基于Fluent的无气囊式空气包内流场分析.pdf

第期(总第 期)年月机 械 工 程 与 自 动 化ME CHAN I C A LE N G I N E E R I N G&AUT OMA T I ONN o A u g 文章编号:()基于F l u e n t的无气囊式空气包内流场分析赵胜东,周小明,郝建旭,胡启国(重庆交通大学 机电与车辆工程学院,重庆 ;中国国家油气钻井装备工程技术研究中心有限公司,陕西宝鸡 ;宝鸡石油机械有限责任公司,陕西宝鸡 )摘要:为研究无气囊式空气包的压力脉动衰减特性,以某无气囊式空气包为研究对象,采用R N Gk模型结合用户自定义函数(U D F)对无气囊式空气包进行内流场分析,得到空气包不同时刻的压力分布云图、速度分布云图以及压力脉动情况.分析结果表明:该空气包对压力脉动的衰减效果较好,衰减率可达到.分析结果可为进一步的设计优化提供参考.关键词:内流场分析;无气囊式空气包;F l u e n t中图分类号:T P 文献标识码:A国家油气钻井装备工程技术研究中心开放基金资助项目(B OMC O J J KY )收稿日期:;修订日期:作者简介:赵胜东(),男,四川广元人,在读硕士研究生,研究方向为流体机械动力学.引言在石油钻采过程中,钻井泵的往复运动会引起流量变化,导致排出管路中压力波动.这些压力脉动冲击不仅会引起系统振动,产生的噪声使系统工作品质恶化,而且会影响钻井泵的使用寿命和系统的工作精度,甚至会使系统管路或元件损坏,酿成重大事故.这种压力波动单纯依靠管路系统自身调节是无法消除的,因此需要在管路中安装空气包,作为管路压力脉动缓冲设备.目前,一般将气囊式空气包安装在钻井泵出口附近来衰减钻井系统中的压力脉动.但是现有的常规气囊式空气包存在维修困难、易损件寿命短和后续维护成本高等问题,尤其是在高压、大流量时气囊容易损坏,并且稳压效果不是很理想.针对这些问题,提出了一种无气囊式空气包结构,但目前尚无对无气囊式空气包结构压力脉动的研究.本文以无气囊式空气包为研究对象,基于机械流体动力学理论,利用F l u e n t软件分析空气包工作过程中的压力、速度分布情况以及压力的脉动情况.无气囊式空气包的工作原理无气囊式空气包实体模型如图所示,其工作原理如图所示.钻井泵的脉动钻井液流从吸入管流入球形空腔中,借助压力波在球体内的反射和球内几何参数的耦合滤波作用使压力脉动得到衰减,作用原理类似于抗性噪声消声器.当压力波进入空气包球腔时,球腔中液体压缩吸收一部分压力波,构成液容;当压力波在吸入管和排出管上时,管内液柱来回振荡,构成液感,抗拒由于压力冲击而引起的速度变化,吸入管和排出管的局部阻力和摩擦力构成液阻.如同滤波电路一样,只要液容、液感、液阻三者之间匹配得好,对压力波就可以取得很好的衰减或消除作用.图无气囊式空气包实体模型图无气囊式空气包工作原理流场数值模拟本文应用F l u e n t软件对无气囊式空气包内部流场进行仿真模拟分析.控制方程流体在运动过程中满足物理守恒定律,且无气囊式空气包的内部流体流动多为湍流,故需选择合适的湍流模型,相应的控制方程如式()式()所示.质量守恒方程(连续性方程)为:t(u)x(v)y(w)z()其中:为流体密度;t为时间;u、v、w分别为流体速度矢量在x、y、z方向的分量.动量守恒方程(运动方程)为:(u)td i v(u u)p x x x x y x y z x zFx()(v)td i v(v u)p y x y x y y y z y zFy()(w)td i v(w u)p z x z x y z y z z zFz()其中:p为微元上的压力;x x、y x、z x、x y、y y、z y、x z、y z、z z分别为黏性应力x、y、z在x、y、z方向上的分量;Fx、Fy、Fz分别为微元上的体力在x、y、z方向上的分量.无气囊式空气包的内部流场为湍流状态,而R NGk模型在处理高应变率及流线弯曲程度大的流动时具有相较其他湍流模型更大的优势,所以本文采用R NGk模型.为了能在模拟液体流动分离和弯曲壁面流动等问题时更加接近真实状态,还在湍流方程中引入湍动黏度系数的修正方程.湍流动能k和耗散率的传输方程如下:t(k)xi(k u)xj(k)k xjGkGbYMSk()t()xi(u)xj()xjCSCkCkCGbS()其中:xi、xj为流体在x、y方向的坐标分量;为湍流有效黏度系数;为湍流黏度,Ck,Cu为经验系数,取Cu ;Gk为流体平均速度梯度产生的湍动能;Gb为浮力产生的湍流动能;YM为可压缩湍流脉动膨胀对总耗散率的影响;Sk和S为湍动能和耗散率的湍流普朗特数;C、C、C、C均为经验系数,分别取C 、C 、C、C;k和为湍流模型的流体系数,k、.网格参数本文采用F l u e n tM e s h i n g划分网格模型.为了方便计算和满足精度要求,采用结构化网格,整个模型划分得到 个节点、个单元,网格质量都在 以上,不会出现负体积而影响仿真,满足F l u e n t计算要求.无气囊空气包的网格划分模型如图所示.图无气囊空气包的网格划分模型 边界条件在F l u e n t中对空气包的内流场及其边界条件做如下设置:入口处设为P r e s s u r e_i n l e t,其压 力使用UD F函数文件设置,压力按正弦函数脉动曲线变化,幅值 为()MP a;出 口 处 设 为P r e s s u r e_o u t l e t,压力设为定值 MP a;壁面设置为W a l l,采用标准壁面函数.综上所述,本研究采用非稳态模型进行计算求解,选用R NGk模型作为湍流模型,选用非耦合式隐式求解器,用P I S O算法(压力速度耦合方程)进行迭代求解计算,收敛精度设为.流场仿真结果分析 压力分布利用F l u e n t软件分析得到的无气囊式空气包x y截面不同时刻的压力分布云图如图所示.由图(a)、图(b)可以看出:s和 s时入口压力较大,压力脉动也较大,经过空气包内部反射衰减之后出口压力慢慢减小,压力脉动也随之减小,最后趋于平稳,可以清晰地看出液体的压力从入口管路到出口管路是一个先增大后减小的过程.由图(c)、图(d)可以看出:s和 s流体流经内插管时过流断面减小,内插管表面受力不均,在内插管管口和壁面局部形成涡流,局部压力损失较大,该压力损失正好使得压力脉动得到了衰减,但 s时刻空气包壁面的压力较大,这要求空气包有很好的承压能力,对空气包外表面的材料要求较高.图无气囊式空气包x y截面不同时刻的压力分布云图机 械 工 程 与 自 动 化 年第期 速度分布利用F l u e n t软件分析得到的无气囊式空气包x y截面不同时刻的速度分布云图如图所示.由图(a)、图(b)可以看出:s和 s液流通过空气包入口进入球形空腔时,流动面积突然增大,相当于有一个突扩的结构,在这个截面上就会产生一个由于截面突然增大带来的能量损失,同时由于空气包内部的空间远远大于入口管的尺寸,因此,空气包内的流速相对入口处的流速值会降低.从图(c)、图(d)可以看出:s和 s时液流向空气包的出口管流动,流速在出口处有一个突然的提升并且以较大幅度增加的过程,这种情况对管壁的冲击很大,使其在工作中容易损坏,分析其原因是由于单位时间内液体流量一定,流量近似为流速与出口截面积的乘积,所以流体流经出口时截面积减小,使得流体出口流速增加,在内插管管口处形成射流,该位置处的速度较高,射流遇到球腔表面发生碰撞,有较大的能量损失.图无气囊式空气包x y截面不同时刻的速度分布云图 压力脉动为了考察不同位置下无气囊式空气包的压力脉动情况,引入压力脉动率和压力脉动衰减率这两个衡量指标,其定义如下:Pm a xPm i nP ()()其中:Pm a x为压力脉动的最大值;Pm i n为压力脉动的最小值;P为平均压力;为入口处的压力脉动率;为出口处的压力脉动率.图和图分别为无气囊式空气包入口处和出口处的压力脉动曲线.由图和图可知:在空气包的入口处,压力脉动稳定时的压力最小值为 M P a,压力最大值为 M P a,压力脉动率为;在空气包的出口处,压力脉动稳定时的压力最大值为 MP a,压力最小值为 MP a,压力脉动率为.从而可以计算出空气包的压力脉动衰减率为,可以看出,无气囊式空气包大大降低了液体的压力脉动,保证了钻井泵能稳压工作.图无气囊式空气包入口处的压力脉动曲线结论()空气包中液体进口过流断面面积增大、出口过流断面面积减小会造成较大的压力损失,同时液体速度会先减小后增大,并且从压力云图中可以明显看出涡流存在的位置,从而可以避免由此导致的损坏.()对比不同位置处的压力脉动可以看出,无气囊式空气包对于压力波动的衰减效果较好,压力脉动衰减率为,压力衰减效率较高.图无气囊式空气包出口处的压力脉动曲线参考文献:往复泵设计编写组往复泵设计M北京:机械工业出版社,钟功祥,廖光平,武江瑜,等五缸钻井泵动力端AMES i m/M o t i o n联合仿真研究J石油机械,():张洪生,郑武,李继霞,等基于M a t l a b的五缸钻井泵流量动态特性的研究J机床与液压,():王军伟,周小明,代荣军,等液压钻井泵关键技术的研究J液压气动与密封,():,K o t k a rH,P a w a r H,P a t i lS,e ta l O p t i m i z a t i o na n da n a l y s i so fp u l s a t i o nd a m p e n e rJ I n t e r n a t i o n a lJ o u r n a lo fC o m p u t e rA i d e dM a n u f a c t u r i n g,():王 福军计 算 流体 动力 学 分 析:C F D软 件 原 理 与 应 用M北京:清华大学出版社,王斌,宫金良,张彦斐基于F l u e n t的农用超声喷头内流场分析J机械工程与自动化,():,(英文摘要转第页)年第期赵胜东,等:基于F l u e n t的无气囊式空气包内流场分析由上述计算公式可见,悬臂梁式变截面钢管杆在单位载荷作用下自由端挠度与Dd o、Ds o、t及L有关.当杆长L一定时,固定一个参数变动另两个参数可得到其在单位载荷作用下自由端挠度与几何参数双因素变化图,分析任意两个参数对钢管杆挠度影响,如图 所示.由图 可知:当杆长及壁厚一定时,增大杆底径与梢径都会使杆端挠度减小,但杆底径变化对挠度影响更大;当杆长及底径或梢径一定时,增大杆壁厚会使杆端挠度减小,但壁厚增大到一定程度后对挠度影响就较小;杆径越大,增大壁厚对挠度减小的影响就越不明显.图 单位力挠度与几何参数的关系结束语本文运用材料力学基本公式,推导了静载作用下薄壁变截面钢管杆挠度与转角计算公式,并采用有限元法验证了公式的正确性,公式表达式简洁,便于设计应用.根据推导公式,定量分析了单位集中力作用下薄壁变截面钢管杆几何参数与挠度的关系,结果表明:当杆长与壁厚一定时,杆底径变化对挠度影响更大;当杆长与底径或梢径一定时,壁厚增大到一定程度后对挠度的影响较小.本文为薄壁变截面钢管杆设计提供了理论参考.参考文献:曹小兵,黄正育,王海龙,等城市新基建智慧多功能杆建设与创新应用研究J照明工程学报,():苏秋鹏,刘世伟,左航新型城市道路综合杆的创新与实践J市政技术,():林世 袍变 截 面 钢 管 杆 的 挠 度 计 算 方 法 J钢 结 构,():,上官敦家,朱正仪棱锥形钢管杆的挠度计算J电力建设,():,高轩能,朱皓明,沈剑波截面连续变化悬臂构件挠度计算的等效柱法J数学的实践与认识,():苑士岩,赵风雷 k V双回输电线路钢管杆设计分析J吉林电力,():,林枫,廖秀斋 M a t h C A D在交通标志支撑结构优化设计中的应用J城市道桥与防洪,():,姚云龙,屈海宁,王敏,等智慧城市多功能杆选型研究J特种结构,():王敏,姚云龙,任高杰智慧城市多功能标志标牌杆选型研究J工程建设与设计,():国家电力公司东北电力设计院 D L/T 架空送电线路钢管杆设计技术规定S北京:中国电力出版社,:郝际平,钟炜辉薄壁杆件的弯曲与扭转M北京:高等教育出版社,D e f o r m a t i o nA n a l y s i so fT h i n W a l l e dV a r i a b l eC r o s s S e c t i o nS t e e lP i p eP o l eU n d e rS t a t i cL o a dB a s e do nC a n t i l e v e rS t r u c t u r eX I EZ u q i a n g,L I NZ o n g z h o n g(S c h o o l o fM e c h a n i c a la n dI n t e l l i g e n tM a n u f a c t u r i n g,F u j i a nC h u a n z h e n gC o mm u n i c a t i o n sC o l l e g e,F u z h o u ,C h i n a;F u z h o uS h e n g z u nC o n s u l t i n gS e r v i c eC o,L t d,F u z h o u ,C h i n a)A b s t r a c t:As e r i e so f f o r m u l a sf o rc a l c u l a t i n gt h ed e f l e c t i o na n dr o t a t i o na n g l eo fv a r i a b l ec r o s s s e c t i o ns t e e lp i p ep o l eu n d e rs t a t i cl o a da r ed e r i v e db a s e do nt h eb a s i c f o r m u l ao fm a t e r i a lm e c h a n i c s F o r s e v e r a l v a r i a b l e c r o s s s e c t i o np o l e sw i t hd i f f e r e n tp a r a m e t e r s,t h ed e r i v a t i o nf o r m u l aa n df i n i t ee l e m e n tm e t h o da r eu s e dt oc a l c u l a t e T h et w oc a l c u l a t i o nr e s u l t sa r e i ng o o da g r e e m e n tw i t he a c ho t h e r,a n dt h ec o r r e c t n e s so f t h e f o r m u l a i sv e r i f i e d B yu s i n gt h ed e r i v e df o r m u l a,t h e i n f l u e n c eo fg e o m e t r i cp a r a m e t e r so fp o l eo nd e f l e c t i o nu n d e ru n i tc o n c e n t r a t e df o r c el o a di sq u a n t i t a t i v e l ya n a l y z e d T h er e s u l t ss h o wt h a tt h ef o r m u l ai sc o r r e c ta n dc o n c i s e,w h i c hp r o v i d e sa t h e o r e t i c a l r e f e r e n c e f o r t h ed e s i g no f t h i n w a l l e ds t e e l p i p ep o l e s K e y w o r d s:t h i n w a l l e d;v a r i a b l ec r o s s s e c t i o ns t e e l p i p ep o l e;s t a t i c l o a d;c a n t i l e v e rs t r u c t u r e(上接第页)F l o wF i e l dA n a l y s i s i nA i r b a g F r e eA i rB a g sB a s e do nF l u e n tZ H A OS h e n g d o n g,Z H O UX i a o m i n g,H A OJ i a n x u,H UQ i g u o(S c h o o l o fM e c h a t r o n i c s a n dV e h i c l eE n g i n e e r i n g,C h o n g q i n g J i a o t o n gU n i v e r s i t y,C h o n g q i n g ,C h i n a;C h i n aN a t i o n a lO i l a n dG a sD r i l l i n gE q u i p m e n tE n g i n e e r i n gT e c h n o l o g yR e s e a r c hC e n t e rC o,L t d,B a o j i ,C h i n a;B a o j i P e t r o l e u m M a c h i n e r yC o,L t d,B a o j i ,C h i n a)A b s t r a c t:I no r d e r t os t u d y t h ep r e s s u r ep u l s a t i o na t t e n u a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so f a i r b a g f r e ea i rb a g s,a na i r b a g f r e ea i rb a gw a s t a k e na s t h er e s e a r c ho b j e c t,a n d t h eR NGk m o d e l c o m b i n e dw i t ht h eu s e r d e f i n e d f u n c t i o n(U D F)w a su s e d t oa n a l y z e t h e i n t e r n a l f l o wf i e l do f t h ea i r b a g f r e ea i rb a g,a n d t h ep r e s s u r ed i s t r i b u t i o nc l o u dm a p,v e l o c i t yd i s t r i b u t i o nc l o u dm a pa n dp r e s s u r ep u l s a t i o no f t h ea i rb a ga td i f f e r e n tm o m e n t sw e r eo b t a i n e d T h ea n a l y s i sr e s u l t ss h o wt h a tt h ea i rb a gh a sag o o da t t e n u a t i o ne f f e c to np r e s s u r ep u l s a t i o n,a n dt h ea t t e n u a t i o nr a t ec a nr e a c h,w h i c hp r o v i d e sar e f e r e n c e f o r f u r t h e rd e s i g no p t i m i z a t i o n K e y w o r d s:i n t e r n a l f l o wf i e l da n a l y s i s;a i r b a g f r e ea i rb a g;F l u e n t机 械 工 程 与 自 动 化 年第期