利用PIV技术观测射流元件内部流场

射流元件作为液动射流式冲击器的核心部件对冲击器的性能起着决定性作用,由于其内部流道结构复杂,压力和速度波动非常大,流动状态及其复杂,一直是冲击器研究的难点,近年来随着计算流体动力学（CFD）技术的发展,已有学者利用CFD技术对射流元件内部流场的压力、速度进行模拟分析,但如何对射流元件内部流场进行测量,如何对CFD结果进行验证一直未能有效解决。文章首次加工了透光的射流元件,并将射流元件至于冲击器本体以外,利用粒子图象测速（PIV）技术完成了对射流元件内部流场的观测,将实验结果和CFD模拟计算结果进行了对比分析,误差在10％以内,充分证明PIV实验结果和CFD计算的可靠性,为射流元件内部流场的测量提供了一种新方法。     

钻孔作业中反向扩孔气动冲击器尾气携岩特性

建立了由反向扩孔气动冲击器排气孔到后封头的排屑流场,运用计算流体力学理论和FLUENT仿真软件研究了冲击器工作过程中尾气的携岩特性。基于冲击器的结构和工作原理,对气固两相排屑流场进行了数值仿真模拟,进而得到流场的气相特性以及岩屑颗粒运动轨迹和浓度分布规律。结果表明:冲击器排气孔尾气进入排屑流场后流速降低,流场压力由入口到出口逐渐降低;岩屑颗粒向流场底部聚集,颗粒平均浓度沿着远离入口方向变化不大,最大浓度沿着远离入口方向逐渐下降,最终趋于平稳。分析了钻进速度和尾气流量对携岩特性的影响,结果表明:随着钻进速度的增加尾气携岩能力下降,额定工作压力0.8 MPa时钻进速度应小于12.6 m/h;随着尾气质量流量的增加携岩能力提高,施工时应该在保证冲击器工作性能的情况下适当增加尾气质量流量。     

FLUENT在液动冲击器使用配置研究中的应用

针对双作用射吸式液动冲击器现场应用前配置过程复杂的问题,利用FLUENT软件建立了冲击器内部流域模型与数学模型,采用与试验环境相同的工况参数,通过ICEM软件划分网格,仿真得到冲击器内部上下腔压力分布云图、流体通过射吸元件速度云图以及速度矢量流线图。采用FLUENT进行了双作用射吸式液动冲击器的应用仿真研究,通过确定与实际相同的输入参数,并且确定其流动状态,可以实现设备的运行情况预测。通过更改射吸元件的规格尺寸,以及调节输入输出参数,可以对更多规格的冲击器的实际情况进行仿真预分析,可以根据其内部的压力以及速度云图分布计算出相应的输出参数的数值大小。研究结果可为冲击器在不同地层以及不同岩性的选配提供参考。     

液动射流式冲击器结构设计及试验研究

旋冲钻井用液动射流式冲击器焊镶和粘接部位极易开裂导致泄漏、卸压,缸体上、下腔工作压力建立不起来,造成冲击器停止工作或工作断续不稳,影响冲击器的性能。为此,对冲击器缸体进行了一体化结构设计,精选特制高性能热作模具钢材料(HHD),采用整体铸造方式成型,缸体表面采用液体氮化加氧化工艺处理。对该结构冲击器进行了室内性能测试试验和现场应用试验。结果表明,该结构液动射流式冲击器的性能得到改善,具有良好的工作稳定性和参数的可调节性;可以有效地提高深部硬岩地层机械钻速,防止井斜,降低钻井成本。     

流场诱导API圆螺纹油管接箍失效分析及结构优化

油管柱失效的主要形式是油管螺纹连接失效。目前对油管螺纹连接失效的研究主要集中在载荷作用下的螺纹受力和变形分析,对螺纹连接处流场突变导致失效的研究较少。利用流体动力学计算方法,对API圆螺纹油管接箍流场内部的流体建立控制方程,采用FLUENT软件进行流场模拟,对接箍连接的"J"形区的压力、速度分布情况进行了分析,并提出了改进措施,对流道进行优化。"J"形区的流场模拟计算发现,流体因高速流动产生涡流和压力突变,进一步影响流体性质并冲击接箍内壁。API油管接箍结构优化后,避免了压力和速度的突变,有利于流体流通,为油管的优化设计提供了理论依据。      

钻头保径对底部稳定器流场影响的数值模拟

为了对涡轮钻具近钻头减压稳定器棱叶片进行合理设计,深入研究稳定器数值模拟的真实性和内部流体流动特性,运用计算流体力学软件NUMECA,基于S-A湍流模型及SIMPLE算法对设计的钻头保径段、近钻头减压稳定器和涡轮钻具稳定器导叶结构组合段内部的流场进行了三维数值模拟。主要研究钻头保径结构对流体流动的干扰,及对稳定器内流场流动的影响。模拟结果表明钻头保径结构对流体流动方向干扰很大,对稳定器入口段流场流动影响较大。为了降低不必要的水力损失,设计稳定器叶片需要考虑保径结构的影响。     

液动冲击器缸体结构优化设计

为解决液动冲击器在使用过程中缸体出液孔口出现冲蚀坑的问题,采用CFD分析法对缸体工作过程进行模拟仿真,根据流场模拟结果提出结构改进方法,将缸体流道从径向水平改为与水平方向成45°角的结构。研究结果表明,缸体流道沿径向水平时会引起出液孔口附近液体流速和压力突变,产生脱流回流现象,导致缸体出液孔口附近发生严重冲蚀;结构改进后流场分布情况得到明显改善,且能满足缸体强度要求,延长了冲击器缸体的使用寿命。现场试验中改进后的液动冲击器的平均钻速比改进前提高了34%。     

剪切流场中颗粒受力特性

剪切流场是一种垂直于流体流动方向且具有速度梯度的流场.在重力式油水分离场中,剪切流场主要存在于各种聚结填料中和器壁的流动边界层内.剪切流场中分散相颗粒的受力特性较普通重力式分离场复杂.以粘性流体力学和边界层理论为工具,对剪切流场、流场的流动速度剖面和分散相颗粒的受力特性分别进行了讨论,给出了有关的计算模型,对重力式油水分离器的结构分析设计将有一定的指导意义.     

计算流体动力学在冲击器设计和模拟中的应用

冲击器对旋冲钻井技术的实施起着至关重要的作用。随着计算流体动力学(CFD)技术的发展,CFD也逐渐应用到冲击器的设计和模拟当中。优选了适合液动射流式冲击器性能模拟的CFD软件,建立了计算模型并进行了计算分析,同时利用先进的粒子图像测速(PIV)技术对射流元件的内部流场进行了观测,对CFD模型进行了验证。最后指出,随着计算机技术的不断发展以及CAD/CAE、CFD和PIV技术的有机融合,冲击器虚拟样机设计和模拟技术将会得到进一步的发展和提高,这也是冲击器设计和模拟技术的一个重要发展方向。     

减压蒸馏装置多级抽空器数值模拟

利用ANSYS-CFX计算流体力学软件平台,建立了减压蒸馏炼油装置中多级蒸汽喷射抽空器气体喷射流场的三维物理模型,并采用Chen-Kim两方程湍流模型对其流场进行数值模拟。分析了多级蒸汽喷射抽空器热力参数和喉管面积比等结构参数对抽空器性能的影响。结果表明,工作压力降低会引起抽空器性能的急剧下降,而引射压力对抽空器性能影响不大;出口背压是影响喷射器能否正常工作的关键因素;喉管面积比是影响抽空器性能的重要结构参数。     

Evaluation of the coking resistance of catalysts of steam conversion of hydrocarbons

Translated from Khimiya i Tekhnologiya Topliv i Masel, No. 10, pp. 9–10, October, 1991.