自动防斜钻井液压系统研究及其旋转导向套CFD仿真分析

论文摘要

近年来,随着计算流体力学（CFD）的发展,从研究自动垂直旋转导向系统机理出发,使用数值仿真研究自动垂直旋转导向系统内流场的流动,利用数值仿真结果来指导自动垂直旋转导向系统的设计己经成为重要的研究方向。采用数值模拟手段,一方面可以节省试验的资源,缩短新产品的研制时间;另一方面它可以显示从试验中难以得出的流动特征的细节。本文应用CFD软件Fluent研究自动垂直旋转导向系统的内部流动,主要做了以下几方面工作:1.概述了自动垂直旋转导向系统研究的国内外研究成果,综合叙述了研究流场的基本方法。2.介绍了自动垂直旋转导向系统结构,阐述了纠斜液压系统工具控制工作原理和控制方式,分析了导向套的力学性能。3.考虑到旋转钻具导向套曲面的复杂性,本文利用造型软件Pro/E对旋转钻具导向套内过流部件进行造型,叙述了旋转钻具导向套的实体造型过程,然后将整体造型结果导入到Gambit中对实体模型进行处理划分网格,并简要介绍了网格生成技术,应用Fluent分别计算了多种工况下的流动,得到了多种三维湍流场的分析结果,包括静压分布图、总压分布图以及速度矢量分布图等,为下一步优化旋转钻具导向套设计提供了相关数据和改进的方向。4.介绍了湍流与计算流体力学的发展现状及在工程中的应用,对计算模型进行了阐述,应用CFD软件Fluent对进口三维不可压湍流流场进行数值模拟,确定其求解区域并引入边界条件,采用更符合实际工程中广泛应用的RNG k-ε湍流模型,利用有限体积法对控制方程进行离散,采用交错网格存放变量,然后用SIMPLE算法来求解,并对计算的结果进行了分析和研究。计算研究的结果对旋转钻具导向套设计提供了一定理论依据,对进一步的实验研究具有一定的指导意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题来源及选题目的意义
• 1.1.1 课题来源
• 1.1.2 选题目的和意义
• 1.2 井下自动垂直旋转导向系统国内外研究现状分析
• 1.2.1 国外研究发展状况
• 1.2.2 国内研究发展状况
• 1.3 流场研究的基本方法
• 1.3.1 理论解析法
• 1.3.2 实验测试
• 1.3.3 数值模拟
• 1.4 本论文研究内容、途径及技术路线
• 1.4.1 研究内容
• 1.4.2 研究途径及技术路线
• 第二章 自动垂直钻井液压工具设计及工作原理
• 2.1 纠斜液压钻井工具结构
• 2.2 自动防斜钻井纠斜液压控制系统实现及分析
• 2.3 自动防斜钻井系统纠斜控制原理
• 2.3.1 单缸自动防斜控制工作过程
• 2.3.2 单双缸混合自动防斜控制工作过程
• 2.4 自动垂直钻井控制系统控制方式
• 2.5 流量匹配与转速差控制
• 2.6 下部钻具力学性能分析
• 2.7 本章小结
• 第三章 CFD 介绍及井下液固两相流处理
• 3.1 CFD 技术研究现状
• 3.1.1 CFD 软件的分类
• 3.1.2 CFD 软件的应用
• 3.2 两相流的定义与分类
• 3.3 井下液固两相流的处理
• 3.4 本章小结
• 第四章 旋转钻具导向套的建模及网格划分
• 4.1 三维旋转钻套结构模型及模型简化
• 4.2 Gambit 软件简单介绍
• 4.3 旋转钻具导向套几何模型
• 4.4 三维旋转钻套计算网格的划分
• 4.4.1 计算网格的类型和尺度
• 4.4.2 选择适当的网格类型及网格质量
• 4.4.3 靠近壁面的边界层网格
• 4.4.4 旋转钻具导向套网格划分
• 4.5 旋转钻具导向套流场边界条件
• 4.6 本章小结
• 第五章 旋转钻具导向套及井下流场几何模型模拟仿真分析
• 5.1 井下流场数学模型
• 5.1.1 N-S 方程
• 5.1.2 k-ε模型
• 5.2 井下流场求解器的选择
• 5.2.1 分离求解器
• 5.2.2 耦合求解器
• 5.2.3 旋转钻具导向套流场仿真求解器的选择
• 5.3 旋转钻具导向套流态分析及性能曲线计算
• 5.4 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间发表的论文
• 详细摘要