基于CFD的节流阀防刺短节的流场分析.pdf

研究 与分析 机械研 究与应 用 。 ％o k ／ 8 4 式中 Ip 为流体密度， k g ／ m ；p为压力， P a ； 为流体的 速度矢量 ， m／ s ； 叼 为湍流粘性系数 ， k g ／ m ～ ； 8为 耗散率， m 。 ／ s ； 后 为湍流动能， m 。 ／ s 。 。 标准 一 8方程 中的相关常数为 C 0 ． 0 9 ， C 1 ． 4 4， C21 ． 9 2， 1 1， 21 ． 3。 3防刺短节介绍 防刺短节的结构及安装位 置如图 2所示。其主 要有本体、 法兰、 短接衬套和短接合金头等零件组成 ， 阀芯、 阀座 、 阀座衬套 、 短接衬套 和短接合金头均采用 硬质合金材料。钻井液通过节流阀后， 经短接衬套到 达突然剧变的本体内腔， 流向半球形的短接合金头头 部后改变方 向， 最后 由短接合金头外圆柱面上的孑 L 隙 [ 总并 由出口流 出。防刺短节 能消耗对下游部件的 大部分的冲击能量并且使流动阻力变大。 出口 节流阀 防刺短节 图2 防刺短节安装位置及短节合金头 4 流场模型的建立 4 ． 1 计算假设 节流阀防刺短节 流场是流体机械 中比较复杂 的 流动之一， 属于黏性、 不可压缩的三维不稳定流动， 但 仍满足基本控制方 程 ， 包括质量守恒、 动量守恒 和能 量守恒方程 J 。根据节流阀的特点 ， 做 以下简化 ① 计算中不考虑流体所受重力的影响； ②假定流场系统 为绝热系统， 即与外界无热交换， 计算过程不考虑能 量方程 ； ③不考虑岩屑对流场的影响， 假定为单相流。 4 ． 2网格处理 网格质量的好坏直接关系到流场数值模拟结果 的正确性 ， 从计算效率、 计算精度和网格划分的难易 出发 ， 采用非结构化网格划分方法 ， 使用 四面体混合 网格 ， 人 口、 出口和楔形面进行网格细化 ， 划分后的网 格如图 3所示。 4 ． 3边界条件 人 口采用质量流人 口边界 ， 设定节流阀人 口质量 流量 为 3 6 k g ／ s ， 密度 为 P1 8 0 0 k g ／ m ， 0 ． 0 2 P a s_ 4 J 。出口采用压力出 口边界 ， 设定 出口背压 为 0 P a 。 ． 2 ． ． 壁面采用无滑移条件 ， 近壁采用标准壁 面函数条件 。 研究表 明， 经压缩性修正的 R N G k - 6模 型对阀 门的 模拟结果 比 k - 8模型更接近于实际状况 ， 因此 ， 选用 R N G k - e两方程湍流模型。 出 口 图3 防刺短节的网格模型及进出口端模型示意图 5 仿真结 果 为了尽可能客观的描述流体对防刺短节冲蚀的 影响， 下面将针对防刺短节 内流场速度及压力变化分 析结果进行讨论。 图4为防刺短节对称面剖面上的速度流线图和 压力云图。从速度流线 图可以看 出， 短节 内部 即过 流面积较大的地方 的流体中存在明显的涡流， 而且 流线复杂 ， 高速流体主要集 中在出口端与人 口端过流 面积变化较小处 ， 最大压力发生在防刺本体顶部弧面 位置， 最 大值 为 1 ． 3 9 3 MP a 。整 个 流场最 大 速 度为 1 6 ． 3 6 m／ s ， 在流体进入防刺短节之后 ， 从 防刺短节 出 口端可 明显 看 出速 度 由大变 小 再 变 大 的趋 势 ， 由 C F D分析的结果可以得到， 人口平均速度为 l 4 ． 2 5 m ／ s ， 出口平均速度为 1 3 ． 2 8 m ／ s ， 而且在流体 经过短 节的时候存在负压 ， 证明有涡 流产生 ， 短节处 左边处 来流速度较大， 且流量 比较集 中， 经过出 口的压强 明 显下降， 人 口平均压强为 0 ． 3 M P a ， 出 口平均压强 5 4 7 ． 3 P a ， 故进出口速度差压强 差都为 0 ． 2 9 3 MP a ， 和 实际边界条件相符。 图4 防刺短节内流场速度流线图和压力云图 为了进一步分析选取短节中流体的速度剖面为 对象， 从图5中可以看出， 左右两侧壁面处于对称形 式布置， 在此选择左侧壁面上的三条竖直线 ￡ 、 ￡ ， 和弧面上的一条弧线 厶 来研究速度 的变化 情况 ， 探 寻流速对短节冲蚀作用的影响。 图5 取剖面上4条速度直线 机械研 究与应 用 研 夯 与 分 析 、 的速度图得知在流量一定的情 况下 ， 过流面积 越小 ， 速度越大， 与流体力学控制方程一致 。 6结 语 1 由防刺短节节 流阀的压降 曲线走 向和实际 工作环境基本一致 ， 压差 和速度差几乎 为 0 ， 这说 明 流体经过防刺短节后理论值符合实际情况。 2 从 防刺短节的结构可以看出， 当流道内环形 空间增大 ， 可以降低速度造成 的冲蚀 ， 但流场流线复 杂 ， 出现 了很多漩涡， 可能会产生振动和噪声。 3 根据控制方程 ， 在最大速度和最大压强同时 存在的情况下 ， 流体对短节合金头的冲击较小 ， 基本 不会造成对短节本体 的失效 。从 防刺短节在现场应 用情况来看 ， 还没有失效 的案例。防刺短节腔体内流 速较低， 短接合金头没有必要采用硬质合金材料， 本 文建议， 该零件采用普通碳钢材料， 对其表面进行特 殊硬化处理即可， 这样可以极大的降低成本。 图6 与图5 对应的4 条直线上的速度分布图 参考文献 从图 6可看 出速度线 中的速度值由小增大然 后变小 ， 最大冲击速度发生在合金头弧 面最上部 ， 由 于出 口端的截面积 由小变大且最终流 出时 出口端 的 截面积和人 口端截面积相同， 和 可看出， 流体进 人进出口端时， L 。 上的速度明显比L ， 的速度大， 最后 [ 1 ] 陶文铨． 数值传热学[ M] ． 西安 西安交通大学出版社， 2 0 0 1 ． [ 2 ] B AI L ， MI T R A N K， F I E B I G M．C o m p u t a t i o n O f u n s t e a d y 3 D t u r b u l e n t fl o w a n d t o r q u e t r a n s m i s s i o n i n fl u i d c o u p l i n g s [ C] ． F o u r t e e n t h I n t e rna t io n a l c o n f e r e n c e o il n u me r i c a l me t h o d s i n flu i d d y n a mi c s ． He i d e l b e r g S p ri n g e r Be r l i n，1 9 9 5 4 3 5 4 40 ． [ 3 ] 练章华， 刘干， 易 浩， 等． 高压节流阀流场分析及其结构改 趋于相等 ， 由于短节中部过流 面积最大 ， 所 以其速度 『 4 ] 值比速度线 。 、 ￡ 上的值要小， 在据冲蚀机理， 从 、 ～ 上接第2 2页 图9 制动距离曲线 根据仿真图 ， 可以得出以下结论 。 1 采取 P I D控制后 ， 当设 定望滑移率为 0 ． 2 0 时 ， 较短 的控制时间 内 约在控制开始后 0 ． 3 s 时 ， 滑移率就达到期望值 ， 在以后的持续时问内车轮的滑 移率始终在期望滑移率附近波动 ， 而且波动的幅度很 小， 基本上与期望滑移率一致， 控制效果比较理想。 2 从车速与轮速比较可以看 出， 制动一开始由 于受到制动器摩擦力矩的作用， 轮速的降比车速快， 滑移逐渐增大 ， 控 制器反复调节后 ， 当滑移 率达到期 望值时 ， 轮速 的下降速度变得较为平缓 ， 基本 与车速 进[ J ] ． 石油机械 ， 2 0 0 4， 3 2 9 2 2 - 2 4 ． 刘 干． 节流阀结构研究与流场数值模拟分析[ D ] ． 重庆 西南 石油大学 ， 2 0 0 3 ． 的变化速度相一致 ， 整个过程中车轮滚动情况较好 ， 未出现侧滑。 3 从 图7和图 8来看 ， 采用 P I D控制器进行调 节后 ， 制动力的变化和制动减速度 的比较稳定 ， 缩短 了制动距离， 提高了制动安全性。 从以上仿真分析结果可以证明， 所设计和调试的 p r D控制器 ， 在以滑移率为控制 目标的制动防抱死控 制中， 制动滑移率始终处于最佳滑移率 2 0 ％ ～3 0 ％ 范围内 ， 汽车制动效果最好 ， 因此采用 P I D控 制具有 较好的控制效果 。 参考文献 [ 1 ] 冷雪， 李文娟， 王旭东． 汽车防抱死系统的三种控制算法制动 性能 比较 [ J ] ． 自动化技术 与应用． 2 0 0 9， 2 8 2 7 4 7 6 ． [ 2 ] 蒙 留记 ， 赵勇． 汽 车防抱死制 动系统 的分 析与诊 断检测 [ J ] ． 机械 ，2 0 0 3 1 7 3 7 6 ． [ 3 ] 杨柳青． 汽车主动悬架与 A B S系统的协调控制仿真研究 [ D ] ． 合肥 合肥工业大学 ， 2 0 0 6， 2 1 3 8 9 - 1 0 5 ． [ 4 ] 王霞． 汽 车制动 防抱 与 主动前 轮转 向系统 的 协调 控 制研 究 [ D ] ． 合肥 合肥工业大学 ， 2 0 0 6 ． 2 5