钻井泥浆净化系统中水力旋流器的研究与应用

【摘要】针对石油钻井系统中泥浆净化第二级分离设备水力旋流器(除砂器和除泥器)分离效率不高、易磨损等问题,本文在分析水力旋流器基本理论的基础上结合先进的计算流体力学技术对水力旋流器的工作过程进行三维的仿真,对三维流场进行分析,计算得到分离效率及水力旋流器器壁磨损量情况,改进水力旋流器的结构,提高水力旋流器内部流场稳定性,提高分离效率并减少壁面磨损。水力旋流器的分离效率受结构因素影响,本文为优化水力旋流器的结构,选定直径为l00mm的除泥器为研究对象,对水力旋流器的进口形状(普通切线型入口、渐扩式入口、带导流板入口、对称入口和阿基米德螺旋线入口)、溢流管插入深度、溢流管壁厚、圆柱段长度和圆锥段的角度5个结构因素进行考虑,每个因素确定5个水平值,采用正交试验方法对上述5因素5水平的问题进行数值模拟试验,通过25次计算后,计算得出每种结构组合的分离效率,通过正交分析可得出各个因素中对分离效率影响最大的因素及分离效率最高的结构组合。水力旋流器的磨损主要是固体颗粒对壁面的冲蚀所造成的,利用Fluent中的离散相模型和磨损模型对水力旋流器工作过程中的磨损位置及磨损量进行预测。结果表明：各结构因素对水力旋流分离器分离效率的影响不是呈单一的递增或递减的关系；对分离效率的影响主次因素为入口形状、圆锥段锥角、圆柱段长度、溢流管插入深度、溢流管壁厚；分离效率最优的组合为阿基米德螺旋线入口,溢流管壁厚为18mm,溢流管插入深度为130mm,圆柱段长度为150mm,锥角为10°的水力旋流器；阿基米德螺旋线入口水力旋流器内部流场更为稳定,强制涡流较小,入口处湍动能小,而且还对进入旋流器的混合液体有导流加速作用,能有效的提高旋流分离器的分离效率；水力旋流器磨损区域主要集中圆锥段,磨损最大的位置也在圆锥段,阿基米德螺旋线入口水力旋流器与传统的切线型入口水力旋流器相比,整体的磨损量小很多,而且在圆锥段的磨损也更为均匀,阿基米德螺旋线入口能有效的减少水力旋流器的磨损。
【作者】魏雷；
【导师】张力；
【作者基本信息】兰州理工大学，机械设计及理论，2014，硕士
【关键词】水力旋流器；数值模拟；正交试验；磨损；优化设计；阿基米德螺旋线；

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