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泥浆脉冲器脉冲发生机构流场研究

肖俊远  
【摘要】:本文是以开发的泥浆脉冲发生器为研究对象,以UG、CFD为软件平台,对泥浆脉冲器脉冲发生机构进行流场计算分析,并与试验进行对比分析验证,来指导泥浆脉冲器的结构设计,减少设计时间,提高效率。 本文应用计算流体力学方法对泥浆脉冲器脉冲发生机构进行流场研究分析。论文的主要工作和研究内容如下: 1.分析泥浆脉冲发生器的工作机理、脉冲信号衰减的影响因素及提高脉冲强度的方法,其中转子所受的水力转矩是影响泥浆脉冲发生器工作性能的非常重要的因素;初步设计定转子的结构,利用UG建立三维模型; 2.对泥浆脉冲发生器流道模型假设,利用UG建立泥浆脉冲发生机构流道三维模型,应用CFD软件进行流场计算;综合分析CFD软件提供的多种湍流模型、速度—压力耦合算法和离散式的特点,选择最适合本文研究内容的模型和算法; 3.通过数值计算来分析泥浆脉冲发生器内部流场特性,分别从转子叶片形状、转子叶片厚度、转子叶片数、转子转速、定转子之间间隙、泥浆流量等这些因素泥浆脉冲发生机构进行流场分析计算,并对结果进行分析; 4.实验对比,验证结果的可行性。 本文详细地分析了泥浆脉冲发生机构的流场特性,对形成原因作了全面的分析,得到以下结论: 转子开口形状对压力脉冲发生器的性能有较大的影响,扇形阀口和矩形阀口对流体的运动变化产生剧烈的影响,通过改变叶片两棱边,其实趋向于平滑变化,能有效地减轻转子的受力,综合分析三角形开口较好; 在泥浆流量和定转子间隙一定的工况下,转子叶片厚度的改变,压力波形和脉冲强度基本上没有影响,但转子水力转矩变化比较明显,随着转子叶片的加厚逐渐增大的趋势。 在同泥浆流量和定转子间隙的工况下,转子叶片个数的增加,使轴向间隙引起的流通面积增大,导致压力脉冲信号的强度减弱,对应的转子水力转矩也相应的减小。在叶片个数不同的情况下,为获得相同幅值的压力脉冲信号,将四叶片转阀的定转子间隙减小,所得转子转矩仍比三叶片的转矩要小。故增加转子叶片个数可以有效减小转子转矩,很好的改善了电机的控制性能。 转子转速的变化对压力波形无明显的影响,只是转子转矩的相位随着转速的增大而滞后;流量一定,定转子结构一定,定转子间隙的改变对泥浆脉冲发生器转子的水力转矩和压力脉冲产生了非常大的影响,随着间隙的增大,所生的压力波幅值逐渐减小,转子所受水力转矩减小比较明显。 通过以上分析结果得出了转子结构设计的一些基本原则:转子阀口的开口形状变化应趋向变化平滑,三角形阀口的压力波曲线较扇形及矩形阀口更光滑,更接近正弦波;在保证强度的前提下,尽量减小叶片的厚度;转子叶片个数影响压力波曲线的形状及幅值;合理选择定转子之间的间隙。 在上述原则下,选择一较合适的定转子结构,来研究流量与间隙的关系,得出其对应的曲线。在间隙为0-2mm之间,虽然得到较高的压力幅值,但压力波形变化比较混乱,特别是随着流量的增加,波形变化更加混乱。在间隙为2-8mm,压力幅值变化比较大,当间隙大于10mm,压力幅值变化比较缓慢。通过研究分析找出了压力脉冲强度与流量和间隙的变化曲线对研究不同钻井深度时所需要的泥浆脉冲发生的设计具有一定的工程意义。


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