一種負壓清洗裝置噴嘴形狀的流速分析

周宗贛 龔均云

摘? 要：該文針對井底殘留的碎屑及細小零件，提出用一種負壓清洗裝置來進行清理。該裝置上的射流短節的噴嘴通過噴射清洗液體以達到清理目的。為此，針對4種不同形狀輪廓的噴嘴，使用Fluent軟件進行清水液體的模擬仿真，得到了4種噴嘴類型的速度分布云圖和速度曲線。結果表明，這幾種噴嘴都能將清水加速近60倍，其中漏斗型噴嘴的加速效果最高，達到了59.8 m/s。

關鍵詞：負壓清洗? 噴嘴結構? 參數設計? 流體分析

中圖分類號：TE927.9? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A文章編號：1672-3791（2021）05（a）-0071-03

Abstract： In this paper， a negative pressure cleaning device is proposed to clean the residual debris and small parts at the bottom of the well. On the device， the nozzle of the jet sub ejects the cleaning liquid for cleaning. For this reason， the Fluent software is used to simulate the clear water liquid for four kinds of nozzles with different shapes and contours， and the velocity distribution nephogram and velocity curve of four nozzle types are obtained. The results show that these nozzles can accelerate water nearly 60 times， and the funnel nozzle has the highest acceleration effect， reaching 59.8m/s， which has the best acceleration effect.

Key Words： Negative pressure cleaning; Nozzle structure; Parameter design; Fluid analysis

在完井過程中，井底殘留的碎屑及細小零件會嚴重影響后續油氣的開采進度，同時為了避免給之后的下井設備造成影響和損害，需要一種工具能夠及時有效地將這些碎屑及細小零件打撈清理干凈[1-2]。為此，該文提出了一種基于負壓清洗井底清洗裝置，來清理井底碎屑及細小零件，利用裝置中的射流短節，來實現井底局部反循環洗井[3-4]。這種清洗方式主要動力來源于清洗液，因此需要對清洗液的噴嘴形狀進行速度上的研究，通過Fluent進行模擬仿真，尋找出有最好加速效果的噴嘴形狀[5]。

1? 清洗裝置介紹

該裝置是一種井下清理碎屑的清理裝置（見圖1）。該裝置主要分為3個部分：射流短節、打撈裝置以及攪動裝置。射流短節就是將上方分散的液體集中之后再噴射出去的裝置，為此次研究的主要部分;打撈裝置就是清洗液在裹挾著的碎屑和細小零件通過時，使清洗液與碎屑和細小零件分離及收集的裝置;攪動裝置則是一根攪拌棒，在井底不停旋轉，將較大的零件或與井底粘住的物體攪動起來，處于懸浮狀態，便于清洗液的裹挾。右箭頭線段表示清洗液體出去的路線，在射流短節經由噴嘴射出之后，通過清洗工具和井壁的間隙沖向井底，在井底順著左箭頭方向繼續運動。在運動的過程中，會在井底形成一個回流，清洗液體就會裹挾著被攪起的細小零件和碎屑進入到打撈裝置內部。在通過打撈裝置內部時，由于細小零件和碎屑體積較大，會被篩網留在打撈裝置的空腔中。由于打撈籃屬于單向開合，所以在提起清洗裝置時，細小零件和碎屑也不會掉落出去。清洗液體繼續向上運動，然后再通過裝置將清洗液體收集到射流短節，循環往復，直至將井底清洗干凈。

在這個清洗裝置中，射流短節產生的射流速度是影響整個工具打撈效果和效率的重要因素，只有清洗液體被加速到一定值時，才有足夠的能量繼續裹挾碎屑向上運動。因此，對射流短節不同的噴嘴形狀做流體速度研究，保證射流短節能夠達到滿足清理要求的速度，有助于實現井底的局部反循環洗井。

2? 噴嘴幾何模型的前處理與仿真

噴嘴的形狀變化各種各樣，對于加速而言的噴嘴，可以利用噴嘴的截面由大到小的變化，將較大管道的流體集中到細小的口徑噴射出去，使流體能夠達到需要的初速度，實現清洗的目的[6]。常見的有錐直型噴嘴，但是這種類型的噴嘴線條平直，對于流體而言會有較大的阻力管道損失，效率比較低下，為此引入余弦型、高斯窗型和漏斗型的噴嘴做相同條件下的仿真分析實驗，來得到能將流體加速最好的噴嘴形狀。對于這幾種不同形狀噴嘴，通過查閱文獻可知其函數表達式如下[7]。

其中，Y（x）為曲線Y方向上的距離，單位為mm[8]。x為X方向上的距離，長度為0～L2，單位為mm。利用Excel編輯好公式，然后細分每一個節點為0.02，然后可以得到2 000個坐標點的數據文件，然后將這些文件導入三維建模軟件Solidworks中，得到曲線形狀，從而獲得各個噴嘴的三維模型。其三維模型的剖視圖，如圖2所示。

在進行流速變化分析時，采用控制變量法。設置模型的入口直徑為19 mm，入口段長度為40 mm，出口直徑為2.5 mm。對于模擬分析，將模型導入到ANSYS軟件中，由于噴嘴模型為圓周對稱形狀，為了減少計算量，采用一半的鏡像計算即可。劃分網格之后如圖3所示。在設置參數時，入口速度均設為1 m/s，使用的流體為清水，無溫度設定，采用標準的k-ε方程，出口壓力和其余設置均設為默認值。

3? 噴嘴仿真結果

通過ANSYS Workbench中的Fluent模塊對這幾種不同形狀噴嘴的進行模擬仿真之后，得到的鏡像面的速度分布云圖如圖4所示，在中心水平處的速度曲線如圖5所示。

在圖4中可以看到，這幾種噴嘴的流速變換都是發生在管道縮小的區域，并且在管道縮小區域的末端達到速度的最高值。在云圖中可以看到各噴嘴的最高平均速度，分別為錐直型噴嘴為58.9 m/s，高斯窗型噴嘴為59.1 m/s，漏斗型噴嘴為58.9 m/s，余弦型噴嘴為58.1 m/s。在這4種不同形狀輪廓的噴嘴中，通過速度分布云圖可知，這幾種類型的噴嘴都能將初速度為1 m/s的清水加速到將近60 m/s，有近60倍的加速效果。通過圖5速度曲線可以看到，漏斗形噴嘴內的流體在開始時隨著距離的變化，其速度變化的情況比其他類型噴嘴更加明顯。

4? 結語

在這幾種不同形狀的噴嘴中，漏斗形噴嘴出口處產生的速度最高，平均速度也是大于其他形狀的噴嘴，并且在噴嘴前端就有一定的加速效果，即有更好的加速效果，對于井底的清洗會有更高的動能，能夠在清洗井底的碎屑時，提供更多的能量，從而能夠實現更高的清洗效率。結果說明，漏斗形噴嘴在清洗井底中的碎屑和細小零件會有更好的效果。

參考文獻

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