基于fluent的楔形节流阀流场数值模拟

宋晓明

(承德石油高等专科学校 机械工程系，河北 承德 067000)

现代钻井工艺中，井控节流阀是节流管汇上的关键零部件，用以调节控制油气等流体的流量，维持井筒压力平衡[1-2]。目前，楔形节流阀因其工作稳定可靠广泛应用于油气钻采的节流管汇上。但是，在高压油气井压井的实际工况中，由于流体中携带的固体颗粒的冲蚀作用和液相流的气蚀作用，楔形节流阀很快失效而不能正常工作[3-5]。因此，为提高节流阀的工作可靠性，本文基于fluent对楔形节流阀进行数值模拟研究，得出其内部流场的分布规律及其特点，研究其引发失效的主要原因，为楔形阀的结构改进提供理论依据。

1 几何模型的建立

楔形节流阀的结构主要包括阀体、阀芯、阀座和防磨套，如图1所示。工作原理为：流体流经节流阀后流体的速度增大、压力变小，且流体压力随阀芯与阀座形成的开口大小的变化而变化。鉴于楔形节流阀结构复杂，为便于研究又不失计算准确性，在建立模型时，对其进行了相应的简化，利用Creo 2.0三维建模软件建立流体计算域模型，如下图2所示。

2 数值模拟计算

2.1 网格划分

针对节流阀流体计算域的复杂结构，本文在满足计算精度的前提下，采用非结构四面体网格对其进行网格划分，同时对阀芯周围等重要部位进行网格加密处理以更好地反映该区域内的流体流动情况，划分结果如下图3所示。

2.2 边界条件及求解设置

本文中楔形节流阀的流场比较复杂，对湍流模型的要求较高，因此采用realizablek-ε湍流模型。以速度为入口条件，取现场工况(流体的密度1 800 kg/m3，动力黏度0.02 Pa·s，入口流速9.2 m/s)，出口为自由发展出流(outflow)，壁面条件采用 standard wall function。计算方法采用压力与速度耦合方法SIMPLEC，离散格式采用二阶迎风格式second order upwind，以各项参数的残差小于1.0×10-4为收敛标准。

3 数值模拟分析

计算结束后，通过后处理得到节流阀某一开度的流场分布云图，如下图4所示。

从上图4可以看出，流体以9.2 m/s的速度流入，进入流道后流体形成均匀稳定的湍流状态；流体流经节流阀的节流口处时，由于通流面积的变小，流速急剧增大，在阀芯楔形面沿轴向处的速度值达到最大为241 m/s；大部分流体经导流面进入出口流道，少部分流体在阀芯底部形成漩涡。

4 结论

通过对楔形节流阀内部流体的流场分布规律及其特点的分析可知，流体在节流口的节流作用下形成高速流，对阀芯表面造成严重的冲蚀；同时，导流面的引流作用降低了高速流体对节流管壁的冲击。