基于fluent模擬技術(shù)的機(jī)電設(shè)備優(yōu)化分析

史召峰

（安徽工業(yè)經(jīng)濟(jì)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 合肥 230051）

基于fluent模擬技術(shù)的機(jī)電設(shè)備優(yōu)化分析

史召峰

（安徽工業(yè)經(jīng)濟(jì)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 合肥 230051）

機(jī)電設(shè)備是國民經(jīng)濟(jì)中重要的物質(zhì)基礎(chǔ)，其性能的優(yōu)化與效率的提高有著極佳的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效益。文章以欠平衡鉆井技術(shù)中，用于替代套管閥的凍膠流體為例。根據(jù)基本的計(jì)算方程，采用專業(yè)的fluent軟件進(jìn)行仿真建模，并設(shè)置了網(wǎng)格與邊界條件。通過模擬計(jì)算，結(jié)合受力情況得出優(yōu)化分析的結(jié)果。

機(jī)電設(shè)備；fluent模擬；網(wǎng)格邊界

從廣義上來說，設(shè)備是指人們在生產(chǎn)和生活中所需要的機(jī)械、裝置和設(shè)施等物質(zhì)資料的總稱。而機(jī)電設(shè)備則是在傳統(tǒng)設(shè)備的基礎(chǔ)上，加入了機(jī)械、電子等技術(shù)，其中機(jī)械設(shè)備是機(jī)電設(shè)備中最重要的組成部分。機(jī)電設(shè)備的種類較多，以工業(yè)類生產(chǎn)加工設(shè)備為主，主要應(yīng)用于廠礦企業(yè)，并逐步朝著精密化、數(shù)字化和智能化的方向發(fā)展。

Fluent是一款專業(yè)化的CFD分析軟件，于1983年由美國著名的Creare公司研發(fā)問世，擁有豐富的物理模型和先進(jìn)的數(shù)值方法，深受全球用戶的青睞。軟件基于有限容積法，包含了結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化兩種版本，容納了ANSYS、ICEMCFD 及PATRAN等專門的網(wǎng)格生成軟件。容納多種湍流模型，能夠計(jì)算定常與非定常、可壓縮與不可壓縮流動，以及模擬蒸發(fā)、燃燒等多種過程。無論是航空航天、石油化工，還是機(jī)械冶金、生物醫(yī)藥領(lǐng)域，F(xiàn)luent軟件均有著較好的模擬仿真效果［1］。

1 欠平衡鉆井套管閥替代技術(shù)簡介

欠平衡鉆井技術(shù)是石油化工工業(yè)的一項(xiàng)重點(diǎn)配套技術(shù)，對于低壓油氣藏的勘探開發(fā)具有十分重要的意義。在欠平衡鉆進(jìn)和帶壓起下鉆中，主要采用套管閥技術(shù)，用以完成下篩管及完井過程。而在實(shí)際工況中，套管閥的應(yīng)用存在工藝較為復(fù)雜、作業(yè)周期較長、費(fèi)用高等問題，并且在使用過程中易出現(xiàn)套管閥無法正常開關(guān)或關(guān)閉不嚴(yán)等問題，一旦失效則無補(bǔ)救措施，導(dǎo)致全程欠平衡無法完全實(shí)現(xiàn)。

利用化學(xué)方法在井筒中形成能起封隔作用、具有一定耐壓性能的凍膠段塞，將上部壓井液與油層進(jìn)行有效的隔離而保護(hù)油氣層。不僅能夠保證完井過程中起下鉆安全、順利地完成，還可以實(shí)現(xiàn)鉆井、完井全過程的欠平衡目的［2］。采用Fluent軟件模擬在凍膠中下篩管過程，加強(qiáng)在管柱起下過程中凍膠的運(yùn)動形態(tài)研究，分析阻力的實(shí)際來源情況，探索減小阻力的辦法，從而合理控制下篩管過程所需的動力。

2 基本方程與模型

2.1 基本計(jì)算方程簡介

從某種意義上，可以認(rèn)為所有的真實(shí)材料都是粘彈性的。也就是說，在一切材料中，粘性和彈性是共存的。線性粘彈的數(shù)學(xué)理論建立在Boltzmann疊加原理基礎(chǔ)上。根據(jù)這一原理，任一時(shí)刻的應(yīng)變響應(yīng)與起始的應(yīng)力值成正比，得到線性粘彈本構(gòu)方程的一般形式：

根據(jù)管柱啟下過程中凍膠閥流體的流動規(guī)律，流動狀態(tài)可按不可壓縮、層流流動狀態(tài)處理。建立該物理過程的連續(xù)方程、動量方程分別為：

連續(xù)方程：

動量方程：

2.2 數(shù)學(xué)仿真模型

圖1 仿真空間區(qū)域

圖1為簡化后的割縫篩管幾何模型，在管柱上沿圓周均勻分布24條篩縫，而在管柱的長方向篩縫間距為20mm，頂部為半球形頭部。根據(jù)計(jì)算的要求及初步的仿真模擬分析，在頭部后選擇兩段作為計(jì)算的對象即能滿足對篩管啟下過程中不同部位流場以及受力分析的要求。在下篩管過程中，流體在井筒和篩管間隙以及篩管內(nèi)部非固體空間內(nèi)流動，得到數(shù)值仿真的空間區(qū)域。篩管的結(jié)構(gòu)參數(shù)選擇見表1。

表1 管柱結(jié)構(gòu)及尺寸

3 網(wǎng)格與邊界條件

3.1 網(wǎng)格劃分原則

計(jì)算網(wǎng)格數(shù)目的大小影響著計(jì)算的時(shí)間和精度，對微分方程的求解給出的是近似解，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的數(shù)目應(yīng)該足夠大。直到隨著網(wǎng)格數(shù)目的增加，計(jì)算結(jié)果不再有顯著的變化為止。計(jì)算網(wǎng)格的劃分影響著計(jì)算收斂速度的快慢，應(yīng)當(dāng)遵循一定的原則和方法［3］。在梯度大的地方，網(wǎng)格必須保證足夠細(xì)密。同時(shí)盡量減少梯度小的地方的網(wǎng)格數(shù)，把網(wǎng)格合理的分布在梯度大的地方，以便增加計(jì)算的精度和減少工作量。

生成網(wǎng)格為規(guī)則的正方體單元是最佳的，并根據(jù)計(jì)算對象的實(shí)際尺寸大小選取相應(yīng)的網(wǎng)格間距。在滿足網(wǎng)格足夠細(xì)密的基礎(chǔ)上，盡量減少網(wǎng)格數(shù)量，以減少計(jì)算量，提高收斂的穩(wěn)定性。本研究采用TGrid網(wǎng)格劃分工具實(shí)現(xiàn)計(jì)算模型的網(wǎng)格劃分。圖2為其中一種篩管計(jì)算時(shí)的網(wǎng)格分布，網(wǎng)格數(shù)約為600000個，其經(jīng)過多重網(wǎng)格法驗(yàn)證在該數(shù)目下計(jì)算結(jié)果實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)格無關(guān)性。

圖2 篩管網(wǎng)格劃分

3.2 邊界條件設(shè)置

對管柱啟下過程的仿真需要確定所簡化的仿真物理模型的邊界條件。分析管柱啟下過程看出，在管柱運(yùn)動過程中其附近的凍膠閥流體由于粘性的作用形成相應(yīng)的速度場，根據(jù)對計(jì)算區(qū)域內(nèi)各個邊界的定義，而在管柱未下至的位置凍膠閥流體則因下部油氣的支撐不會發(fā)生流動。表2給出了各個邊界定義在計(jì)算流體力學(xué)里的意義及相應(yīng)的取值。

表2 邊界條件

4 模擬結(jié)果與分析

4.1 管柱受力情況

在井筒壁與管柱壁之間由于間距太小而流體粘度很大無法形成環(huán)流，在下管柱過程中外部的流體將在管柱的帶動下流向井底，這與實(shí)驗(yàn)中所觀測到的現(xiàn)象是一致的；由于速度梯度非常大，將會給管柱產(chǎn)生較大的外壁粘性摩擦力。而在管柱內(nèi)部，由于有足夠的空間，相應(yīng)的速度梯度必然減小，內(nèi)壁的粘性摩擦力將會大大小于外壁上所產(chǎn)生的力。同時(shí)由于流體連續(xù)性的要求，管柱所帶動向下的凍膠流體將會通過管柱中央位置向上流出，實(shí)現(xiàn)流量平衡。

圖3 粘度為10、速度為0.1時(shí)仿真結(jié)果

圖3是粘度為10、速度為0.1時(shí)仿真結(jié)果，在管柱與井筒之間由于間距太小，速度由管柱壁面0.1m/s依次減小到井筒壁面的0，形成達(dá)14/s的速度梯度，將會給壁面較大的摩擦力；而在內(nèi)側(cè)由于有足夠的空間，其速度梯度較小，所產(chǎn)生的摩擦力已較??；繼續(xù)向中軸方向出現(xiàn)了管柱速度相反方向的流動。被管柱所帶動向下的流體將會由中軸附近向上流出。在壓力圖中，管柱頂端位置出現(xiàn)局部的較高壓力分布區(qū)域。

4.2 篩管受力情況

篩管壁附近的流體在下放速度的帶動下向下流動，由于間隙很小而在篩管壁和井筒壁之間形成了較大的速度梯度，壓力變化情況較大，頭部附近流體以逆時(shí)針方向回流向上運(yùn)動。這些因素綜合導(dǎo)致篩縫位置流體在較大的壓力驅(qū)動下通過篩縫以較高的速度向篩管內(nèi)部流動，在篩管內(nèi)部由于有較大的空間而形成了速度梯度非常小的順時(shí)針環(huán)流。篩管外側(cè)壓力值和梯度值較大，內(nèi)側(cè)非常小，其原因決定于流動的特征。從圖4可以看出，由于篩管與井筒之間的小間距，外壁面摩擦力占據(jù)了絕對主導(dǎo)的作用，內(nèi)部的摩擦力相對較小，在總力中所占比例不足1/10。

4.3 結(jié)果分析

從仿真模擬結(jié)果可以看出，管柱、篩管在下放的過程中，所受力大小與凍膠流體的粘度和管柱下放速度成正比，呈線性增長的趨勢。對小直徑管柱而言，其內(nèi)外壁面附近流場速度梯度均較小，產(chǎn)生的粘性力相差不大且管柱所受總力較小。隨著管柱尺寸的增加，外壁流場速度梯度迅速增大，所產(chǎn)生的力在總力中占據(jù)主導(dǎo)地位。篩管由于其大尺寸的特點(diǎn)受力均較大，篩縫增大可以一定程度上減小阻力。同時(shí)，管柱接頭會影響與其相連管柱的受力，較大幅度增加阻力的值。該項(xiàng)技術(shù)的研究超過，為改善油田鉆井開采的效果、提高采收率，提供了可靠、有效的技術(shù)保障。

圖4 速度為0.1m/s時(shí)不同粘度摩擦力分布

［1］王道斌，趙文利.基于FLUENT的制動管路流阻特性分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化［J］.機(jī)電工程，2012（10）：1171-1174.

［2］周偉.有機(jī)鉻凍膠暫堵劑的研制及應(yīng)用性能［J］.斷塊油氣田，2010（7）：472-476.

［3］王家楣，肖國權(quán).分解爐內(nèi)氣固兩相流場不同模型模擬結(jié)果分析［J］.海軍工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2005（3）：3-8.

Optimization of mechanical and electrical equipment based on fluent simulation technology

SHI Zhao-Feng
（Anhui Technical College of Industry and Economy，HefeiAnhui 230051）

The mechanical and electrical equipment is an important material foundation of national economy，and its performance optimization and efficiency improvement has excellent technical and economic benefits.This paper uses the basic calculation equation，using the FLUENT software to simulate the model，and set up the grid and boundary conditions.

Mechanical and electrical equipment；fluent simulation；grid boundary

TU85

A

10.3969/j.issn.1672-7304.2015.04.064

1672-7304（2015）04-0133-03

安徽省省級教學(xué)研究項(xiàng)目（2014jyxm559）。

（責(zé)任編輯：張時(shí)瑋）

史召峰（1978-），男，安徽合肥人，講師，研究方向：CAD/CAM/CAE技術(shù)。