实体PDC钻头流场数值模拟与实验验证

利用计算流体动力学技术对聚晶金刚石(PDC)钻头(型号为BK432)的三维湍流进行了数值模拟。模拟中考虑了钻头的切削齿和射流喷嘴对流场的影响。流场的网格划分采用局部加密的混合网格形式,保证了计算精度和运算速度。流场的三维模拟结果揭示了钻头流场存在低速区、回流区和滞流区域,为钻头水力结构优化分析奠定了理论基础。为了对数值模拟的结果进行检验,建立了PDC钻头流体测试实验台架,利用粒子成像测速技术对PDC钻头4个喷嘴的出口流场进行了测试。将测试的喷嘴轴向速度与数值模拟结果进行了对比分析,两者吻合较好。     

PDC钻头条件下圆喷嘴撞击射流井底流场的数值模拟

为了研究ＰＤＣ钻头条件下圆喷嘴射流撞击井底流场的基本规律，在分析ＰＤＣ钻头的基本水力结构特点的基础上，建立了ＰＤＣ钻头条件下井底结构的物理模型。采用ｋ－ε双方程模型封闭湍流Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ方程，利用求解压力耦合方程的半隐式方法，对这一物理模型条件下的流场进行了数值模拟，并将数值结果与实验研究结果进行了对比。结果表明，所建立的控制方程、控制条件以及所采用的数值方法是合理的。根据数值结果，研     

PDC钻头条件下圆喷嘴撞击射流井底流场的数值模拟

为了研究ＰＤＣ钻头条件下圆喷嘴射流撞击井底流场的基本规律，在分析ＰＤＣ钻头的基本水力结构特点的基础上，建立了ＰＤＣ钻头条件下并底结构的物理模型。采用ｋ－ε双方程模型封闭湍流Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ方程，利用求解压力耦合方程的半隐式方法，对这一物理模型条件下的流场进行了数值模拟，并将数值结果与实验研究结果进行了对比。结果表明，所建立的控制方程、控制条件以及所采用的数值方法是合理的根据数值结果，研究了ＰＤＣ钻头条件下，射流撞击井底时的流场结构、轴心速度变化规律以及井底漫流的流动规律。     

流道形状对PDC钻头头部流场影响的数值模拟

利用计算流体力学对两种不同流道形状的PDC钻头头部的三维流场进行了数值模拟.流场的网格划分采用混合网格形式,保证了计算精度和计算速度的要求.对两种钻头模拟结果表明,流道形状的改变对钻头流场存在较为明显的影响.通过对钻头表面和流场中截面的静压云图和速度矢量图的对比分析表明,改变了流道形状的钻头2的流场明显优于钻头1的流场,且模拟结果得到了实验的验证.     

PDC钻头切削齿受力试验的新方法

在设计了新型组合齿试验装置的基础上．采用二次通用旋转设计方法，在模拟钻头实际工作方式的条件下，确定了切削齿受力与钻头结构参数及布齿参数之间的关系；同时还确定了切削齿受力与侧转角、切削深度及岩性的关系建立了钻头上切削齿受力的综合计算模式，从而为ＰＤＣ钻头的受力分析、布齿设计提供了依据，并为分析ＰＤＣ钻头的性能提供了方便可靠的试验方法．     

智能仿生PDC钻头的破岩数值模拟

为解决普通孕镶金刚石钻头(普通钻头)破岩效率低、钻进不稳定、不耐磨以及不能根据地层选择合适形态破岩等问题,结合仿生原理和非平面结构设计了新型聚晶金刚石复合片(polycrystalline diamond compact, PDC)齿和钻头底唇面,提出一种在钻头底唇面安装传感器进行岩性识别,可选择合适形态破岩的智能仿生PDC钻头(智能钻头)。利用机器学习,基于现场钻井数据对岩石性质进行分类。分析了智能钻头切削结构针对软中硬地层和硬地层具有两种工作形态,基于建立的切削模型和岩石失效准则,对智能钻头和普通钻头的破岩过程进行数值模拟对比,结果表明：机器学习的加权KNN(K-nearest neighbor)算法可很好避免样本重叠问题,可精确对岩石性质分类,其训练模型可提供给传感器进行岩性识别。破碎砂岩时,智能钻头经传感器调节将具有PDC齿的底唇面和仿生底唇面保持同一高度破岩,对比普通钻头,其破岩比能和切削力明显更小,表明其效率更高、切削更稳定;破碎花岗岩时,智能钻头经传感器调节将具有PDC齿的底唇面下放破岩,其破岩效率明显高于普通钻头,也更稳定。研究成果对石油钻井设备智能化发展有重要意义。     

多股受限撞击射流井底压力特征的数值模拟

应用大涡模拟方法，对不同的喷嘴尺寸、个数和喷嘴组合条件下井底多股受限撞击射流的流动特性进行了数值模拟。对模拟结果的分析研究表明，多股撞击射流的井底压力分布存在低压区、高压区和中等压力区三个区域。高压区为射流撞击区，低压区为漫流区，中等压力区为射流相互干扰区。在喷嘴出口总面积相同的条件下，保持中心喷嘴直径大于或等于边喷嘴直径，井底压力的分布对清岩和破岩更为有利。     

PDC钻头水力结构研究进展

以近年来国内外头水力学研究的文献为基础，综合论述了ＰＤＣ钻头水力学中钻头井底流场和水力结构优化研究的新方法、新动态和新成果，并提出了研究中存在的问题和今后的展望。分析表明，示踪颗粒轨迹测法和井底测压法是目前研究ＰＤＣ钻头井底速度场和井底压力场的比较有效和可行的方法，采用数值模拟方法来描述ＰＤＣ钻头井底流场，进行钻头水力结构优化将是ＰＤＣ钻头水力学研究的一个方向，到目前为止，还没有一个评价ＰＤＣ钻头水力结构和井底流场优劣的合适的定量标准，因而，水力结构设计很难谈得上优化，今后应开展这方面的研究工作。     

空化喷嘴内部流场的数值模拟

根据喷嘴的结构特点,建立了角形空化喷嘴和风琴管形空化喷嘴的三维结构模型和数值模型,选用RNGk-ε湍流模型,采用SIMPEC算法进行数值计算。结果表明,在空化喷嘴的圆柱段存在速度最大值,射流进入圆柱段后产生明显的负压,与周围介质发生强烈的空化作用,有利于空化气泡的产生。在特定参数下(圆柱段直径d=1mm、圆柱段长度S=3mm、扩散段长度L=8mm、出口扩散角=30°),角形喷嘴的空化效果优于风琴管形喷嘴。     

喷嘴内液固两相射流流场的数值模拟

基于连续介质理论，考虑了液固两相间的相互作用，给出了喷嘴流道内液固两相射流的控制方程，利用标准的k-ε两方程模型对磨料射流喷嘴内流场进行了数值模拟研究，并对模型中的主要参数进行了优选。研究结果表明，水与磨料颗粒之间存在速度滑移，在相间力的作用下磨料颗粒一直作加速运动，颗粒速度逐渐趋向水的速度；进入喷嘴收缩段后，水与磨料颗粒同时得到加速，但由于惯性力的作用，达到相同速度磨料颗粒的加速过程要长；进入直柱段后，液相速度继续增加至最大速度，此后缓慢降低，而磨料颗粒在整个直柱段内一直加速，液固两相的速度差逐渐减小，直至从喷嘴喷出；喷嘴出口处液固两相的速度剖面近似为抛物线形，在喷嘴截面中心处速度最大，沿径向逐渐减小，离壁面越近，速度降低的幅度越明显。与前人的研究结果对比发现，模拟所得的结果是正确的。     

井下旋流油气分离器流场数值模拟

鉴于现有油气分离器效率较低,为改善高含气井中井下多相混抽泵或电潜泵机组效率低下的问题,选择雷诺应力模型作为湍流模型,代数滑移混合模型作为多相流模型,对井下水力旋流油气分离器内的两相流场进行了数值模拟。通过数值计算得到了两相介质等浓度分布图和轴向速度矢量图,并将数值计算结果与同结构的水力旋流油气分离器样机的室内模拟试验结果进行了对比。研究结果表明,数值计算得到的各种图完全符合已知的旋流器流场分布规律。水力旋流器经过结构优化设计不仅可以进行井下油气分离,且分离效果较好,适用于较大流量和高含气率的油井条件。     

井下旋流油气分离器流场数值模拟

鉴于现有油气分离器效率较低,为改善高含气井中井下多相混抽泵或电潜泵机组效率低下的问题,选择雷诺应力模型作为湍流模型,代数滑移混合模型作为多相流模型,对井下水力旋流油气分离器内的两相流场进行了数值模拟.通过数值计算得到了两相介质等浓度分布图和轴向速度矢量图,并将数值计算结果与同结构的水力旋流油气分离器样机的室内模拟试验结果进行了对比.研究结果表明,数值计算得到的各种图完全符合已知的旋流器流场分布规律.水力旋流器经过结构优化设计不仅可以进行井下油气分离,且分离效果较好,适用于较大流量和高含气率的油井条件.     

管道过滤器流场数值模拟与实验

利用数值模拟与实验研究相结合的方法对Y型管道过滤器的工作特性进行研究.利用CFD软件,通过合理简化实现了圆柱形滤芯向平面计算模型的转换,并结合多孔介质模型,将滤芯部件的阻力特性转换为三维仿真模型的边界条件,所得到的模拟结果与实验数据符合良好.实验测量发现该过滤器对于平均直径为150μm的颗粒分离效率达96%以上.研究结果可为管道过滤器的设计与设备选型提供一定的参考.     

聚晶金刚石复合片钻头喷嘴倾角组合的流场特性

为了解决番禺地区珠江组快速钻进中出现的PDC钻头泥包问题,在实体PDC钻头计算模型基础上,运用数值模拟方法,采用标准 两方程模型对主喷嘴和辅助喷嘴不同喷射倾角组合进行井底流场特性研究,最优化喷嘴角度组合。结果表明：主刀翼1号喷嘴喷射倾角20°、3号喷嘴喷射倾角15°能使井底流场分布最优;远离主刀翼的4号和5号喷嘴喷射倾角变化对井底流场影响较大,适当增加这两个喷嘴喷射倾角有利于井底岩屑快速排出;2号喷嘴喷射倾角在限定范围内变化,对井底流场影响有限。最后,1-5号喷嘴喷射倾角分别按照20°、25°、15°、25°和25°组合布置,应用于个性化215.9mm五刀翼PDC钻头设计中,在实钻中取得了良好的进尺和机械钻速,成功解决钻头泥包。     

调节阀内部流场的数值模拟与试验分析

对某一广泛应用的套筒型调节阀内部流场建立模型.通过前处理器生成计算网格,应用CFD软件进行离散求解,得到调节阀内部流场的可视化图形,数值模拟不同开度下流量,绘出调节阀的流量特性曲线,与试验测定的数据进行比较分析.结果表明模拟值与试验值较好的吻合,为后续优化和设计工作提供依据.     

双级PDC钻头井底应力场分析

介绍了双级PDC钻头特征，建立了双级PDC钻头的井底应力场分析模型，给出了相关参数和边界条件以及分析方法，利用有限元方法对双级钻头井底进行三维应力场数值分析得到了井底应力场云图和曲线图，并与常规钻头井底应力场进行了对比。分析和研究认为，双级PDC钻头井底形成了径向应力小、周向应力大的二次应力场，等效应力卸载明显，且总等效应力是常规钻头的85．56％，提高机械钻速的潜力较大。     

双级PDC钻头井底应力场分析

介绍了双级PDC钻头特征,建立了双级PDC钻头的井底应力场分析模型,给出了相关参数和边界条件以及分析方法,利用有限元方法对双级钻头井底进行三维应力场数值分析得到了井底应力场云图和曲线图,并与常规钻头井底应力场进行了对比.分析和研究认为,双级PDC钻头井底形成了径向应力小、周向应力大的二次应力场,等效应力卸载明显,且总等效应力是常规钻头的85.56%,提高机械钻速的潜力较大.     

空调房间气流组织的模拟研究

以中间侧送风、不回风的流场作为数值计算及实验研究的模型，在对数学模型及物理模型进行理论分析的基础上，对常规下的K－ε模型进行了修正，并运用K－ε紊流模型计算了空调房间的气流组织，用离散方法对边界条件进行了处理，并把数值计算结果与实验结果进行了比较，实验结果运用K－ε紊流模型计算空调房间的气流组织是可行的，并把数值计算结果与实验结果进行了比较，实验结果证明运用K－ε紊流模型计算空调房间的气流组织是可行的，计算结果丰富并弥补了实验研究的不足。