萬米超深孔工程是地球深部探測計劃的主要部分,其面臨著高溫、高壓、高地應(yīng)力等井下復(fù)雜工況,抗高溫超高密度鉆井液驅(qū)動的全金屬渦輪鉆具將是取心作業(yè)主要形式之一。當(dāng)前,基于高密度介質(zhì)的渦輪葉片設(shè)計理論尚處空白,本文基于兩相流理論,開展了渦輪葉片能量輸出模型研究,并基于此開展了多級渦輪仿真和葉片的優(yōu)化設(shè)計研究,為后續(xù)高密度渦輪葉片的設(shè)計奠定基礎(chǔ)。本文首先基于固液兩相流基本方程以及修正的伯努利方程,建立了兩相流粘性流體流動與渦輪葉片耦合作用的數(shù)學(xué)模型,提出了單級渦輪定轉(zhuǎn)子性能預(yù)測模型,并擴展到多級渦輪葉片,推導(dǎo)出兩相流情況下渦輪扭矩、功率、壓降的計算公式,定性分析了兩相流、流體粘度、流體密度對渦輪級輸出性能的影響。針對Ф127 mm取心渦輪鉆具的目標(biāo)參數(shù),確定了動力節(jié)定轉(zhuǎn)子徑向尺寸,完成了渦輪鉆具葉片結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計,包括前緣和后緣半徑、葉片安裝角、相對柵距等。基于三維軟件SolidWorks創(chuàng)建了渦輪定、轉(zhuǎn)子三維模型,驗證了葉片定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)以及裝配設(shè)計的情況,為后續(xù)的渦輪級仿真奠定了基礎(chǔ)。基于FLUENT的數(shù)值模擬結(jié)合數(shù)學(xué)模型可知:鉆井液粘度對渦輪的扭矩和功率影響不大,但會大幅增加渦輪消耗的壓降,降... 

【文章來源】：中國地質(zhì)大學(xué)(北京)北京市 211工程院校 教育部直屬院校

【文章頁數(shù)】：69 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【文章目錄】：
摘要
Abstract
第1章 緒論
    1.1 課題來源及研究背景
        1.1.1 課題來源
        1.1.2 課題研究背景
    1.2 研究現(xiàn)狀及存在問題
        1.2.1 國外渦輪鉆具技術(shù)研究現(xiàn)狀
        1.2.2 國內(nèi)渦輪鉆具技術(shù)研究現(xiàn)狀
    1.3 研究內(nèi)容與技術(shù)路線
        1.3.1 研究內(nèi)容
        1.3.2 技術(shù)路線
第2章 基于兩相流的渦輪鉆具葉片能量傳輸理論模型
    2.1 渦輪鉆具工作原理和基本結(jié)構(gòu)
    2.2 固液兩相流理論
        2.2.1 兩相流動模型
        2.2.2 固液兩相流基本方程
    2.3 葉片建模假設(shè)條件
    2.4 葉片能量轉(zhuǎn)換數(shù)學(xué)模型
        2.4.1 渦輪級壓降特性
        2.4.2 渦輪級轉(zhuǎn)化扭矩特性
        2.4.3 渦輪級轉(zhuǎn)化功率特性
    2.5 本章小結(jié)
第3章 渦輪鉆具葉片設(shè)計過程
    3.1 渦輪節(jié)設(shè)計的基本要求
    3.2 渦輪定轉(zhuǎn)子徑向尺寸確定
    3.3 葉片幾何參數(shù)設(shè)計
    3.4 葉片造型設(shè)計
    3.5 基于SolidWorks的渦輪定轉(zhuǎn)子三維模型
    3.6 本章小結(jié)
第4章 多級渦輪CFD仿真分析及性能預(yù)測
    4.1 CFD概述
    4.2 基于FLUENT的仿真步驟
        4.2.1 葉片流道建模
        4.2.2 網(wǎng)格劃分
        4.2.3 物理定義
        4.2.4 求解及后處理
    4.3 Φ127mm多級渦輪性能模擬預(yù)測
        4.3.1 流動云圖分析
        4.3.2 100 級葉片輸出性能對比
    4.4 鉆井液性質(zhì)對渦輪級性能的影響
        4.4.1 流體粘度對渦輪級性能的影響
        4.4.2 流體密度對渦輪級性能的影響
        4.4.3 固相顆粒直徑對渦輪級性能的影響
    4.5 本章小結(jié)
第5章 渦輪鉆具葉片性能優(yōu)化設(shè)計研究
    5.1 葉片對比設(shè)計
    5.2 葉片結(jié)構(gòu)參數(shù)對性能影響模擬預(yù)測
        5.2.1 前緣半徑對葉片性能的影響
        5.2.2 后緣半徑對葉片性能的影響
        5.2.3 轉(zhuǎn)子流道變化對葉片性能的影響
    5.3 本章小結(jié)
第6章 結(jié)論與展望
    6.1 結(jié)論
    6.2 展望
致謝
參考文獻
附錄
    個人簡歷
    碩士期間取得成果


【參考文獻】：
期刊論文
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[3]深部探測揭示中國地殼結(jié)構(gòu)、深部過程與成礦作用背景[J]. 董樹文,李廷棟,陳宣華,高銳,呂慶田,石耀霖,黃大年,楊經(jīng)綏,王學(xué)求,魏文博,陳群策.  地學(xué)前緣. 2014(03)
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碩士論文
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[2]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(xué) 2016
[3]渦輪鉆具測試裝置研制及實驗研究[D]. 黃明新.中國地質(zhì)大學(xué)(北京) 2015
[4]渦輪鉆具渦輪葉片設(shè)計及水力性能仿真優(yōu)化研究[D]. 趙洪波.中國地質(zhì)大學(xué)(北京) 2012
[5]耐高溫聚合物鉆井液降濾失劑的合成及作用機理研究[D]. 陳安猛.山東大學(xué) 2008



本文編號：3190200