25黃紅梅_pdc鉆頭旋轉(zhuǎn)流場-稿件

1、1旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)PDC鉆頭流場數(shù)值模擬計(jì)算研究鉆頭流場數(shù)值模擬計(jì)算研究黃紅梅1，翟應(yīng)虎2（1.中國石油勘探開發(fā)研究院機(jī)械所，北京910信箱100083；2.中國石油大學(xué)石油工程學(xué)院，北京昌平102249）摘要：摘要：利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)技術(shù)對(duì)旋轉(zhuǎn)PDC鉆頭的三維湍流流場進(jìn)行了數(shù)值模擬。模擬中考慮了鉆頭的切削齒和鉆頭的射流噴嘴對(duì)流場的影響。流場的網(wǎng)格劃分采用局部加密的混合網(wǎng)格形式，保證了計(jì)算精度和運(yùn)算速度的要求。流場的控制方程在單一旋轉(zhuǎn)參考坐標(biāo)系

2、中建立，流場的湍流模型采用的是重整化群模型(renmalizationgroupRNGmodel)。旋轉(zhuǎn)流場的三維模擬結(jié)果揭示了??k??k旋轉(zhuǎn)流場與靜止流場的區(qū)別，為進(jìn)一步的鉆頭水力結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析奠定了理論基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：PDC鉆頭；流場；數(shù)值模擬；旋轉(zhuǎn)目前，國內(nèi)采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)技術(shù)對(duì)PDC鉆頭流場的研究，由二維、單噴嘴發(fā)展到最近的三維、旋轉(zhuǎn)、非對(duì)稱多個(gè)噴嘴的流動(dòng)數(shù)值模擬[1]，取得了很大的進(jìn)步。但在鉆頭物理模型的選取上，沒有考

3、慮真實(shí)的鉆頭模型，如鉆頭上的切削齒和射流噴嘴等。因此，模擬結(jié)果用來指導(dǎo)PDC鉆頭的水力結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)還有一定的差距。1旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)PDC鉆頭的流場數(shù)值模擬鉆頭的流場數(shù)值模擬1.11.1建立鉆頭流動(dòng)的幾何模型及網(wǎng)格劃分建立鉆頭流動(dòng)的幾何模型及網(wǎng)格劃分選用一只BK432PDC鉆頭進(jìn)行流場數(shù)值模擬。鉆頭的幾何模型由CAD軟件完成，如圖1所示。該鉆頭有四片刮刀，2對(duì)噴嘴噴嘴出口直徑均為11mm?？拷@頭中心部位的噴嘴傾斜角度分別為12度、18度；另兩

4、只噴嘴傾斜角度分別為22度、25度。利用已建立的PDC鉆頭幾何模型，在CAD軟件中建立了鉆頭的流動(dòng)模型。對(duì)流動(dòng)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。在流場的網(wǎng)格劃分中，將幾何模型分為3部分，最上面的部分為逐漸稀疏的棱柱體網(wǎng)格；中間部分為過渡網(wǎng)格，其中中心液流為棱柱體網(wǎng)格，外圈為四面體網(wǎng)格；最下面的部分包含有4片刮刀和切削齒，此部分為四面體網(wǎng)格，局部加密。采用這種局部加密的網(wǎng)格形式，既滿足了計(jì)算精度的要求，又兼顧了模擬的運(yùn)算速度。圖1鉆頭的幾何模型3軸向流量

5、動(dòng)量的比值。對(duì)于較弱的中等渦流（S0.5），應(yīng)該使用雷諾應(yīng)力（RSM）??k模型。PDC鉆頭的旋轉(zhuǎn)流動(dòng)屬于中等強(qiáng)度的渦流，可采用RNG模型。??kRNG模型是將非穩(wěn)態(tài)NavierStokes方程對(duì)一個(gè)平衡態(tài)作Gauss統(tǒng)計(jì)展開，并用對(duì)??k脈動(dòng)頻譜的波數(shù)段作濾波的方法，從理論上導(dǎo)出高Re數(shù)模型，所得出的方程形??k??k式上同標(biāo)準(zhǔn)模型完全一樣，但不同的是5個(gè)系數(shù)之值不是根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)而是由理論分??k析得出。這套系數(shù)的最新結(jié)果為［2］：；

6、；085.0??c301~1)~~1(~42.1?????????c68.12?c；；7179.0?k?7179.0?????Sk?~；；21)2(jijiSSS?38.4~0??015.0??)(21ijjijixuxuS??????高Re數(shù)方程采用上述系數(shù)時(shí)就構(gòu)成了重整化群模型(renmalizationgroup??k??kRNGmodel)。顯然，與標(biāo)準(zhǔn)模型相比，RNG模型的最大特點(diǎn)在于在??k??k??k方程產(chǎn)生項(xiàng)的系數(shù)的計(jì)算

7、中引入了主流的時(shí)均應(yīng)變率。這樣在RNG模型中?1cjiS??k之值不僅與流動(dòng)情況有關(guān)，而且在同一問題中也還是空間系數(shù)的函數(shù)。1c由于RNG模型采用高Re數(shù)方程，因而在接近壁面處要采用壁面函數(shù)法??k??k來處理。1.41.4流動(dòng)的邊界條件及計(jì)算介質(zhì)流動(dòng)的邊界條件及計(jì)算介質(zhì)流動(dòng)的入口條件根據(jù)鉆頭的工作排量來估算。設(shè)定鉆頭工作排量為30升每秒，則初始速度為11.7ms，即，。流動(dòng)的出口條件采用的是無回流00?u00?vsmw7.110?的出