本文關(guān)鍵詞：流體在內(nèi)桿做行星運動的環(huán)空中流動的數(shù)值模擬

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【摘要】：流體在內(nèi)桿做行星運動的環(huán)空中的流動是指:環(huán)空中處于偏心位置的內(nèi)桿以自身軸線為旋轉(zhuǎn)軸自轉(zhuǎn)的同時繞外圓筒軸線公轉(zhuǎn),流體在軸向壓力梯度的作用下通過旋轉(zhuǎn)運動的內(nèi)桿與固定的井筒形成的環(huán)空。內(nèi)桿的行星運動是螺桿泵井采油工況以及鉆井工況中桿柱轉(zhuǎn)動的一般形態(tài)。螺桿泵井抽油桿的轉(zhuǎn)動狀態(tài)對采出液流動阻力以及桿柱扭矩影響顯著,鉆井工況中鉆桿的偏心公轉(zhuǎn)對巖屑床的抑制和鉆井液的攜巖有重要影響,故對于流體在內(nèi)桿做行星運動的環(huán)空中的流動的研究具有工程實際意義。本文采用計算流體動力學(xué)方法,以內(nèi)桿行星運動的環(huán)空流場為研究對象,針對內(nèi)桿的運動形式及規(guī)律編譯剛體行星運動UDF程序,實現(xiàn)了內(nèi)桿自轉(zhuǎn)速度、公轉(zhuǎn)速度、旋轉(zhuǎn)方向以及運行軌道半徑的控制,應(yīng)用FLUENT動網(wǎng)格技術(shù)實現(xiàn)了內(nèi)桿行星運動的環(huán)空中冪律流體流動的三維流場仿真計算。針對內(nèi)桿僅自轉(zhuǎn)流場進(jìn)行了流致公轉(zhuǎn)趨勢的計算,得出內(nèi)桿在橫向上僅受流體力作用時將產(chǎn)生與其自轉(zhuǎn)同時針方向公轉(zhuǎn)運動的結(jié)論;針對加以內(nèi)桿公轉(zhuǎn)的流場,計算分析了桿柱公轉(zhuǎn)及其轉(zhuǎn)向?qū)Νh(huán)空內(nèi)流動的影響,結(jié)果表明:內(nèi)桿的公轉(zhuǎn)導(dǎo)致環(huán)空流場軸向速度流核區(qū)繞內(nèi)桿軸線發(fā)生與公轉(zhuǎn)反方向的旋轉(zhuǎn)偏移,當(dāng)公轉(zhuǎn)與自轉(zhuǎn)方向相反時環(huán)空流場內(nèi)出現(xiàn)二次流。針對螺桿泵井采油工況,計算分析了流體冪律特性、抽油桿自轉(zhuǎn)速度、公轉(zhuǎn)速度以及內(nèi)桿偏心率對桿管環(huán)空流體輸運能力、二次流、軸向壓降以及桿柱扭矩的影響。結(jié)果表明:隨著內(nèi)桿自轉(zhuǎn)速度的增大,流體軸向壓降減小,桿柱扭矩增大;隨著公轉(zhuǎn)速度的增大,軸向壓降增大,二次流區(qū)域擴(kuò)大;隨著內(nèi)桿偏心度的增大,流體軸向速度增大,壓降降低,桿柱扭矩增大。針對水平段鉆井工況,采用歐拉雙流體模型實現(xiàn)鉆桿行星運動的環(huán)空中流體攜巖的液固兩相流模擬,計算分析了巖屑顆粒直徑、鉆桿轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速以及鉆桿偏心對井筒環(huán)空流體攜巖特性的影響。結(jié)果表明:巖屑粒徑較高時井筒環(huán)空低邊位置易形成巖屑床,鉆桿的公轉(zhuǎn)提高了流體的攜巖效果;隨著鉆桿轉(zhuǎn)速以及偏心率的增大,床層發(fā)生旋轉(zhuǎn)偏移且有更多的巖屑顆粒隨鉆井液流體旋流,流體攜巖效率提高。
【關(guān)鍵詞】：行星運動 冪律流體 動網(wǎng)格 UDF 螺桿泵桿柱 攜巖
【學(xué)位授予單位】：東北石油大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TE933.2
【目錄】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-7
• 創(chuàng)新點摘要7-11
• 第一章 前言11-19
• 1.1 本論文的研究背景與意義11-12
• 1.2 研究現(xiàn)狀12-17
• 1.2.1 流體在內(nèi)桿做行星運動的環(huán)空中的流動12-14
• 1.2.2 螺桿泵井桿管環(huán)空中流體的流動14-16
• 1.2.3 大斜度井段鉆井液攜巖特性16-17
• 1.3 本論文的主要研究內(nèi)容17-19
• 第二章 冪律流體偏心環(huán)空流動基本理論19-26
• 2.1 冪律流體偏心環(huán)空流動基本方程19-22
• 2.1.1 偏心環(huán)空過流斷面幾何特征19
• 2.1.2 冪律流體本構(gòu)方程19-20
• 2.1.3 連續(xù)性方程及運動方程20
• 2.1.4 偏心環(huán)空中冪律流體螺旋流的解析解20-22
• 2.2 液固兩相流動方程22-24
• 2.2.1 質(zhì)量守恒方程22
• 2.2.2 動量守恒方程22-23
• 2.2.3 固相顆粒的脈動能量方程23
• 2.2.4 封閉方程23-24
• 2.3 湍流模型24-26
• 第三章 內(nèi)桿行星運動的環(huán)空流場數(shù)值模擬方法26-42
• 3.1 內(nèi)桿行星運動UDF編譯26-30
• 3.1.1 UDF語言及類型選擇26-27
• 3.1.2 輸運方程27-28
• 3.1.3 DEFINE宏和公轉(zhuǎn)軌道三角函數(shù)28
• 3.1.4 動網(wǎng)格宏DEFINE_CG_MOTION28-30
• 3.1.5 MS VC++及環(huán)境變量配置30
• 3.2 網(wǎng)格劃分及三維動網(wǎng)格模擬30-39
• 3.2.1 仿真計算物理模型30-32
• 3.2.2 隨體邊界層網(wǎng)格及網(wǎng)格重構(gòu)區(qū)域靜網(wǎng)格劃分32-34
• 3.2.3 內(nèi)桿行星運動動網(wǎng)格計算方法34-36
• 3.2.4 內(nèi)桿行星運動環(huán)空流場計算求解方法36-39
• 3.3 數(shù)值結(jié)果的實驗驗證39-42
• 3.3.1 實驗裝置及條件39-40
• 3.3.2 數(shù)值模擬計算與實驗結(jié)果的對比40-42
• 第四章 內(nèi)桿公轉(zhuǎn)趨勢分析及其轉(zhuǎn)向?qū)Νh(huán)空流場影響的數(shù)值模擬42-57
• 4.1 內(nèi)桿僅自轉(zhuǎn)時偏心率對環(huán)空流場及流致公轉(zhuǎn)趨勢的影響42-46
• 4.1.1 內(nèi)桿偏心率對環(huán)空流場軸向速度的影響42-43
• 4.1.2 內(nèi)桿偏心率對環(huán)空流場切向速度的影響43-44
• 4.1.3 內(nèi)桿在不同偏心位置自轉(zhuǎn)時徑向運動趨勢分析44-45
• 4.1.4 內(nèi)桿在不同偏心位置自轉(zhuǎn)時切向運動趨勢分析45-46
• 4.2 內(nèi)桿僅自轉(zhuǎn)時轉(zhuǎn)速對環(huán)空流場及流致公轉(zhuǎn)趨勢的影響46-48
• 4.2.1 內(nèi)桿轉(zhuǎn)速對環(huán)空流場軸向速度的影響46
• 4.2.2 內(nèi)桿轉(zhuǎn)速對環(huán)空流場切向速度的影響46-47
• 4.2.3 內(nèi)桿以不同轉(zhuǎn)速自轉(zhuǎn)時徑向運動趨勢分析47
• 4.2.4 內(nèi)桿以不同轉(zhuǎn)速自轉(zhuǎn)時切向運動趨勢分析47-48
• 4.3 內(nèi)桿公轉(zhuǎn)及其轉(zhuǎn)向?qū)Νh(huán)空流場的影響分析48-55
• 4.3.1 內(nèi)桿公轉(zhuǎn)及其轉(zhuǎn)向?qū)Νh(huán)空流場軸向速度的影響48-50
• 4.3.2 內(nèi)桿公轉(zhuǎn)及其轉(zhuǎn)向?qū)Νh(huán)空流場切向速度及二次流的影響50-52
• 4.3.3 內(nèi)桿公轉(zhuǎn)及其轉(zhuǎn)向?qū)Νh(huán)空流場動態(tài)壓力的影響52-54
• 4.3.4 內(nèi)桿公轉(zhuǎn)對桿壁剪切應(yīng)力的影響54
• 4.3.5 內(nèi)桿公轉(zhuǎn)及其轉(zhuǎn)向?qū)U柱所受扭矩的影響54-55
• 4.3.6 內(nèi)桿公轉(zhuǎn)及其轉(zhuǎn)向?qū)Νh(huán)空流場軸向壓降的影響55
• 4.4 本章小結(jié)55-57
• 第五章 螺桿泵井采油工況下油管內(nèi)流場的數(shù)值模擬57-73
• 5.1 流體冪律特性對內(nèi)桿行星運動的環(huán)空流場的影響57-62
• 5.1.1 流體冪律特性對環(huán)空流場軸向速度的影響57-58
• 5.1.2 流體冪律特性對環(huán)空流場切向速度及二次流的影響58-60
• 5.1.3 流體冪律特性對環(huán)空流場軸向壓降的影響60-61
• 5.1.4 流體冪律特性對桿柱所受扭矩的影響61-62
• 5.2 桿管自轉(zhuǎn)速度對內(nèi)桿行星運動的環(huán)空流場的影響62-64
• 5.2.1 內(nèi)桿自轉(zhuǎn)速度對環(huán)空流場軸向速度的影響62
• 5.2.2 內(nèi)桿自轉(zhuǎn)速度對環(huán)空流場切向速度及二次流的影響62-63
• 5.2.3 內(nèi)桿自轉(zhuǎn)速度對環(huán)空流場靜態(tài)壓力分布的影響63
• 5.2.4 內(nèi)桿自轉(zhuǎn)速度對環(huán)空流場軸向壓降的影響63-64
• 5.2.5 內(nèi)桿自轉(zhuǎn)速度對桿柱所受扭矩的影響64
• 5.3 桿管公轉(zhuǎn)速度對內(nèi)桿行星運動的環(huán)空流場的影響64-66
• 5.3.1 內(nèi)桿公轉(zhuǎn)速度對環(huán)空流場軸向速度的影響64-65
• 5.3.2 內(nèi)桿公轉(zhuǎn)速度對環(huán)空流場切向速度及二次流的影響65
• 5.3.3 內(nèi)桿公轉(zhuǎn)速度對環(huán)空流場靜態(tài)壓力分布的影響65-66
• 5.3.4 內(nèi)桿公轉(zhuǎn)速度對環(huán)空流場軸向壓降的影響66
• 5.3.5 內(nèi)桿公轉(zhuǎn)速度對桿柱所受扭矩的影響66
• 5.4 桿管偏心度對內(nèi)桿行星運動的環(huán)空流場的影響66-70
• 5.4.1 內(nèi)桿偏心度對環(huán)空流場軸向速度的影響67-68
• 5.4.2 內(nèi)桿偏心度對環(huán)空流場切向速度及二次流的影響68-69
• 5.4.3 內(nèi)桿偏心度對環(huán)空流場靜態(tài)壓力分布的影響69-70
• 5.4.4 內(nèi)桿偏心度對環(huán)空流場軸向壓降的影響70
• 5.4.5 內(nèi)桿偏心度對桿柱所受扭矩的影響70
• 5.5 本章小結(jié)70-73
• 第六章 鉆井工況下流體攜巖特性的數(shù)值模擬73-85
• 6.1 鉆桿公轉(zhuǎn)及其轉(zhuǎn)向?qū)箔h(huán)空流體攜巖特性的影響73-75
• 6.1.1 鉆桿公轉(zhuǎn)及其轉(zhuǎn)向?qū)箔h(huán)空巖屑顆粒分布的影響73-74
• 6.1.2 鉆桿公轉(zhuǎn)及其轉(zhuǎn)向?qū)箔h(huán)空巖屑顆粒切向速度的影響74-75
• 6.2 巖屑粒徑對井筒環(huán)空流體攜巖特性的影響75-78
• 6.2.1 巖屑粒徑對井筒環(huán)空巖屑顆粒分布的影響76-77
• 6.2.2 巖屑粒徑對井筒環(huán)空巖屑顆粒軸向速度的影響77-78
• 6.3 鉆桿轉(zhuǎn)速對井筒環(huán)空流體攜巖特性的影響78-80
• 6.3.1 鉆桿轉(zhuǎn)速對井筒環(huán)空巖屑顆粒分布的影響78-79
• 6.3.2 鉆桿轉(zhuǎn)速對井筒環(huán)空巖屑顆粒切向速度的影響79-80
• 6.4 鉆桿偏心度對井筒環(huán)空流體攜巖特性的影響80-83
• 6.4.1 鉆桿偏心度對井筒環(huán)空巖屑顆粒分布的影響80-81
• 6.4.2 鉆桿偏心度對井筒環(huán)空巖屑顆粒軸向速度的影響81-82
• 6.4.3 鉆桿偏心度對井筒環(huán)空巖屑顆粒切向速度的影響82-83
• 6.5 本章小結(jié)83-85
• 結(jié)論85-86
• 參考文獻(xiàn)86-92
• 發(fā)表文章目錄92-94
• 致謝94-95

【相似文獻(xiàn)】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前6條

1 崔海清;張淑云;修德艷;蔡萌;;流體在內(nèi)管做行星運動的環(huán)空中流動的壓力梯度[J];中國石油大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版);2008年06期

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3 張淑云;粘彈性流體在內(nèi)管做行星運動的環(huán)空中流動的二次流[D];大慶石油學(xué)院;2008年

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本文編號：653998