本文選題：換能器 + 壓電陶瓷�。� 參考：《哈爾濱工業(yè)大學(xué)》2014年碩士論文

【摘要】：隨著對技術(shù)采油的重視，如今超聲波技術(shù)已經(jīng)涉及到采油工藝和油田開發(fā)中。超聲波作用于近井解堵的機(jī)理不同于常規(guī)采油技術(shù)，超聲波作用油層具有安全穩(wěn)定、設(shè)備易于搭建、工藝流程簡單、成本低、見效快、對油水井、油層無污染無結(jié)構(gòu)破壞等優(yōu)點(diǎn)。石油開采領(lǐng)域里圓柱型超聲換能器占據(jù)設(shè)備的很大比重，主要原因是圓柱型換能器功率容量大、輻射能力強(qiáng)，不需考慮超聲波傳播的指向性，研制的主要目標(biāo)就是根據(jù)超聲波能量公式提高聲波能量。如此多的優(yōu)點(diǎn)使之成為油田三次采油和生物柴油制備的主力設(shè)備，在大功率超聲清洗、聲波測井領(lǐng)域也有很明顯的作用。本文在換能器以及壓電陶瓷的理論基礎(chǔ)上，對換能器進(jìn)行試驗(yàn)測試，并根據(jù)結(jié)果提出優(yōu)化方向，用有限元軟件對模型進(jìn)行構(gòu)建和計(jì)算，最終達(dá)到結(jié)構(gòu)優(yōu)化的目的。 (1)對超聲波油井增產(chǎn)機(jī)理進(jìn)行分析，給出孔隙介質(zhì)中顆粒堵塞模型。之后對超聲波換能器進(jìn)行介紹，說明聲波增油的可行性。簡要介紹超聲波增油技術(shù)發(fā)展歷程和現(xiàn)狀及換能器設(shè)備的生產(chǎn)研發(fā)情況。 (2)分析換能器工作的核心特性，即壓電陶瓷振子的壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)。介紹壓電陶瓷材料的基本參數(shù)及設(shè)備組裝時(shí)采取不同的夾持條件和電學(xué)邊界條件對壓電方程的影響。換能器壓電陶瓷振動(dòng)產(chǎn)生超聲波，振動(dòng)的能量大小可以通過聲強(qiáng)和聲壓來衡量，簡單介紹了兩者的定義和不同之處。在對陶瓷振子進(jìn)行振動(dòng)分析之前引用貝塞爾函數(shù)，給出了求解陶瓷環(huán)諧振頻率的一種方法。 (3)對換能器進(jìn)行整體的試驗(yàn)分析。測量換能器的主要工具為信號采集分析儀以及所配套的Coinv DASP-V10分析軟件。信號采集分析儀連接著貼在換能器筒壁上的加速度傳感器，用該設(shè)備的信號采集功能收集振動(dòng)信息。在非工作狀態(tài)下我們選擇用LC系列力錘敲擊產(chǎn)生激勵(lì)，而在工作頻率狀態(tài)下我們直接用儀器收集振動(dòng)信息。我們通過這兩種狀態(tài)下的試驗(yàn)得出靜態(tài)下?lián)Q能器的諧振頻率和最優(yōu)的工作頻率，然后我們將諧振頻率調(diào)整到最優(yōu)工作頻率附近作為優(yōu)化的目標(biāo)。 (4)我們用Patran和Nastran軟件對換能器進(jìn)行結(jié)構(gòu)建模、網(wǎng)格劃分之后再進(jìn)行模態(tài)分析和頻響分析。模擬部分的目的在于將模擬的頻響曲線同試驗(yàn)得到的曲線進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)結(jié)果差異不大則可以說明有限元建模的方法是可取的。之后改變換能器的結(jié)構(gòu)尺寸，得出各尺寸影響諧振頻率的曲線，給出最優(yōu)尺寸，完成優(yōu)化目的。
[Abstract]:With the attention to the technology of oil recovery, ultrasonic technology has been involved in oil production and oil field development. The mechanism of ultrasonic wave acting on near well plugging is different from that of conventional oil recovery technology. Ultrasonic wave acting on reservoir is safe and stable, equipment is easy to build, technological process is simple, cost is low, effect is fast, and it is effective for oil and water well. No pollution, no structural damage and other advantages. In the field of petroleum exploitation, cylindrical ultrasonic transducers occupy a large proportion of the equipment. The main reason is that the cylindrical transducers have large power capacity and strong radiation capacity, so they do not need to consider the directivity of ultrasonic propagation. The main goal of the development is to improve the acoustic energy according to the ultrasonic energy formula. With so many advantages, it has become the main equipment for tertiary oil recovery and biodiesel production in oilfields. It also plays an obvious role in the field of high-power ultrasonic cleaning and acoustic logging. On the basis of the theory of transducer and piezoelectric ceramics, this paper tests the transducer and puts forward the optimization direction according to the results. The model is constructed and calculated by finite element software. Finally, the aim of structure optimization is achieved. (1) the mechanism of increasing production of ultrasonic wells is analyzed, and the model of particle plugging in porous media is given. Then the ultrasonic transducer is introduced to illustrate the feasibility of acoustic wave oil increasing. This paper briefly introduces the development history and present situation of ultrasonic oil increasing technology and the production and development of transducer equipment. (2) the core characteristics of transducer are analyzed, that is, piezoelectric effect and inverse piezoelectric effect of piezoelectric ceramic vibrator. The basic parameters of piezoelectric ceramic materials and the effects of different clamping conditions and electrical boundary conditions on the piezoelectric equations are introduced. Ultrasonic wave is produced by piezoelectric ceramic vibration of transducer. The energy of vibration can be measured by sound intensity and sound pressure. The definition and difference between the two are briefly introduced. The Bessel function is used before the vibration analysis of the ceramic oscillator, and a method to solve the resonant frequency of the ceramic ring is given. (3) the whole experiment analysis of the transducer is carried out. The main tools for measuring transducer are signal acquisition analyzer and Coinv DASP-V10 analysis software. The signal acquisition analyzer is connected to the acceleration sensor attached to the wall of the transducer, and the vibration information is collected by the signal acquisition function of the device. In the non-working condition we choose to use LC series force hammer to produce the excitation while we collect vibration information directly with the instrument in the working frequency state. The resonant frequency and the optimal operating frequency of the transducer are obtained from the experiments in these two states. Then we adjust the resonant frequency to near the optimal operating frequency as the target of optimization. (4) We use Patran and Nastran software to model the structure of the transducer and then carry out modal analysis and frequency response analysis after meshing. The purpose of the simulation part is to compare the simulated frequency response curve with the curve obtained from the experiment. It is found that the finite element modeling method is desirable if there is no difference between the results. Then the structure dimension of the transducer is changed, and the curve of the influence of each dimension on the resonant frequency is obtained, and the optimal size is given to accomplish the optimization purpose.
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：TB552

【共引文獻(xiàn)】

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本文編號：2110815