擺動式扭力沖擊器節流口設計及動力仿真

2015-04-29 00:44:03朱云馮進賀恒齊列鋒

中國機械 2015年2期

朱云馮進賀恒齊列鋒

摘要：本文通過Fluent軟件對擺動式扭力沖擊器進行靜態流道的動力仿真，驗證其扭力沖擊器節流口設計的合理性。通過對設計好的模型其進行合理的簡化后，建立其流道模型，并且得出模擬仿真的結果。并通過與相似結構液壓式扭力沖擊器各參數對比，驗證仿真結果的可靠性。

關鍵詞：擺動式扭力沖擊器;節流口;動力仿真

引言

擺動式扭力沖擊器是一種旋沖式的井下工具，可以有效的解決硬地層鉆井難題。擺動式扭力沖擊器通過鉆井液的高低壓差提供動力使其產生一定頻率的脈沖扭矩，并將動力傳遞給鉆頭。

1.擺動式扭力沖擊器工作原理與其節流口的設計

凈化后的液體流進沖擊器經過旋流誘導輪分流。大部分通過節流口形成低壓液，另一部分仍然以高壓的形式通過碰撞錘。來源于鉆井液的高低壓差使得動力錘往復運動，流量和噴嘴產生的壓降來設置液壓錘的受力。壓降產生的鉆井液的高壓與低壓的壓差分別推動液動錘與換向閥芯做往復碰撞換向運動。擺動式扭力沖擊器建模后整體結構如圖1-1所示。

圖1-1擺動式扭力沖擊器整體結構

扭力沖擊器的擺動式扭力沖擊器的動力部分通過碰撞部分來實現。碰撞錘與換向閥芯順時針與逆時針交替往復運動與主軸的沖擊面碰撞，實現巨大的扭矩產生的機械沖擊能量由驅動短節內的驅動軸集中均勻地傳送到鉆頭上，實現能量直接傳輸。液動錘與換向閥芯做往復運動依靠鉆井液的高壓與低壓的壓差分別推動。而高低壓的實現依靠流量和噴嘴產生的壓降來實現。通過節流嘴橫截面積的大小設定，圖1-2為擺動式扭力沖擊器流道三維模型圖（通過其剖面可以清楚地看出兩個節流口）。

圖1-2為擺動式扭力沖擊器流道三維模型圖

2.擺動式扭力沖擊器的整體流道的動力仿真

擺動式扭力沖擊器的脈沖主要由液動錘與閥芯的往復運動所形成。每個碰撞周期都分為四個部分、兩個狀態：碰撞狀態與換向狀態。而碰撞件往復擺動的動力來自與鉆井液的高低壓差。本節利用Fluent軟件分別對碰撞與換向狀態進行模擬與仿真，進一步驗證節流口尺寸設計的合理性。

2.1模型的建立

本模型是通過UG建立而成的。分別對擺動式扭力沖擊器的換向狀態與碰撞狀態兩種瞬態情況分別進行流體的動力仿真。為了便于計算機的運算，一些被阻截的流道被省略。

2.2前處理與后處理

由于模型為旋轉對稱結構，故利用workbench網格工具規定網格大小為2mm，接著定義邊界條件（入口與出口）。

在mesh的下拉菜單中選擇check。接在在定義模型的粘度為keosilon。接著定義材料為液體水。接著定義邊界條件入口為入口速度4.763m/s與9.96m/s，湍流強度設為5%，湍流粘度比設為5。在出口的回流湍流強度與回流湍流粘度比也設為相同的數值。接著在solution?control的松弛系數一欄，壓力選0.2，動量選0.5。接著將絕對收斂標準的的精度改為1e-06。在初始化中選擇入口。最后在計算中選擇迭代步數為1000步。

2.3結果分析

由于模型為旋轉對稱結構通過1000步的計算，得到殘差分析曲線，、壓力云圖以及速度云圖。處于換向狀態時壓力云圖如圖2-2所示。

圖2-2?壓力云圖

通過應力云圖可清楚地展現出通過節流口后的流道的高低壓變化情況，這符合流體力學中的應力分布云圖的分布趨勢。殘差曲線平穩，說明計算收斂，計算結果較為準確。

處于換向狀態的瞬態流道模擬結果：壓降以及流量的計算結果顯示壓差分別為217KPa和751KPa;進出口流量滿足初始設定流速。證明計算結果合理性。