翻板浮阀阀芯流道两相流流场分析.pdf

翻板浮阀阀芯流道两相流流场分析 * 龚摇 彦1,张摇 也2,张摇 津3,周摇 权1 1. 西南石油大学 机电工程学院,四川 成都摇 610500;2. 中石化石油工程机械有限公司第四机械厂,湖北 荆州摇 434024; 3. 宝石机械成都装备制造分公司,四川 成都摇 610500 摘摇 要翻板浮阀是一种重要的内防喷工具,在实际使用中,其阀芯内流道中容易出现岩屑沉积而阻碍浮板的正常开 启与关闭。 针对其阀芯流道内容易出现岩屑沉积的问题,采用 Fluent 对其内流场进行仿真计算,研究对阀芯流道锥角 变化对其内流场的影响,分析四种不同阀芯入口锥角情况下,阀芯内部流场的气体、岩屑速度情况和岩屑的分布情 况。 通过研究发现,随着阀芯入口锥度的增大,气体和岩屑的运动速度逐渐增大,阀芯内部流场的紊流情况加剧,在锥 角达到 5毅和 7毅时,浮板动作区域出现大范围的漩涡;岩屑体积分数随着锥角的增大出现不均匀的情况,并从流道直径 最小处向进口处,出现岩屑沉积。 关键词翻板浮阀;阀芯流道;两相流;锥角;流场分析 中图分类号TE921摇 摇 摇 摇 摇 摇 文献标志码A摇 摇 摇 摇 摇 摇 文章编号1007-4414201503-0059-03 Analysis on Two-Phase Flow Field of Flap Float Valve Core GONG摇 Yan1, ZHANG摇 Ye2, ZHANG摇 Jin3, ZHOU摇 Quan1 1. School of Mechatronic Engineering, Southwest Petroleum University, Chengdu Sichuan摇 610500, China; 2. SJ Petroleum Machinery CO. , SINOPEC, Jinzhou Hubei摇 434024, China; 3. Chengdu Equipment Manufacturing Branch Company, Baoji Oilfield Machinery CO. , LTD, Chengdu Sichuan摇 610500, China Abstract Flap float valve is an important inner blowout preventer valve; in actual use, the debris deposition is easily ap鄄 peared in flow channel of valve core thus to prevent flap in valve opening or shutting. To solve this problem, the flow field of valve core is simulated by using Fluent to research the influence that the change of flow channel taper angle on the flow field of valve core, and the gas, debris velocity field and distribution of debris in valve core flow field are also analyzed in case of four kinds of taper angle. According to the research, it is found that gas and debris velocity gradually raise with the increase of ta鄄 per angle, and the turbulence situation of valve core flow field intensifies as well. When taper angle grows to 5毅and 7毅, the flap action area emerges whirlpool in wide area. The debris volume fraction appears maldistribution with the increase of taper angle, and the debris deposition appears from the minimum diameter of the flow channel to the inlet. Key words flap float valve; flow channel of valve core; two-phase flow; taper angle; flow field analysis 0摇 引摇 言 浮阀是一种重要的钻具内防喷工具,它通过钻杆 螺纹连接在钻柱中,用以控制钻杆底部流体的流动, 防止井底流体由钻柱内流道返回进口。 翻板浮阀是 一种常用的浮阀,由阀体及阀芯两部分组成,使用时 阀芯总成装在阀体内。 阀芯总成由阀座、浮板、扭簧、 销轴、密封圈等组成。 翻板浮阀主要有两个工作状 态,钻进时,在泵或压缩机作用下的钻井介质钻井 液或气体使得翻板浮阀浮板开启,钻井介质正常循 环;钻进停止时,浮板在扭簧及底部钻井液的作用下 自动关闭。 因钻井介质含有各种固相颗粒,在流过翻 板浮阀阀芯流道时,因受到流道形状的影响会发生固 相颗粒沉积,从而会影响浮板的正常开启与关闭。 故 对翻板浮阀阀芯内部流道的两相流流场分析由为重 要,其数值模拟结果有助于对阀芯流道的结构设计。 1摇 阀芯流道数值计算模型的建立 1. 1摇 阀芯内部流道结构简化 以 椎120 mm 翻板浮阀为例,采用 Fluent 对其阀 芯内部流道进行数值模拟,其结构如图 1 所示[1]。 图 1摇 翻板浮阀结构图 摇 摇 在一定外形尺寸条件下,对阀芯流道形状影响最 大的是流道锥角,锥角的改变对阀芯流道内流场的影 响很大,根据现有情况,后面将分析该翻板浮阀四种 95 机械研究与应用2015 年第 3 期 第 28 卷,总第 137 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 研究与分析 *收稿日期2015-04-04 基金项目本文受到石油天然气装备教育部重点实验室基金项目编号OGE201403-20 “基于面元法的涡轮钻具叶片设计冶支持。 作者简介龚摇 彦1986-,男,四川乐山人,助理实验师,主要从事石油机械类实验教学及研究方面的工作。 不同锥度的阀芯流场,各锥度下对应的流道结构参数 如表 1 所列。 根据图 1 所示翻板浮阀的结构特点,将 其阀芯的内部流道建立为一个二维平面模型流场区 域,将其导入 ICEM 中,采用 BLOCK 方法对其进行分 块,然后设定划分单元的大小并进行二维结构化网格 划分,划分结果如图 2 所示。 表 1摇 不同锥度的流道结构参数 序号 入口直径 mm 锥度角 毅 锥形出口直径 mm 出口直径 mm 138.8136.238.8 238.833238.8 338.8527.638.8 438.872338.8 图 2摇 流道结构化网格划分 1. 2摇 流场参数设定 计算时,采用基于压力的稳态分析,设定沿轴向 的重力加速度为9. 8 m/ s2,设置多相流模型为欧拉模 型,并设定相数为 2 相,以及湍流模型为 资-着 模型。 选取流体材料为 air 和 yanxie,其中 yanxie 为自定义 材料[2-3],其岩屑材料参数如下比热容为 1 100 Jkg k,密度为 2 600,导热系数为 0. 3 W/ mk,粘 度为 1. 8 e-5 pas。 设定两相流中的主相为 air,次相为 yanxie,且岩 屑的直径为 0. 5 mm。 边界条件设置为淤流场入口 边界采用速度入口,设定湍动强度为 5 和水力直径 为 38. 8 mm,根据现场使用参数,设定入口气体轴向 X 方向速度为 26 m/ s,入口岩屑轴向速度为18 m/ s,入口岩屑的体积分数为 1;于流场出口边界采用 自由流出;盂流场壁面采用无滑移边界条件。 求解方 式采用 Phase Couple Simple 算法和一阶迎风格式,设 定体积分数的松弛因子为 0. 5,压力和动量的松弛因 子分别为 0. 3 和 0. 7,湍动能和湍动耗散率松弛因子 为 0. 8,其余均为 1。 在上述设定完成后,参照入口参 数对流场进行初始化。 最后,设定迭代次数为 1 000 次,进行数值计算。 2摇 数值计算结果分析 2. 1摇 气流速度场分析 根据表 1 所列的结构参数,计算得到四种流道的 内流场,对岩屑在流道中的分布及沉积影响最大的速 度场,速度场的分布情况可以较为直观地反映其对岩 屑分布的影响,如速度场产生漩涡的地方会造成岩屑 在此沉积。 考察气流速度场的分布情况,可以用来指 导流道形状的设计,以使得气流能较好地将岩屑带 走,改变气流对岩屑分布及沉积的影响。 不同锥角的 气流速度场如图 3 6 所示。 图 3摇 锥角 1毅的气流速度场摇 摇 图 4摇 锥角 3毅的气流速度场 图 5摇 锥角 5毅的气流速度场摇 摇 图 6摇 锥角 7毅的气流速度场 摇 摇 根据图 3 6 所示的气流速度场分布情况可知, 锥角为 1毅、3毅、5毅和 7毅的情况下,气体最大速度分别 为 29. 3 m/ s、32. 6 m/ s、38. 5 m/ s、48. 3 m/ s;可见随 着入口锥度的增大,气体的最大速度也逐渐增大。 同 时,在气体最大速度增大情况下,锥度对气体域的速 度分布也有显著地影响,锥角逐渐增大,气流出现最 大速度的范围逐渐增大。 在入口锥度增大的同时,阀 芯内部流场中阀板所在位置处的紊流情况加剧,流道 中出现了较大范围的漩涡,且漩涡的强度也是随着锥 角的增大而增大。 此外,在锥度为 3毅和 7毅时,流道中 气流在出口处的速度相比进口速度大,流道形状对气 流产生了一定的加速作用,而在锥度为 5毅时,气流的 进出口速度则大小相当,相对均衡。 2. 2摇 岩屑速度场分析 岩屑速度场的分布直接反映了流道形状对岩屑 分布及沉积的影响。 若岩屑的速度场中出现了漩涡, 表明岩屑会在漩涡中心出现沉积,不同锥角条件下岩 屑速度场分布情况如图 7 10 所示。 根据图 7 9 分析知,锥角为 1毅、3毅、5毅和 7毅的情 况下,岩屑的最大速度分别为 18. 1 m/ s、18. 2 m/ s、 18. 5 m/ s、18. 8 m/ s;可见随着入口锥度的增大,岩屑 的最大速度也逐渐增大,但变化不大。 当锥角为 1毅、 06 研究与分析摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇2015 年第 3 期 第 28 卷,总第 137 期机械研究与应用 3毅时,流道中岩屑的速度场比较平稳;当锥角为5毅、7毅 时,流道中岩屑的速度场出现了紊流和漩涡,更容易 导致岩屑的沉积。 图 7摇 锥角为 1毅岩屑速度场摇 图 8摇 锥角为 3毅岩屑速度场 图 9摇 锥角为 5毅岩屑速度场摇 图 10摇 锥角为 7毅岩屑速度场 2. 3摇 岩屑体积分数分布情况 锥角 3毅、5毅、7毅三种模型的岩屑体积分数云图如 图 11 14。 图 11摇 锥角为 1毅岩屑体积摇 图 12摇 锥角为 3毅岩屑体积 分数分布分数分布 摇 摇 根据图 11 14 可知,锥角为 1毅、3毅、5毅和 7毅的情 况下,岩屑的最大体积分数分别为 0. 514、0. 859、0. 737、0. 371,其中,1毅时,岩屑体积分数的整体分布较 为均匀,而其他三种情况,在流道最小直径处出现体 积分数增加的情况,即在此处发生了岩屑堆积或沉积 的情况,岩屑沉积的情况随着锥角的增加而严重,岩 屑发成沉积的范围也逐渐增大。 图 13摇 锥角为 5毅岩屑体积摇 图 14摇 锥角为 7毅岩屑体积 分数分布分数分布 3摇 结摇 论 1 随着入口锥度增大,气体的最大速度也逐渐 增大,气体出现最大速度的范围也逐渐增大;在入口 锥度增大的同时,阀芯内部流场中阀板所在位置处的 紊流情况加剧,并出现漩涡。 2 随着入口锥度的增大,不同锥角的阀芯内流 场中,岩屑的最大速度逐渐增大;且随着锥角的增大, 阀芯内流场中岩屑的速度场越来越不平稳,出现紊流 现象,产生漩涡,更容易导致岩屑的沉积。 3 随着入口锥度的增大,岩屑体积分数的整体 分布越来越不均匀,并在流道最小直径处出现体积分 数增加,发生岩屑堆积;且岩屑沉积的情况随着锥角 的增加而严重,堆积的范围也增大。 参考文献 [1]摇 张绍宏, 董际春, 张摇君. 滑套式翻板浮阀[P]. 中国专利 CN202531107U,2012. 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