基于CFD單流閥結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

廖文玲

摘要：采用SolidWorks建立DF65-105型單流閻流道模型.并基于CFD軟件仿真分析在不同開度下流體介質(zhì)對單流閥的沖蝕影響，繼而對DF65-105型單流閻的流道結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。研究結(jié)果表明：當(dāng)單流閥的開度在10%～80%范圍內(nèi)時，隨開度的增加，單流閥壓降逐漸降低，但開度為60%～80%時泥漿流體對單流閥殼體的沖蝕作用將大于開度為10%～50%的情況;此外，當(dāng)單流閻的開度為60%時，傾角為55。的結(jié)構(gòu)更有利于減輕泥漿對單流閥殼體的沖蝕作用。

關(guān)鍵詞：單流閥;CFD仿真：沖蝕：結(jié)構(gòu)優(yōu)化

中圖分類號：TE931文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-5383（2019）03-0001-05

在鉆井或井下注水作業(yè)過程中，單流閥通常安裝在高壓管匯上，當(dāng)向井底注入液體時，高壓的液體介質(zhì)從人口進入單流閥。當(dāng)注水井停止注水或停鉆時，由于單流閥的單向流通工作機理，可以阻止高壓水逆流而引起砂埋井下工具現(xiàn)象，因此，單流閥的使用壽命對鉆井或注水作業(yè)的順利開展具有重要意義。然而由于井下工作環(huán)境復(fù)雜，單流閥極易因閥口快速沖蝕等問題而失效。結(jié)合實際工況參數(shù)，對單流閥結(jié)構(gòu)進行設(shè)計或?qū)υ袉瘟鏖y結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化以減緩單流閥的失效速率、延長其使用壽命是單流閥在設(shè)計研究時需要解決的重要問題。

馮永江等針對彈簧式油井單流閥使用壽命短、操作不安全等問題，研制出新型油井單流閥，實驗結(jié)果表明，相較于彈簧式單流閥，新型單流閥使用壽命有較大提升。袁維漢等針對注水井口單流閥存在的缺陷，從耐壓程度、維修、過濾等方面進行了改進設(shè)計，結(jié)果表明，新型高壓注水井單流閥可以較好解決老式單流閥易失效、截壓和不耐高壓等問題。為滿足不連續(xù)油管不壓井作業(yè)的工況，雷德榮在參考現(xiàn)有球閥單流閥的基礎(chǔ)上對連續(xù)油管不壓井作業(yè)情況下注汽單流閥的結(jié)構(gòu)進行了設(shè)計，所設(shè)計的單流閥能夠滿足相應(yīng)使用要求。黃建波等針對傳統(tǒng)單流閥使用壽命短、密封件容易失效等問題，設(shè)計了雙導(dǎo)向新型結(jié)構(gòu)單流閥，實驗結(jié)果指出，新型單流閥可靠性、穩(wěn)定性均有較大幅度提高，使用壽命也大大延長。王磊等則針對大斜度偏空井單流閥進行了設(shè)計。郭銳鋒針對特稠油開采過程中涉及注水、注氣等作業(yè)要求設(shè)計了相應(yīng)的注水注氣單流閥，現(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果表明該單流閥能夠滿足注水、注氣等生產(chǎn)要求。王甲昌等針對鉆完井作業(yè)使用浮閥存在壽命短和失效率較高等問題，設(shè)計了一種自衡式單流閥，以滿足碳酸鹽巖超深水平井完井管柱配置、壓裂、酸化等施工要求。而針對單流閥流道的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，程心平等為提高注水井單流閥的工作性能和使用壽命，結(jié)合CFD對單流閥的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，得到閥口傾角為30°、閥口開度為0.8mm的最優(yōu)閥口結(jié)構(gòu)參數(shù)。韓錫鵬等針對潛油泵機組中單流閥易出現(xiàn)沖蝕的問題，在建立單流閥仿真模型的基礎(chǔ)上運用Fluent進行流場分析，并基于此對單流閥結(jié)構(gòu)進行改進，改進后單流閥防沖蝕效果得到了明顯改善。

綜上所述，針對單流閥在使用過程中存在的問題，研究人員開展了大量研究工作以延長單流閥使用壽命。但研究人員主要是結(jié)合實際工況而設(shè)計滿足一定要求的單流閥，所設(shè)計的單流閥并不具有普遍適用性。因此，本文從單流閥沖蝕磨損引起其失效的角度出發(fā)，以DF65-105單流閥（根據(jù)AP116C和APl6A標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)所設(shè)計）為研究對象，基于CFD流體仿真軟件分析單流閥在不同開度下的沖蝕情況，并結(jié)合仿真分析結(jié)果對DF65-105單流閥流體通道結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，為基于流道結(jié)構(gòu)優(yōu)化而延長單流閥使用壽命的深入研究提供基礎(chǔ)。

1模型的建立

1.1單流閥結(jié)構(gòu)

DF65-105型單流閥的結(jié)構(gòu)見圖1，其主要由閥體、閥蓋、密封墊環(huán)、襯套、導(dǎo)向筒、閥芯、彈簧和閥座組成。如圖1所示，由于閥座與閥芯間的相互作用，在一定流體介質(zhì)壓力下.閥芯只能由如圖1中所示往上運動，達到一定的開度，而不能往下超過閥座所處的位置，繼而實現(xiàn)流體介質(zhì)的單向運動。對于本文所研究的DF65-105型單流閥，其公稱直徑為65mm，工作壓力為105MPa。

1.2計算模型及邊界條件

由于本文主要研究流體介質(zhì)對單流閥沖蝕的影響，因此，對于圖1中的單流閥，可僅僅通過建立單流閥流道模型來進行分析，如圖2所示，即為DF65-105單流閥的內(nèi)部流場示意圖。對于如圖2所示的單流閥的內(nèi)部流場，其出人口直徑均為D=65mm。

根據(jù)CFD軟件仿真分析的要求，對流動參數(shù)變化較大的區(qū)域，如：閥口收縮段、流動的換隙等地方，必須進行適當(dāng)加密網(wǎng)格。因此，對于圖2所示的單流閥內(nèi)部流場，本文采用四面體網(wǎng)格劃分整個計算流域，并對閥芯周圍流域處網(wǎng)格進行加密處理，共生成299947個網(wǎng)格，57708個網(wǎng)格節(jié)點，生成的網(wǎng)格模型，如圖3所示。

在流體動力學(xué)仿真分析中，邊界條件是仿真分析的重要因素。對于本文研究的單流閥，根據(jù)其應(yīng)用場合：液體介質(zhì)流量為90.16m³/h、出口壓力為70Mpa，可計算得到單流閥人口流體的速度為7.55m/s，因此，仿真分析時，設(shè)計單流閥入口流體介質(zhì)的速度為7.55m/s、出口壓力為70Mpa。此外，由于本文計算域模擬的為泥漿，繼而選用的流體介質(zhì)密度與泥漿相同，為1100kg/m³，運動黏度為0.015kg/ms^-1。

1.3數(shù)學(xué)模型

模擬求解湍流流動目前最基本和應(yīng)用最廣泛的是標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，它是在湍動能k程的基礎(chǔ)上引入湍流耗散率ε的方程而形成的，因其計算穩(wěn)定性及可靠的計算精度而被廣泛應(yīng)用于工程流體和傳熱分析中。但標(biāo)準(zhǔn)k-ε方程推導(dǎo)過程中假設(shè)湍流為各向同性的均勻湍流，在計算旋流等非均勻湍流問題是存在較大的誤差且忽略了分析黏性所帶來的影響，僅適用于高雷諾數(shù)湍流運動。

針對單流閥閥芯處流體的湍流運動，考慮到標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型用于強旋流或有彎曲壁面的流動時會出現(xiàn)失真，因此應(yīng)用改進后的RNGk-ε模型，RNGk-ε模型方程可表示為：

2結(jié)果與討論

不同開度下所計算得到的單流閥壓降值，如表1所示。單流閥在不同開度下的進出口壓降變化規(guī)律，如圖4所示。

從圖4中可以看出.開度在10%～20%時.隨開度的增加，壓降快速下降;開度在20%～40%時，壓降基本保持不變;而當(dāng)開度增加到40%～80%時，壓降隨開度的增加又呈線性下降趨勢。因此，在整個不同開度的范圍內(nèi)，開度越小，閥芯對介質(zhì)的阻力越大，繼而閥前后產(chǎn)生的壓降越大，流體介質(zhì)的能耗損失也就越大。而不同開度下泥漿流體介質(zhì)在單流閥流道內(nèi)的速度云圖，如圖5所示。

從圖5中可以看出，在所分析的8種不同開度下，整個流道區(qū)域內(nèi)，閥芯出口處傾斜流道的流體運動速度均大于其他區(qū)域的流體運動速度。而流體速度矢量分布圖，如圖6所示，泥漿流速越大，通過單流閥節(jié)流口后形成的高速流體沖向殼體的沖擊也就越大;由于泥漿中顆粒物質(zhì)的存在，對殼體產(chǎn)生的切削作用將很快擊穿殼體壁，使得單流閥失效。因此，從不同開度下的速度云圖5可知，單流閥閥芯出口處傾斜區(qū)域的流道將是沖蝕最明顯的部分。此外，由圖5速度云圖也可知，當(dāng)開度為60%～80%時，流體在流道內(nèi)局部區(qū)域的流速更大，且更靠近流道壁面，因此，當(dāng)單流閥的開度為60%～80%時，流道內(nèi)流體對壁面的沖蝕將大于開度為10%～50%的情況。

由圖5中速度云圖的分析已知：當(dāng)單流閥的開度為60%～80%時，單流閥閥芯出口處傾斜流道內(nèi)壁面的沖蝕將大于開度為10%-50%的情況。因此，為了對單流閥的流道結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，本文選擇開度為60%時的情況來進行研究。單流閥閥芯出口處傾斜流道角度分別為48、50、53和55°時流道內(nèi)泥漿的速度矢量圖，如圖7所示。

從圖7可知，當(dāng)單流閥閥芯出口處流道傾斜角度由48°增加至55°時，泥漿流動方向在流道角度為55°時發(fā)生了明顯改變，泥漿流體在通過閥芯后，其流動方向沿著單流閥末端表面的切線方向射出。繼而，當(dāng)流體流動的切線方向與單流閥殼體的中軸線平行時，可減輕高速泥漿流體對單流閥殼體的沖蝕，延長單流閥的使用壽命。此外，從流體運動的流線圖也可知，當(dāng)傾斜流道角度為55°時，流線基本是沿閥芯的弧形斜面進入下閥腔，繼而表明流體流動的方向與閥芯的結(jié)構(gòu)形式基本一致.閥芯的結(jié)構(gòu)對泥漿流體的流向起導(dǎo)向作用，因此，對閥芯結(jié)構(gòu)的改進有重要的指導(dǎo)作用。

所以，由圖7的結(jié)論可知，在對單流閥流道進行設(shè)計時不宜讓單流閥閥芯流人通道和流出通道拐彎過大，這樣可以盡可能減輕泥漿對單流閥的沖蝕磨損。

3結(jié)論

本文通過建立DF65-105型單流閥流道模型，并基于CFD軟件仿真分析了泥漿流體對單流閥沖蝕的影響，繼而在此基礎(chǔ)上對單流閥流道結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，以減輕泥漿對單流閥殼體的沖蝕作用、延長其使用壽命，仿真研究結(jié)果可得出以下結(jié)論：

1）在10%～80%的開度范圍內(nèi)，隨單流閥的開度增加，對應(yīng)的泥漿流體壓降逐漸減小，但開度為60%～80%時泥漿流體對單流閥殼體的沖蝕作用將大于開度為10%50%的工況：

2）在單流閥的開度為60%工況下，當(dāng)閥芯出口處的傾斜通道角度分別為48、50、53和55°時，55°的傾角結(jié)構(gòu)更有利于減輕泥漿對單流閥殼體的沖蝕作用。因此，對單流閥流道進行設(shè)計時應(yīng)盡量避免閥芯人口處流道和出口處流道拐彎過大。