恒流堵塞器冲刷磨损特性的数值模拟论文

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1、恒流堵塞器冲刷磨损特性的数值模拟论文论文关键词：分层注水恒流堵塞器颗粒冲刷磨损数值模拟论文摘要：针对油田注水工况下，恒流堵塞器易受固体悬浮颗粒冲刷磨损作用的问题进行了数值模拟。以商业CFD软件Fluent6.1为基础，建立了恒流堵塞器流场三维几何模型，对堵塞器内部流场进行了计算；采用Lagrangian离散相模型、Haider曳力公式和随机轨道跟踪方法求解了湍流中颗粒运动轨道；应用Bitter颗粒冲刷磨损模型对冲刷磨损失重进行了计算；对现场测试数据和数值模拟结果进行了对比，证明了数值模拟的有效性；对模拟结果数值上不够精确的原因进行了分析，指出了在注水流量控制装

2、置流体磨损腐蚀分析中充分考虑电化学腐蚀和不锈钢钝化作用的必要性。恒流堵塞器是一种用于油田分层注水系统的新型井下分层流量控制装置，它通过机械结构的流量负反馈或压力前馈作用对流量进行自动调节，具有结构简单、体积小、成本低、使用方便、可靠性高等诸多优点.freel为流体相的动力学粘度，CD为曳力系数，ReP为相对雷诺数，ρP、ρ分别为颗粒相和流体相的密度，dP为颗粒直径，g为重力加速度；F则主要包括附加质量力和升力，前者在颗粒密度大于流体相密度时的数值很小，而升力对细小颗粒的影响通常也可忽略，为简化计算过程，本文不考虑这些力的影响。因此，颗粒在t时刻的位移可表示为：

3、(2)1.2湍流扩散作用针对湍流对颗粒存在的扩散作用，Fluent6.1提供了随机轨道模型和颗粒群模型两种模拟方法，其中随机轨道模型可用于各向同性扩散为主的流动，此时，式(1)、(2)中的流体速度应按下式进行计算：u=ū+u'(3)式中，ū流体相的时均速度，u'为其随机脉动速度，Fluent6.1采用随机游走模型来确定该脉动速度，对k-ε湍流模型，有：(4)式中，k为湍动能，为服从正态分布的随机数。随机游走模型假定流体的脉动速度在流体涡的特征生存时间内保持为常量，同时应用了积分时间尺度的概念，对于具有良好跟随特性的细小颗粒，颗粒的积分时间尺度简化为流体的Lag

4、rangian积分时间尺度TL，对k-e湍流模型，有：TL=0.15k/e(5)式中，e为湍动能耗散率。1.3壁面碰撞恢复系数运动颗粒和壁面碰撞过程中，存在能量损失和转化，因而反弹速度低于入射速度。Southampton大学的研究人员对AISI4130钢在固体颗粒冲击时的速度变化进行了研究，结论如下7：(6)式中，a为颗粒冲击角，eT、eN分别为恢复系数的切向和法向分量。Fluent6.1中，上述拟合多项式形式的恢复系数可直接在壁面边界中进行设置。2冲刷磨损计算模型由于冲刷磨损破坏过程较为复杂，存在微切削、疲劳破坏、二次冲击、磨损腐蚀交互作用等多种物理化学过程

5、，到目前为止，人们仍未能全面揭示其内在机理。现在常用的塑性材料冲刷磨损模型主要有Finnie的微切削理论、Bitter的变形磨损理论等。Finnie的微切削理论主要考虑颗粒对材料的切除作用，因此主要适用于塑性材料在多角形磨粒、低冲击角下的磨损分析，对于塑性不很典型的一般工程材料、脆性材料及非多角形磨粒、冲角较大的情况下往往存在较大误差。而Bitter提出的冲刷磨损模型可以分为变形磨损和切削磨损两部分，其中切削磨损部分采用了与Finnie相似的分析方法，其计算公式为：(7)式中，mP为颗粒质量，c1、c2为与材料性质等有关的系数，uc为冲刷磨损临界速度，a0为切

6、削磨损模型的临界角度，eC、eD分别为材料表面产生单位切削和变形失重时吸收的能量。变形磨损部分是由颗粒冲击时产生的疲劳破坏造成的，存在亚表面层裂纹成核长大及屑片脱离母体的过程，计算公式为：(8)总磨损量为：(9)Bitter提出的冲刷磨损模型充分考虑了颗粒的微切削和冲击疲劳两种主要破坏作用，在冲刷磨损试验机上和实际工程运用中得到了较好的验证，合理地解释了塑性材料的冲刷磨损现象，同时计算模型较为简单，模型中的各参数比较明确且相对容易获得，在一些实例中也得到了较为理想的计算结果。因此，本文通过用户自定义函数(UDF)将Bitter冲刷磨损模型引入到Fluent6.

7、1并用来计算恒流堵塞器的冲刷磨损量。3计算过程及结果分析恒流堵塞器结构如图1所示，不同流量恒流堵塞器对应的节流阀口直径不同；而不同工作压差下，阀芯位置不同，即减压阀口开度不同。本文对额定流量为40m3/d和90m3/d的恒流堵塞器在工作压差2.0MPa和8.5MPa时的冲刷磨损情况进行了模拟。图1恒流堵塞器结构示意图Fig.1Structureoftheconstantfluxblankingplug3.1网格划分、边界条件及参数设置额定流量qV为40m3/d的恒流堵塞器的节流阀口直径d为4.46mm，对应工作压差2.0MPa和8.5MPa时的减压阀口开度Dx

8、分别为0.49mm和0.18mm；额定