渦輪結構廣泛應用于鉆井工具,在對其進行仿真分析研究過程中通常采用清水作為介質,但該方法并不能比較確切地反映渦輪結構在井下實際的工作特征。針對該問題,本文建立了某型渦輪三維模型,采用Turbo Grid軟件確定合理的網格參數,并進行了網格劃分。采用Herschel-Bulkley鉆井液流變模型研究了鉆井液流體參數對渦輪結構的輸出扭矩和效率的影響�；陧憫娣�,采用Box-Behnken設計方法得到了鉆井液流體參數與渦輪性能指標的關系。結果表明,相較于稠度指數和流變指數而言,鉆井液的密度和動切力對渦輪結構的輸出扭矩和效率影響顯著。因此,在探討鉆井液流變參數對渦輪性能影響時,應該優(yōu)先考慮鉆井液的密度和動切力特性。 

【文章來源】：應用力學學報. 2020,37(02)北大核心CSCD

【文章頁數】：8 頁

【部分圖文】：

單周期計算模型Fig.2Singlecyclecalculationmodel

696應用力學學報第37卷體結構如圖1所示。(a)定子(stator)(b)轉子(rotor)圖1渦輪定子與轉子Fig.1Turbine’sstatorandrotor渦輪對由一副定子和轉子共同組成，定子和轉子的葉型相同但方向相反。本文一副渦輪對中，定子和轉子葉片的數量均為31。3數值模型3.1控制方程本文湍流模型采用k-epsilon雙方程模型，該模型引入了兩個新的變量。連續(xù)方程如下。0jjUtx動量方程為effiijjijMijjiUUUtxpUUSxxxx式中：MS為總體積力；eff為湍流的有效黏度；p為靜壓力。k-epsilon模型是基于渦黏度理論，所以efft其中t為湍流黏度。k-epsilon方程模型假設湍流黏度與湍流動能有關，則2tkC其中：C為常數；k為湍流動能；為湍流耗散率。3.2鉆井液流變模型Herschel-Bulkley流變模型為三參數模型，該模型結合了賓漢和冪率兩種流變模式的特點，能很好地描述鉆井液的流變性[11-13]。該模型的表達式如下。0=+nK其中：為剪切應力；0為動切力；K為稠度系數；n為流變指數。3.3轉矩與水力效率渦輪轉子葉片與鉆井液相互作用，鉆井液所攜帶的壓力能和動能為轉子提供扭矩，進而為整個鉆具帶來動力[2]。渦輪葉片扭矩的計算式如下。ii1u2uMQRcc其中：為鉆井液密度；iQ為鉆井液流量；R為渦輪計算半徑；1uc和2uc分別為渦輪轉子進口和出口處絕對速度的周向分量。渦輪的水力效率W是轉化為機械能的有效能量iH與消耗的總能量H的比值，即WiHH且

第2期金凡堯，等：鉆井液流體特性對井下渦輪性能的影響697網格進行網格無關性分析。網格無關性分析是根據計算模型的大小，選擇不同的網格模型進行試算。隨著網格的增加，計算結果變化不超過5%[10]，認為計算模型達到網格無關性的要求。對單周期渦輪計算模型采用六面體網格進行劃分，對壁面附近的網格進行加密，結果如圖3所示。圖3單周期渦輪計算模型網格劃分Fig.3Singlecycleturbinecalculationmodelmeshing為了分析計算模型的網格無關性，采用清水作為介質。模型進口為速度入口，流量為30L/s，出口為壓力出口，壓力為0MPa，參考壓力為20MPa，轉子轉速為1200rpm。對計算模型開展三種層次網格數量的分析計算，參數和結果如表1所示。表1網格無關性分析Tab.1Gridindependenceanalysis標號(serialnumber)網格個數(meshnumber)轉矩(torque)/N·m誤差(error)/(%)11094591.16205-22703601.150381.0035498161.15166-1.11從計算結果可知，當計算模型采用不同網格時，輸出扭矩的偏差分別為1.00%和-1.11%，該偏差都小于5%。因此，采用一個層次的網格能夠滿足計算模型計算成本和計算精度的要求，本文采用第一層次的網格進行后續(xù)的計算分析。圖4不同網格密度在轉子表面的壓力分布Fig.4Pressuredistributionofdifferentmeshdensitiesontherotorsurface4.2響應面法分析響應面法的主要目的是以較少的實驗獲得變量與響應間的關系、最佳的響應值以及最優(yōu)的變量組合。中心復合設計和Box-Behnken設計方法是響應面最常用的兩種方法。Box-Behnken設計方法是由因子設計和不完全集區(qū)設計結合而成的三水平設計。它的實驗點包括中心點0、低水平點

【參考文獻】：
期刊論文
[1]彎曲角對鉆井渦輪葉柵水力性能的影響[J]. 何詩堯,周思柱,孫文斌,黃天成.  礦山機械. 2018(12)
[2]渦輪外特性理論計算方法探究及驗證[J]. 肖洋,王斌,趙勇.  石油機械. 2018(11)
[3]井下雙位自鎖式電磁鐵參數優(yōu)化及性能分析[J]. 汪興明,張劍秋,王強.  磁性材料及器件. 2017(03)
[4]基于奇點分布法的渦輪鉆具葉型設計[J]. 龔彥,張曉東,張也,李一嵐,張津.  西南石油大學學報(自然科學版). 2017(03)
[5]微泡鉆井液流變性[J]. KHAMEHCHI Ehsan,TABIBZADEH Shahin,ALIZADEH Ali.  石油勘探與開發(fā). 2016(06)
[6]基于Bezier曲線的渦輪葉片參數化造型及優(yōu)化設計[J]. 張曉東,余世敏,龔彥,楊文武,周權.  機械強度. 2015(02)
[7]考慮瞬態(tài)溫度場的水平井水力沖砂臨界排量[J]. 劉清友,汪興明,徐濤.  西南交通大學學報. 2014(06)
[8]應用CFD軟件模擬Ф115mm渦輪鉆具機械特性[J]. 馮進,張慢來,劉孝光,龍東平,丁凌云.  天然氣工業(yè). 2006(07)
[9]CFX-BladeGen在渦輪葉片造型中的應用[J]. 丁凌云,馮進,劉孝光,張慢來.  工程設計學報. 2005(02)
[10]赫謝爾—巴爾克萊流體同心環(huán)空軸向流流核及壓降計算[J]. 樊洪海,劉希圣.  石油大學學報(自然科學版). 1993(06)

碩士論文
[1]井下渦輪鉆具渦輪葉片造型及優(yōu)化研究[D]. 王龍.西安石油大學 2016
[2]基于響應面法的渦輪鉆具葉片優(yōu)化設計與研究[D]. 余世敏.西南石油大學 2016



本文編號：3106310