基于fluent的楔形節流閥流場數值模擬

宋曉明

(承德石油高等專科學校 機械工程系，河北 承德 067000)

現代鉆井工藝中，井控節流閥是節流管匯上的關鍵零部件，用以調節控制油氣等流體的流量，維持井筒壓力平衡[1-2]。目前，楔形節流閥因其工作穩定可靠廣泛應用于油氣鉆采的節流管匯上。但是，在高壓油氣井壓井的實際工況中，由于流體中攜帶的固體顆粒的沖蝕作用和液相流的氣蝕作用，楔形節流閥很快失效而不能正常工作[3-5]。因此，為提高節流閥的工作可靠性，本文基于fluent對楔形節流閥進行數值模擬研究，得出其內部流場的分布規律及其特點，研究其引發失效的主要原因，為楔形閥的結構改進提供理論依據。

1 幾何模型的建立

楔形節流閥的結構主要包括閥體、閥芯、閥座和防磨套，如圖1所示。工作原理為：流體流經節流閥后流體的速度增大、壓力變小，且流體壓力隨閥芯與閥座形成的開口大小的變化而變化。鑒于楔形節流閥結構復雜，為便于研究又不失計算準確性，在建立模型時，對其進行了相應的簡化，利用Creo 2.0三維建模軟件建立流體計算域模型，如下圖2所示。

2 數值模擬計算

2.1 網格劃分

針對節流閥流體計算域的復雜結構，本文在滿足計算精度的前提下，采用非結構四面體網格對其進行網格劃分，同時對閥芯周圍等重要部位進行網格加密處理以更好地反映該區域內的流體流動情況，劃分結果如下圖3所示。

2.2 邊界條件及求解設置

本文中楔形節流閥的流場比較復雜，對湍流模型的要求較高，因此采用realizablek-ε湍流模型。以速度為入口條件，取現場工況(流體的密度1 800 kg/m3，動力黏度0.02 Pa·s，入口流速9.2 m/s)，出口為自由發展出流(outflow)，壁面條件采用 standard wall function。計算方法采用壓力與速度耦合方法SIMPLEC，離散格式采用二階迎風格式second order upwind，以各項參數的殘差小于1.0×10-4為收斂標準。

3 數值模擬分析

計算結束后，通過后處理得到節流閥某一開度的流場分布云圖，如下圖4所示。

從上圖4可以看出，流體以9.2 m/s的速度流入，進入流道后流體形成均勻穩定的湍流狀態；流體流經節流閥的節流口處時，由于通流面積的變小，流速急劇增大，在閥芯楔形面沿軸向處的速度值達到最大為241 m/s；大部分流體經導流面進入出口流道，少部分流體在閥芯底部形成漩渦。

4 結論

通過對楔形節流閥內部流體的流場分布規律及其特點的分析可知，流體在節流口的節流作用下形成高速流，對閥芯表面造成嚴重的沖蝕；同時，導流面的引流作用降低了高速流體對節流管壁的沖擊。