基于流固熱耦合的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆具電子倉散熱設(shè)計

陳雨 張光偉 胡金帥 李俊嶺 閆豐平

摘要：旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)是目前最先進的鉆井技術(shù)，為了提高導(dǎo)向鉆井工具中驅(qū)動器的散熱能力，設(shè)計了一種新型的電子倉散熱結(jié)構(gòu)并用Soildworks實現(xiàn)。該結(jié)構(gòu)采用貼合圓形電子倉的散熱基板和肋片狀外壁面結(jié)合的方式，僅依靠鉆井液的循環(huán)作為冷卻液進行自發(fā)散熱，相比于內(nèi)置熱管或風(fēng)扇進行強迫散熱的方式，該結(jié)構(gòu)更加經(jīng)濟可靠。導(dǎo)入ANSYS中進行流固熱耦合的仿真分析的方式確定此散熱結(jié)構(gòu)下驅(qū)動器的安全工作范圍，即環(huán)空處鉆井液的最高溫度，適用流速以及黏度。所設(shè)計的散熱機構(gòu)為解決導(dǎo)向鉆具內(nèi)發(fā)熱元件的散熱問題提供了一條新的途徑。

關(guān)鍵詞：流固熱耦合;旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向;電子倉;散熱設(shè)計;熱仿真

中圖分類號：TH164;TE95

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1009-9492（ 2022） 02-0090-04

0 引言

我國石油鉆井現(xiàn)階段主要面臨深層、地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、效率低等問題。在水平井、大位移井、大斜度井的開采中，由于旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)具有超強的鉆井軌跡控制能力、高的鉆井效率、低的鉆井成本、光滑的井眼軌跡、極少的卡鉆風(fēng)險等諸多優(yōu)點，因此對旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具的研制顯得十分重要[1]。在國家科技重大專項的支持下，經(jīng)過科研工作者多年的潛心研究，我國在旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向技術(shù)方面取得了長足的發(fā)展。組成導(dǎo)向系統(tǒng)的電子設(shè)備眾多，受鉆具形狀空間限制，元器件排布方式緊湊，工作時間長，使得密集空間內(nèi)熱流密度劇增。特別對于在處于井下高溫高壓的鉆井工具中的電子元件，在設(shè)計階段不重視熱設(shè)計，則系統(tǒng)工作時可能會因為溫升過高而導(dǎo)致系統(tǒng)工作不穩(wěn)定甚至失效[2]。

散熱處理是電子元器件設(shè)計必須重視的設(shè)計，其排布方式的合理與否直接與驅(qū)動系統(tǒng)功率密度設(shè)計的優(yōu)劣相關(guān)。工程中，因熱設(shè)計不合理造成的產(chǎn)品損壞的故障率在各種故障中的比例高達50%以上[3]。隨著溫度的增長，一般功率電子設(shè)備的失效率呈指數(shù)增長。溫度升高會引起元器件電阻阻值降低、電容器的使用壽命縮短、變壓器絕緣材料性能的下降、電子器件焊點合金結(jié)構(gòu)的變化等問題[2]。因此，分析導(dǎo)向鉆具電子艙倉的溫度場并對其中電子元件進行合理的熱設(shè)計很有必要。本文主要針對旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井的電子倉內(nèi)主要發(fā)熱元件進行散熱分析，對發(fā)熱元件進行散熱設(shè)計，使用CAD軟件確定散熱板結(jié)構(gòu)，通過CFD軟件進行三維溫度場的模型建立，進行電子倉的溫度分析，為鉆具具體投入工作做理論支撐。

1 散熱系統(tǒng)的理論分析和設(shè)計

1.1 問題描述

為實現(xiàn)導(dǎo)向功能，在導(dǎo)向鉆井工具的電子倉中，放置兩臺用于分別控制兩個偏心環(huán)的伺服驅(qū)動器，電子倉位于鉆桿內(nèi)部，外部環(huán)境為鉆井液。電子倉采用動密封，環(huán)境密閉，驅(qū)動器產(chǎn)生熱量無法及時有效散失，熱量集中，驅(qū)動器未經(jīng)散熱處理，熱量集中于塑料外殼內(nèi)部，由底座的散熱鋁片與空氣進行白然對流散熱，易超過設(shè)備的最大允許工作溫度，導(dǎo)致降低設(shè)備的驅(qū)動精度和縮短其使用壽命。因此，未經(jīng)散熱處理的驅(qū)動器在密閉空間工作，容易到達最大結(jié)溫，損壞元器件，有必要進行散熱設(shè)計[4]。驅(qū)動器工作狀態(tài)所產(chǎn)生的熱量有兩個傳輸途徑，包括內(nèi)部傳輸和外部傳輸。其中，內(nèi)部傳輸是產(chǎn)生的熱量經(jīng)過克服元件與外部塑料殼體連接層的傳導(dǎo)熱阻，達到殼體的外表面，這部分傳至表面的熱量再通過白然對流和熱輻射的方式傳遞給電子倉密封空間[5]。一部分外部傳熱途徑是，熱量通過熱傳導(dǎo)傳遞給散熱的鋁片，再由鋁片經(jīng)電子倉壁面通過強制對流的方式，與流動的鉆井液進行熱交換，傳熱模型如圖1所示。

針對以上問題，本文設(shè)計了一種新型結(jié)構(gòu)的電子倉，主要創(chuàng)新點為結(jié)構(gòu)方面，改進了鉆具的外部形狀，采用了肋排狀外殼，配合驅(qū)動器底部的散熱鋁片，采用散熱器貼合電子倉內(nèi)壁利用熱傳導(dǎo)與外壁處鉆井液換熱的方式，使得驅(qū)動器T作環(huán)境溫度保持在80℃（零件設(shè)計手冊）以下。

1.2 散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.2.1 驅(qū)動器散熱設(shè)計

驅(qū)動器處于密封網(wǎng)筒形電子倉內(nèi)，散熱主要途徑是由底部鋁片白然傳遞至散熱塊以及電子倉壁面，通過熱傳導(dǎo)與強制對流的形式把熱量從電子倉內(nèi)散發(fā)到溫度較低的鉆井液處，與通過底部鋁片進行熱傳導(dǎo)的熱量相比，通過熱輻射和白然對流散失至電子倉內(nèi)的熱量對整體溫升的影響可忽略不計，即認(rèn)定驅(qū)動器產(chǎn)生的熱量全部由鋁片進行發(fā)散。

電子倉內(nèi)的設(shè)備主要是兩個驅(qū)動器，結(jié)合電子倉外形條件和散熱方式按照以下原則進行結(jié)構(gòu)設(shè)計：（1）散熱塊曲面完全貼合電子倉內(nèi)壁形狀，平面寬度覆蓋鋁制底片的寬度，由于電子倉內(nèi)密閉無空氣流動，鋁制散熱塊僅起溫度傳導(dǎo)到橋梁作用，不采用肋片形狀[6]。（2）將電子倉與散熱塊貼合的外壁面處，設(shè)計肋板式形狀，增大傳熱面積以增強傳熱效果。（3）驅(qū)動器盡可能遠距離相對擺放，防止相互產(chǎn)生熱影響，各白獨立散熱。

根據(jù)以上原則，確定驅(qū)動器的擺放方式為相對直線型平行排布，其布置空間上的長度由下式計算得到：式中：△為驅(qū)動器安裝的間距;l為電子倉內(nèi)部布置空間的長度，取153 mm;n為長度方向布置的驅(qū)動器單元數(shù)量;w為驅(qū)動器的寬度，取52mm;l0為散熱器預(yù)留長度，

布置空間的高度，考慮到散熱器的制作成本以及驅(qū)動器的底座安裝方式，鋁制散熱器為一面緊貼電子倉內(nèi)壁的圓弧面，一面安裝驅(qū)動器的平面。根據(jù)驅(qū)動器的底座尺寸及電子倉內(nèi)預(yù)留空間，將散熱器平板尺寸定為48 mmx150 mm，網(wǎng)弧面為φ80的一段圓截面，截取距離為圓心高度32 mm，安裝時貼合圓筒內(nèi)壁。

1.2.2 電子倉散熱設(shè)計

考慮到電子倉的空間尺寸有限且倉內(nèi)只存在了自然對流，驅(qū)動器的熱耗散功率，成本限制，為了滿足驅(qū)動器的長時間工作要求，確定采用散熱器分散熱量集中，根據(jù)溫度自然從高到低進行自發(fā)的傳導(dǎo)，與溫度較低的鉆井液進行對流換熱，完成整個散熱過程。

從散熱方式考慮，電子倉外殼與鉆井液直接接觸，為增強電子倉外壁面的傳熱能力，同時盡量避免影響鉆井液的流動速度，兼顧電子倉重量，僅將殼體與散熱器壁面連接處加工成肋板散熱形狀，提高整體對外散熱面積。

圖2所示為使用Soildworks所設(shè)計的配合鋁質(zhì)散熱片的電子倉散熱結(jié)構(gòu)。

2 熱仿真

根據(jù)本文設(shè)計，將建立好的模型，經(jīng)過簡化后，導(dǎo)人ANSYS中進行仿真。驅(qū)動器底座與散熱器通過螺紋直接連接，近似認(rèn)為兩者接觸的部分溫度相同[7]。查詢驅(qū)動器的零件手冊得其結(jié)溫范圍和熱源傳導(dǎo)至底座的熱阻。散熱器肋片表面的溫度由驅(qū)動器的底座溫度確定。驅(qū)動器的底板及散熱器采用擠壓鋁6061，熱導(dǎo)率為236 W/（m.K），電子倉采用銅，熱導(dǎo)率為401 W/ （m.K）。

2.1 簡化散熱模型

為使熱仿真更加快速，將結(jié)構(gòu)設(shè)計中對仿真結(jié)果影響不大的部分進行簡化，去除驅(qū)動器的模型結(jié)構(gòu)，只考慮熱傳導(dǎo)方式和鉆井液強制對流，認(rèn)定驅(qū)動器的熱量全部由底部的鋁制底片散出，將驅(qū)動器縮減為46 mmx55 mmx2 mm的長方體鋁板[9]，電子倉外部的肋片結(jié)構(gòu)省去圓角等工藝結(jié)構(gòu)。并且由于模型的對稱性，取一臺驅(qū)動器進行散熱分析。

2.2 網(wǎng)格劃分

對經(jīng)過簡化的散熱模型整體進行網(wǎng)格劃分，采用AutomaticMethod對全局劃分，調(diào)整微元尺寸為1X10 -3 m。由于需要定義流體邊界層，為固液耦合傳熱做準(zhǔn)備，采用Inflation將貼合電子倉壁面的流體面進行局域化網(wǎng)格劃分，劃分完成后模型如圖3所示。

2.3 仿真參數(shù)設(shè)定

根據(jù)真實鉆井液的密度修改water-liquid的參數(shù)并用來定義流體區(qū)域，定義模型各固體域的材料，為保證各區(qū)域內(nèi)的熱傳遞和熱對流，需要添加Contact Region設(shè)定各部件間的連接。在設(shè)置驅(qū)動器底部鋁片時，勾選Source-Terms，激活此處為熱源，熱功率為額定功耗160 W。由于在井下鉆進時鉆具發(fā)生偏移，偏轉(zhuǎn)角度隨實際工況變化，導(dǎo)致重力方向難以確定，因此不勾選重力選項。

2.4 仿真分析結(jié)果

根據(jù)散熱傳熱的類型將仿真過程分為兩部分，由散熱鋁片至散熱器至電子倉壁面的熱傳導(dǎo)，采用Steady-State Thermal模塊分析，將分析結(jié)果導(dǎo)人Fluid Flow（ Fluent）模塊分析，得到電子倉壁面?zhèn)髦零@井液的熱對流情況[10]。

如圖4 （a）所示，溫度由驅(qū)動器底座傳遞至電子倉外壁，觀察云圖，不同顏色代表溫度最高分布在鋁片處，未經(jīng)散熱處理時達81.313℃，超過了驅(qū)動器的最大工作溫度，通過熱傳遞向電子倉外壁自發(fā)均勻擴散，在傳遞過程中形成溫階。在電子倉外壁處，有低溫的鉆井液流經(jīng)，主要通過熱對流進行固液熱交換，在仿真結(jié)果中，如圖4 （b）所示，可以觀察到在肋片狀外壁處，即驅(qū)動器散熱方向處溫度最高，流經(jīng)此處的流體呈現(xiàn)高溫度分布。

2.4.1 流體溫度對散熱效果影響

首先保證電子倉外形及驅(qū)動器散熱功率不變，探究流體溫度對驅(qū)動器底片最高溫度的影響。電子倉位于鉆具內(nèi)部流動的鉆井液內(nèi)，環(huán)境溫度是環(huán)空內(nèi)鉆井液在井底的溫度，參照實際井底溫度，鉆井液溫度即鉆具環(huán)空溫度范圍25-60℃，此溫度范圍內(nèi)的鉆井液條件下鋁片的最高溫度分布如圖5所示。

從圖5可以看出當(dāng)鉆井液的溫度變化范圍在57℃以內(nèi)的范圍里，雖然隨著鉆井液溫度的升高散熱器的最高溫度上升趨勢，但隨著鉆井液溫度升高，減弱了散熱的強度，影響了散熱的效果。影響散熱的原因在于：環(huán)空處鉆井液溫度升高，即電子倉工作環(huán)境溫度升高，直接降低了與散熱底板的溫度差，根據(jù)牛頓冷卻定律：

φ= λS△T

（2）式中：咖為驅(qū)動器的產(chǎn)熱功率，λ為電子倉壁面與流體的對流換熱系數(shù)，S為肋片結(jié)構(gòu)表面積，△T為電子倉表面溫度和環(huán)空處鉆井液溫度差值。

可以得出，隨鉆井液溫度與驅(qū)動器溫差降低，傳熱效果減弱，但根據(jù)驅(qū)動器的最大許可工作溫度，57℃仍處在允許范圍內(nèi)。因此本文所設(shè)計的散熱結(jié)構(gòu)，允許工作范圍為57℃的鉆具環(huán)空溫度。

2.4.2流體速度對散熱效果影響

保持換熱效果最佳的鉆井液溫度，根據(jù)實際井下鉆井液的排量，確定電子倉外壁面處鉆井液的流速范圍為0.5 -1.5 m/s，此速度范圍下，鋁片的最高溫度如圖6所示，由于散點混亂，在小圖中僅保留擬合曲線觀察仿真結(jié)果。

從圖6中可以看出，當(dāng)鉆井液速度增大時，鋁片的最高溫度下降，原因是流體與固體表面之間的換熱能力與物體表面附近的流體的流速有關(guān)，同等熱流條件下，隨著鉆井液流速的增大壁面溫度降低。鉆井液流動速度的增大有利于液流擾動的形成和發(fā)展，強化鉆井液體系的混亂程度，促進電子倉壁面與液流換熱過程的持續(xù)進行;同時，高速流動的液流能在肋片狀上壁面滯止點附近產(chǎn)生更薄的邊界層，降低熱阻;此外，隨著液流速度的增大，流體從層流向湍流狀態(tài)過渡，使得更多流體分子進入肋片間隙，減小間隙區(qū)域回流的影響，強化固液界面的傳質(zhì)過程。因此，電子倉外壁面表面液體流速的增加，從而降低熱阻，有利于電子倉外壁面散執(zhí)[11]。鉆井液的流速愈大，與電子倉壁面接觸處的對流換熱能力也愈強。并且在環(huán)空鉆井液溫度至60℃時，流速超過0.6 m/s時，該設(shè)計仍然在許可工作溫度范圍內(nèi)，因此該散熱設(shè)計可以在流速為0.6 m/s以上的鉆井液環(huán)境下使用。

2.4.3 流體黏度對散熱效果影響

保持換熱效果處于臨界狀態(tài)的的鉆井液溫度和流速，進一步探究鉆井液黏度對驅(qū)動器散熱效果的影響。取鉆井液黏度的變化范圍為20-100 mm2/s，此黏度范圍內(nèi)的鉆井液條件下鋁片的最高溫度分布如圖7所示。

圖7描述了電子倉外輸送不同黏度的鉆井液時，液流與管壁之間的換熱能力與黏度的關(guān)系。水基鉆井液相對油基鉆井液的黏度較低，本圖對在該散熱結(jié)構(gòu)下的鉆井液的輸送有參考意義。由圖可得，電子倉外為低黏度流體時，通過影響對流換熱系數(shù)的變化而改變鋁板最高溫度，對流換熱系數(shù)的數(shù)值變化隨黏度在20 mm2/s與80 mm2/s之間改變時，幅度較大。黏度越高對流換熱系數(shù)數(shù)值越大，在流速、熱流密度以及溫度一定時換熱系數(shù)隨黏度的增加而增大[12]。這是由于，流體的黏度對流體的換熱系數(shù)有影響，根據(jù)采用動量熱量比擬的方法建立輸油管道對流換熱系數(shù)模型壁面處的溫度與湍流普朗特數(shù)成正比關(guān)系，普朗特常量與流體黏度呈正相關(guān)，因此鉆具環(huán)空鉆井液的黏度越高，電子倉散熱能力越強。因此在鉆井液溫度59℃，流速為0.5 m/s時，黏度范圍在50 mm2/s以上，可應(yīng)用此設(shè)計進行散熱處理。

3 結(jié)束語

本文設(shè)計了一種具有散熱效果的內(nèi)置散熱片的電子倉，在沒有外加強迫散熱的條件下，可以滿足最大連續(xù)輸出功率為1600 W，效率為90%的驅(qū)動器在可行范圍下安全工作要求。通過流固熱耦合仿真驗證了該設(shè)計的可行性，并得出所設(shè)計的結(jié)構(gòu)在環(huán)空處鉆井液的溫度、流速以及黏度的適用范圍。為旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具用大功率伺服驅(qū)動器的散熱設(shè)計提供了一種新思路。但本文僅選擇了滿足理論計算結(jié)果的一種設(shè)計，未對電子倉的肋片設(shè)計做進一步的優(yōu)化，后續(xù)將通過對井下環(huán)空鉆井液的流固耦合仿真模擬對結(jié)構(gòu)做優(yōu)化設(shè)計。

參考文獻：

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