油井管氣動(dòng)通徑過程數(shù)值模擬研究*

陳 文，涂德浴，胡曉磊

(安徽工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，安徽 馬鞍山 243002)

0 引言

隨著油田開采深度的不斷增加，對(duì)油井管的材料性能、制造精度等提出了更高的要求。在制造檢驗(yàn)環(huán)節(jié)需要對(duì)油井管進(jìn)行嚴(yán)格的管道通徑檢驗(yàn)，以確保油井管的直線度和圓度能達(dá)到下井標(biāo)準(zhǔn)[1]，利用規(guī)定尺寸的通徑規(guī)穿過油井管的方式來判斷油井管的質(zhì)量是否達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。目前通徑方式主要有機(jī)械通徑和氣動(dòng)通徑，與機(jī)械通徑相比，氣動(dòng)通徑具有通徑效率高、能源清潔和占地面積小的優(yōu)點(diǎn)。隋健等[2]采用氣泵供氣方式進(jìn)行通徑檢驗(yàn)，雖然通徑效率高、經(jīng)濟(jì)環(huán)保，但是氣泵需反復(fù)運(yùn)轉(zhuǎn)，發(fā)熱量大，由于采用前后通徑槍回收通徑規(guī)，對(duì)通徑槍腔體造成了一定的沖擊損傷，降低了設(shè)備的使用壽命?？苡罉返萚3]考察了市場上通徑機(jī)的類型，采用壓縮空氣作為動(dòng)力源，解決了氣泵發(fā)熱量大的問題。鄧發(fā)明等[4]針對(duì)寶鋼原氣動(dòng)通徑機(jī)存在的問題進(jìn)行分析，將體型笨重、安裝復(fù)雜的后通徑槍更換成一種可替換聚氨酯板的緩沖裝置。通過上述文獻(xiàn)可以看出，目前對(duì)油井管通徑檢驗(yàn)的研究主要集中在通徑機(jī)配套設(shè)備的改進(jìn)優(yōu)化上，但是油井管在通徑過程中會(huì)受到多重因素的影響，造成通徑規(guī)的出管速度過快而產(chǎn)生過大的沖擊力，對(duì)緩沖設(shè)備造成破壞。

本文以氣動(dòng)通徑機(jī)為物理模型，利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件Fluent進(jìn)行數(shù)值模擬，分析氣源壓力、噴嘴口徑等對(duì)通徑規(guī)在油井管內(nèi)運(yùn)動(dòng)的影響，為氣動(dòng)通徑機(jī)的改進(jìn)優(yōu)化提供參考。

1 氣動(dòng)通徑模型的建立

在實(shí)際通徑中，油井管的整體長度一般可達(dá)數(shù)十米，通徑規(guī)與油井管都為圓柱體，配合間隙保持在2 mm～3 mm之間。本文將氣動(dòng)通徑模型簡化成二維軸對(duì)稱，數(shù)值模型長度縮短為4 m，并添加軸對(duì)稱(Axisymmetric)條件，使模擬結(jié)果具有三維特征，建立的氣動(dòng)通徑模型如圖1所示。其余通徑參數(shù)如下：管徑為40.9 mm，通徑規(guī)長度為1 067 mm，通徑規(guī)直徑為38.51 mm，通徑規(guī)質(zhì)量為4 kg，噴嘴口徑為18.92 mm，氣源壓力為0.6 MPa，外部計(jì)算區(qū)域?yàn)橐粋€(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。

圖1 氣動(dòng)通徑模型

計(jì)算網(wǎng)格全部采用四邊形，共有50萬個(gè)網(wǎng)格單元，氣動(dòng)通徑網(wǎng)格模型如圖2所示。噴嘴設(shè)置成壓力入口，外場區(qū)域設(shè)置成壓力出口，運(yùn)動(dòng)區(qū)域與靜止區(qū)域交界處設(shè)置成Interface，其余都設(shè)置成壁面。流體介質(zhì)選擇ideal-gas，壁面的材料為Steel。離散格式選擇二階迎風(fēng)，湍流模型選用適合完全湍流流動(dòng)的重整化群RNGk-e兩方程模型[5]。

圖2 氣動(dòng)通徑網(wǎng)格模型

2 動(dòng)網(wǎng)格和6DOF

為了實(shí)現(xiàn)通徑規(guī)在油井管內(nèi)的仿真移動(dòng)，需要用到動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)，該技術(shù)可用來模擬由于流體域邊界剛性運(yùn)動(dòng)或者邊界變形引起的流體域形狀隨時(shí)間變化的流動(dòng)問題[6]。將整個(gè)計(jì)算區(qū)域分成靜止區(qū)域和動(dòng)網(wǎng)格運(yùn)動(dòng)區(qū)域，并將兩個(gè)區(qū)域面的上下和末端邊界處設(shè)置成Interface，這樣不僅可以實(shí)現(xiàn)通徑規(guī)的仿真運(yùn)動(dòng)，而且不會(huì)影響流體在區(qū)域之間的流動(dòng)。6DOF模型用來計(jì)算剛體在流體作用下的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征，例如速度、力矩等。在Fluent 18.0版本以后可以直接輸入相應(yīng)參數(shù)，不用編譯UDF文件。

Fluent軟件中提供了4種控制邊界運(yùn)動(dòng)的方式，分別是Stationary、Rigid Body、Deforming以及User Defined。將運(yùn)動(dòng)區(qū)域和通徑規(guī)設(shè)置成Rigid Body，對(duì)運(yùn)動(dòng)區(qū)域開啟Passive；將入口和動(dòng)靜交界區(qū)域末端設(shè)置成Stationary，并設(shè)置網(wǎng)格每次更新的高度(Cell Hight)。

3 模擬結(jié)果與討論

3.1 管內(nèi)流場分析

對(duì)油井管進(jìn)行管道通徑檢驗(yàn)，壓縮空氣經(jīng)過噴嘴自由射流作用于通徑規(guī)端面，從而推動(dòng)其穿過鋼管，完成管道檢驗(yàn)。通徑規(guī)在管內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)的流場變化情況如圖3所示。

從圖3可以看到：氣流從噴嘴射流而出，迅速?zèng)_擊在通徑規(guī)的端面產(chǎn)生推力，同時(shí)氣流開始向兩側(cè)鋪展，在鋼管內(nèi)壁處發(fā)生回轉(zhuǎn)，逐漸形成渦流；鋪展開的氣流會(huì)有部分進(jìn)入通徑規(guī)與油井管的間隙內(nèi)，這種從大口到小口的過程使得氣流速度增加，隨著通徑規(guī)的移動(dòng)，渦內(nèi)的氣流開始有部分進(jìn)入間隙內(nèi)；間隙內(nèi)的氣流經(jīng)過加速后，再次從小口到大口，形成了雙側(cè)附壁射流；伴隨著位移的增加，在通徑規(guī)前端開始出現(xiàn)不同程度的回流和渦流，一方面是由于附壁射流的存在，另一方面是管道兩端的壓差，這種流場變化會(huì)一直伴隨整個(gè)通徑過程，對(duì)通徑規(guī)的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生阻礙。

圖3 氣動(dòng)通徑管內(nèi)流場結(jié)構(gòu)

3.2 氣源壓力和噴嘴口徑的影響

3.2.1 氣源壓力的影響

氣源壓力作為通徑規(guī)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力源，影響著油井管的通徑檢驗(yàn)效率，因此，調(diào)節(jié)到合適的氣源壓力值對(duì)整個(gè)通徑檢驗(yàn)過程至關(guān)重要。本文選取0.4 MPa、0.5 MPa、0.6 MPa、0.7 MPa四種氣源壓力，考察不同氣源壓力對(duì)通徑規(guī)運(yùn)動(dòng)的影響程度，模擬結(jié)果如圖4所示。

由圖4(a)可以看出：在相同位移下，隨著氣源壓力的上升，通徑規(guī)出管速度也隨之增加，當(dāng)氣源壓力為0.4 MPa時(shí)，通徑規(guī)的出管速度最高為8 m/s；當(dāng)氣源壓力為0.7 MPa時(shí)，通徑規(guī)的出管速度最高為18 m/s左右，比氣源壓力為0.4 MPa時(shí)上升了125%。

由圖4(b)可以看到：噴嘴入口處氣流變化整體趨勢基本一致，在氣流噴射瞬間，壓力越大氣流波動(dòng)幅度越大，速度增長曲線也更陡峭，通徑規(guī)端面受到的射流沖擊越強(qiáng)。

圖4 不同氣源壓力下的模擬結(jié)果

3.2.2 噴嘴口徑的影響

為了研究氣動(dòng)通徑過程中噴嘴口徑對(duì)通徑規(guī)運(yùn)動(dòng)的影響，本文選取18.92 mm、20.92 mm、22.92 mm和24.92 mm四種不同噴嘴口徑，考察了不同噴嘴口徑對(duì)通徑規(guī)運(yùn)動(dòng)的影響，模擬結(jié)果如圖5所示。

由圖5(a)可以看出：噴嘴口徑的變化對(duì)通徑規(guī)運(yùn)動(dòng)影響較小，當(dāng)噴嘴口徑為18.92 mm時(shí)，通徑規(guī)的出管速度最高為17.2 m/s；當(dāng)噴嘴口徑為24.92 mm時(shí)，通徑規(guī)出管速度最高為17.7 m/s，比噴嘴口徑18.92 mm時(shí)增加了2.9%。

由圖5(b)可以看出：不同的噴嘴口徑下，氣流初始速度差異較大，但隨著射流軸線位移的增加，氣流速度逐漸會(huì)趨于一致；噴嘴口徑為18.92 mm時(shí)，氣流初始速度為120 m/s，在軸線位移0.3 m處，氣流速度下降到30 m/s，這種速度差異會(huì)對(duì)通徑規(guī)的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性造成一定影響；噴嘴口徑為24.92 mm時(shí)，射流軸線上的速度變化則較為平緩。

圖5 不同噴嘴口徑下的模擬結(jié)果

4 結(jié)論

通過上述研究分析，得出以下結(jié)論：

(1)噴射流作為前作動(dòng)力應(yīng)用于油井管的通徑檢驗(yàn)，不僅提高了通徑效率，而且氣源清潔、節(jié)能環(huán)保。

(2)氣流經(jīng)過狹長的間隙后，速度會(huì)有顯著增加，并形成附壁射流，隨著通徑規(guī)的移動(dòng)在其前端會(huì)有渦流產(chǎn)生，造成了運(yùn)動(dòng)阻礙。

(3)氣源壓力對(duì)通徑過程影響較大，調(diào)節(jié)到合適的壓力可以兼顧通徑效率和出管速度；噴嘴口徑的影響主要體現(xiàn)在運(yùn)動(dòng)初期的穩(wěn)定性上。