓力損失關系

圖8～9分別是在進出液口直徑d1=10 mm不變的情況下，d=0.8d1,L=3d和d=0.5d1,L=3d的壓力云圖和速度流線圖。

圖8 d=0.8d1,L=3d的壓力云圖和速度流線

圖9 d=0.5d1,L=3d的壓力云圖和速度流線

對比分析圖5、圖8和圖9仿真結果可知，在進出口流道直徑相同，工藝孔流道長度L=3d不變下，d=0.8d和d=0.5d1時的壓力損失分別是d=d1時壓力損失的1.6倍和6.3倍，可見，在工藝孔直徑減小時，液阻急劇增加。液壓能的損失主要是由于工藝孔直徑減小而造成較大的局部液阻和速度的急劇增加而造成的較大漩渦。從表1中可知，即使改變工藝孔長度，壓力損失依然很大。所以，不合理的流道結構設計會造成大量的能量損失。總之，在液力扭轉沖擊器流道設計時，工藝孔流道的直徑盡可能與進出口流道直徑相同，來減小不必要的能量損失，提高液壓能的效率。

3 結論

1) 通過對直角轉彎孔道的仿真分析得出：上下游直角轉彎結構處各產生兩處漩渦，漩渦主要位于工藝孔容腔和刀尖角處，漩渦的尺寸大小和速度直接決定著壓力損失的多少，是壓力損失的主要原因，這表明工藝孔的設計不容忽視。

2) 工藝孔直徑減小，直接引起速度急劇增大，直角轉向結構處液流速度的脈動性增加，液阻增大，能量損失急劇增加。設計工藝孔直徑時，在滿足最小壁厚要求的前提下，盡可能使工藝孔直徑大于等于進出液口流道直徑，以減少能量損失，提高流道的傳輸效率。

3) 在工藝孔直徑大于等于進出液口流道直徑時，工藝孔流道長度太短，上下游直角轉彎處的漩渦相互影響，造成液阻增大，壓力損失增大；工藝孔流道長度太長，液阻不僅集中在局部流動區域，而且隨著液流在工藝孔流道內的擴張和附壁，工藝孔流道內的液阻也在逐步增加，壓力損失也將增大。所以，將工藝孔流道長度設計為工藝孔直徑的3倍，此時的壓力損失比其他工藝孔長度下的壓力損失小，進而提高整個液力扭轉沖擊器的效率。