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四、高压节流阀件的研究
节流阀是接在节流管线上,用控制节流阀通道大小来对液流造成阻力而生成
回压,使井内流体在受控下流出的零部件。在众多的阀门中,节流阀就是其中一
种。在压井施工中,节流阀是为了提高环空流动阻力而在循环通路的末端人为设
置的一个流动障碍,流体流经节流阀时,产生一个适当的流动阻力,这个阻力通
过流体传递到井底,以弥补不足的井底压力。而当节流阀应用在节流管汇,其作
用是控制流量,用于保持整个油气生产系统的压力。可以说节流阀是节流系统的
核心部件。所以要解决节流系统在高压井中的井控问题,首先需要进行高压节流
阀的研究。
为了实现对流体的控制,阀门一般应具备以下性能:即密封性能、强度性
能、调节性能、动作性能和流通性能。对于大多数阀门来说,密封问题是首要问
题。但对于安装在节流管汇、井口采油树或压井管汇上的节流阀等调节类阀,除
了对密封和强度的基本要求外,其调节性能的优劣具有重要意义。
在塔里木油田现场,普遍使用的节流阀是针形阀,亦即锥形阀。通过在现场
的调研及实践,在锥阀的使用过程中,常出现许多对油气田生产不利的现象,如
噪声大,阀杆振动,严重的甚至会造成阀杆断裂,阀座刺穿。针对这种情况,进
行高压节流阀的研究十分必要。
4 .1 节流阀的流体力学及动力学理论分析
4 .1.1 管内流动
粘性是流体的固有属性。在油田现场的管道中的真实流动都是具有粘性的流
动。但是由于常见的液体和气体的粘性系数µ 的数值很小,因而在速度梯度不是
很大的流场中,粘性力相对于其它力而言为小量,故可不考虑粘性力的作用,从
而可以假定为理想流体;但在采油井口的油气采输,管道输送以及压井施工中,
由于在管道存在速度梯度很大的区域,则必须考虑粘性力的作用。对于复杂的流
动问题目前只有某些特殊问题,才可以完全用理论方法来求解,而大量实际问题
如节流阀(复杂的三维非等截面弯管)中的流动则主要是依靠数值计算方法和实
验的方法来求解。由于实际实验的方法成本较高,故本文采用计算机数值模拟计
算。
在石油工业管道输送系统中,除了长直区段外,还大量存在几何形状不规则
的区段,这些区段内的流体一般都处于湍流状态,运动十分复杂,如流体在弯管、
非圆管、突然缩小、突然扩大的管道真实流动,情况更为复杂,在那里可能出现
如图 3-1 ,图3-2 所示的脱体流动、二次流;形成旋涡,造成局部障碍及损失。
这些漩涡的发生和发展对边界几何形状有着强烈的依赖性,其形状和强度因流道
的不同而不同,是非均匀和高度各项异性的。其中大涡对平均运动有强烈的影响,
大部分质量、动量和能量的输运都是大涡引起的;二次涡的大小、位置及发生的
频率会对流动系统的阻力、能量损失产生重大的作用。是流体流经转弯方向时,
由于流体惯性而形成的,它是一种回转运动。
脱脱
_ 图3--1 扩散段中的脱体流动 _图 3-2 弯管中的二次流
4 .1.2 流体动力学方程的建立
流体力学中通常采用欧拉法来研究流体速度、压力、密度、温度等矢量场和
µ
标量场。对于粘性系数 不是很小的时候,由于有流动能量损失、流体阻力等问
题的发生,不能按理想流体来处理,需按粘性流体进行研究。
因为在实际工程中的流动都是粘性流动,要建立节流阀内高速运动的动力学
方程,就必须了解流动的特性。首先,在节流阀内流动的泥浆、或原油他们都是
粘性系数不小的流动,就不能视之为理想流体,而应当作粘性流动来处理;同时
在局部复杂的流动结构中,速度很大,流动呈很强的混乱性,因而又是紊流。
工程中的流动问题紊流较多,习惯上把内部流称为紊流,外部流称为湍流,
以后在本文中简称为紊流。与层流相比,紊流运动是复杂的不规则运动,在数学
模型及数值处理方法方面远不及层流运动那样成熟。至今仍有许多问题未被人们
所认识,不少问题正在深入研究中。紊流计算与层流计算在本质上不同。对于层
流,集中对所建立的方程求解即可;而对于紊流,由于方程组往往不是可以求解
的形式,故必须根据实验数据和物理性的研究,对方程组加以模型化后,进行解
算,得出数值解。关于内部紊流,目前主要在研究和应用的是直接计算法、大涡
模拟法和紊流粘性模型法。本节着重讨论在工程科学中实际应用较多以及本文采
用的紊流粘性模型法,简述前两种方法。
在工程实际计算前要确定流体力学简化模型。工程实际中的流体力学问题都
是十分复杂的,必须抓住问题中的本质因素,忽略次要因素,提出合理的简化假
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