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钻井液连续波脉冲发生器设计与数值分析

胡忠海  
【摘要】:随着各种井下新测量仪器的研制成功及应用,随钻测量参数不断增加,迫切需要传输速率更高的连续波信号传输方式。本论文针对连续波产生机理,进行一款结构简单、布局紧凑、性能可靠的连续波脉冲发生器设计,并应用CFD仿真方式进行验证。主要研究内容如下: (1)本文首先介绍了CFD力学基础知识,以便于理解和为以后章节研究工作的开展作铺垫。重点分析三大守恒定律控制方程,介绍CFX湍流模型的种类、特点及适用范围,并归纳流体数值分析计算的方法,总结适用于本课题研究适用的残差收敛标准及控制方法。基于本课题设计的模型,进行网格划分的举例,模型简化分析假设,模型相关参数设定,包括入口条件、出口条件、壁面设定及求解控制等等。 (2)其次,进行连续波脉冲发生器关键部件转阀的设计。依据薄壁小孔节流机理,参考前人设计思路,进行转阀结构设计,其设计的基本思想为:在极坐标系下,将定子的一条边设计成通过原点的直线,并用该边扫掠转子的阀口曲线,阀口曲线的形状决定了输出压差信号的质量。由于井下空间的限制,本文提出扇形阀口与曲线阀口相结合的方法,对转阀进行修正,得到质量较高的正弦压力波信号。此外,针对设计的转阀进行三维模型的建立并应用CFX进行流体力学仿真,并依据仿真结构进行转阀结构优化。 (3)接着,详细介绍了发电机导轮和涡轮叶片结构设计方法并进行三维模型建立。为降低制造难度和成本,导轮和涡轮叶片均采用等厚度形式。导轮叶片中弧线平面展开图由水平位置过渡到出口角,为降低阻碍其过渡采用三次曲线;而涡轮叶片中弧线采用等螺旋线方式。此外,利用CFD仿真方式进行了导轮结构优化,优化参数包括螺旋角、叶片数量、叶片厚度、导轮与涡轮间距等。 (4)最后,根据前文转阀和发电机叶片结构研究基础,进行了一款泥浆连续波脉冲发生器结构设计,该脉冲器包括转阀短节、电机短节、发电机短节、尾部短节及其它外围机械件,其结构布置紧凑,简单、可靠,信号传输速率高,参考价值较高。


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