FDT地層測試器節(jié)流控制閥數(shù)值模擬.pdf

1、電纜地層測試器是通過電纜下放到井下的測試設(shè)備。節(jié)流控制閥是一種用于地層測試器采樣模塊系統(tǒng)中控制地層流體流量和壓力大小的一種兩位兩通閥。
　　 該節(jié)流控制閥相比普通節(jié)流閥,體積小,調(diào)節(jié)精度高,其對壓力的有效調(diào)節(jié)關(guān)系到能否采收到地層真實(shí)流體。其內(nèi)部的水力特性是決定節(jié)流閥對地層流體樣品高效調(diào)節(jié)的關(guān)鍵因素。同時閥芯在運(yùn)動過程中,節(jié)流閥內(nèi)部流場特性和閥芯受力是節(jié)流閥設(shè)計(jì)應(yīng)用中不可忽略的內(nèi)容。目前,在地層測試器上,節(jié)流控制閥的內(nèi)部流場尚無人

2、研究。為此,本文運(yùn)用計(jì)算流體力學(xué)的方法對所設(shè)計(jì)的節(jié)流控制閥模型進(jìn)行數(shù)值模擬,研究閥腔內(nèi)流場結(jié)構(gòu)和閥芯動靜態(tài)受力情況。
　　 本文根據(jù)地層測試器采樣模塊的相關(guān)參數(shù),設(shè)計(jì)出節(jié)流閥,用CAD軟件--UG建立節(jié)流閥流道的三維模型,并用GAMBIT對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。通過選用經(jīng)典的基于壓力修正的SIMPLE算法和標(biāo)準(zhǔn)k-ε兩方程湍流模型,分別在靜止和運(yùn)動兩種狀態(tài)下,對節(jié)流控制閥內(nèi)部流場、流量特性和閥芯受力進(jìn)行數(shù)值仿真研究,優(yōu)化節(jié)流閥的設(shè)計(jì)

3、結(jié)構(gòu)。
　　 利用數(shù)值模擬,對閥腔內(nèi)的壓力場分布有了清晰的認(rèn)識:閥腔內(nèi)的壓力在節(jié)流口處降低比較明顯,低壓點(diǎn)出現(xiàn)在閥芯和閥座所形成的間隙內(nèi),最低壓力值為2.5MPa。遠(yuǎn)離節(jié)流口處的壓力比較高。導(dǎo)管處的壓力沿徑向是降低的,而沿軸向變化不大。
　　 通過對節(jié)流口速度場內(nèi)的射流角研究:射流角隨著開口度的增大而減小,速度值減小。能量耗散位置處于節(jié)流口附近。節(jié)流閥的流量隨著壓力和開度的增大而增大。在一定的開度下,流體的能量耗散和壓降

4、成正相關(guān)。流量系數(shù)與壓降沒有直接關(guān)系,跟節(jié)流閥的開度有很大的關(guān)系,具體與節(jié)流閥本身的結(jié)構(gòu)有關(guān)系。通過模擬計(jì)算,得到節(jié)流閥的流量特性曲線,本閥屬于快開特性。
　　 在上述節(jié)流閥模擬的基礎(chǔ)上,提出節(jié)流閥結(jié)構(gòu)改進(jìn)措施。優(yōu)化結(jié)果表明:改進(jìn)的節(jié)流閥結(jié)構(gòu)流場分布更為均勻,在閥口和導(dǎo)管處的漩渦區(qū)幾乎消除,流體主流在壁面發(fā)生分離程度減小,運(yùn)動方向和流道的方向近乎切合,局部阻力較小。流體能量耗散減小了30％,流量系數(shù)提高了25％。
　　

5、運(yùn)用動網(wǎng)格技術(shù)對節(jié)流控制閥的受力進(jìn)行了分析。在穩(wěn)態(tài)受力研究中,作者推導(dǎo)了節(jié)流控制閥理論穩(wěn)態(tài)液動力計(jì)算式,并與數(shù)值模擬結(jié)果對比,誤差在5％以內(nèi),證明數(shù)值模擬的結(jié)果是可以接受的；節(jié)流閥的穩(wěn)態(tài)液動力隨著節(jié)流閥的開度增大而減小,其方向和閥芯關(guān)閉的方向一致。節(jié)流閥閥芯在啟閉兩個過程中,瞬態(tài)液動力的變化規(guī)律是不一樣的。在閥開啟時,瞬態(tài)液動力變化拐點(diǎn)隨閥芯移動速度增大而靠前,力的數(shù)值也隨著增大。瞬態(tài)液動力從負(fù)值范圍先減小,后跨過零點(diǎn)從正值范圍增大。當(dāng)