钻井泵阀阀隙流场PIV实验研究

论文摘要

钻井泵阀是钻井泵的关键部件,同时也是最为脆弱的易损件之一,泵阀的失效常常导致钻井泵故障,影响到石油生产的正常运行。长期以来,人们对钻井泵阀失效问题开展了广泛的研究,但是针对泵阀阀隙流场的实验研究尚未得到成功开展。本论文从研究流场特性的角度探讨钻井泵阀失效的原因,设计并加工出钻井泵阀试验装置,利用粒子成像测速技术(Particle Image Velocimetry, PIV)对钻井泵阀阀隙流场的特性进行了模型试验研究。试验分别对锥角为30°、35°和45°的锥阀模型在不同升距时的阀隙流场进行了粒子图像的摄取,通过数据处理,得到了九种工况下的阀隙流场状态结果。论文从流场速度、流场涡量和流速折线图三个方面对阀隙流场总体特征进行了解释和归纳。试验还利用荧光粒子进行了阀隙流场测量,得到了层次清晰的抛物线状阀隙流速分布和阀隙区域的速度脉动分布。阀隙流场的PIV测量结果较好地验证了项目前期的数值模拟的结果。论文从PIV系统测量精度、粒子跟随性,以及光线折射三个方面讨论了PIV测量试验的误差情况。文章最后部分,根据阀隙流场最大流速的变化规律,通过拟合建立了阀隙流速的数学模型；根据阀隙流场的特性,结合实际工况钻井泥浆的特性和材料磨损的相关理论,综合分析了阀隙内湍流对泵阀磨粒磨损的影响以及阀隙流速特性对泵阀冲蚀磨损影响,并且对泵阀的改进提出了建议。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 泵阀问题的提出
• 1.2 泵阀问题研究现状
• 1.2.1 泵阀理论的研究
• 1.2.2 泵阀失效机理的研究
• 1.2.3 泵阀模拟研究与实验研究
• 1.3 课题来源及本论文任务
• 第二章 PIV技术及测试系统
• 2.1 PIV技术的基本原理
• 2.2 PIV测试系统的组成
• 2.2.1 PIV测试设备硬件组成
• 2.2.2 PIV测试系统软件组成
• 2.3 本章小结
• 第三章 钻井泵阀试验装置的建立
• 3.1 钻井泵泵阀的结构
• 3.2 泵阀流场试验研究理论依据
• 3.2.1 泵阀阀隙流场的假设和简化
• 3.2.2 相似原理
• 3.3 泵阀试验装置的设计与加工
• 3.3.1 模型壁厚确定
• 3.3.2 模型结构设计
• 3.4 试验装置管路布置
• 3.5 本章小结
• 第四章 泵阀阀隙流场PIV试验
• 4.1 粒子图像摄取方案及流程
• 4.2 粒子的选择与投放
• 4.3 试验中需要注意的问题及解决
• 4.4 粒子图像摄取操作流程
• 4.5 本章小结
• 第五章 粒子图像的处理
• 5.1 粒子图像处理原理
• 5.1.1 互相关原理
• 5.1.2 亚像素拟合
• 5.1.3 错误向量修正
• 5.1.4 图像偏置
• 5.1.5 迭代算法
• 5.1.6 变形窗口算法
• 5.2 粒子图像处理操作流程
• 5.3 本章小结
• 第六章 PIV结果分析及试验改进
• 6.1 阀隙流场速度分析
• 6.2 阀隙流场涡量分析
• 6.3 流速折线图分析
• 6.4 泵阀流场荧光粒子试验
• 6.5 测量误差的讨论
• 6.6 本章小结
• 第七章 泵阀失效综合评价及流场数学模型建立
• 7.1 阀隙流场经验模型的建立
• 7.2 泵阀流场特性与泵阀失效
• 7.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 研究成果及发表的学术论文
• 作者和导师简介
• 硕士研究生学位论文答辩委员会决议书