偏心环空螺旋流动数值模拟研究

偏心环空螺旋流动数值模拟研究

张佳亮 马思达 康也 郝敏

沈阳化工大学 辽宁省沈阳市 110000

摘要：螺杆泵采油过程中，抽油杆常因流体的剪切作用力而产生除自转以外的公转运动即行星运动。环空幂律流体的螺旋流动导致环空采出液输运受阻、抽油杆偏磨等问题。本文基于FLUENT模拟了偏心环空幂律流体在抽油杆做行星运动对环空流场的扰动，结果表明：随着偏心距的增加，环空宽侧间隙轴向流速，环空内产生二次流现象，且现象加剧，环空压降呈曲线下降。

1.绪论

螺杆泵采油过程中，环空内抽油杆的自转导致抽油杆和油管壁面产生压强差，致使环空内产生二次流现象^[1]，对环空压降损耗、流体输运有显著影响。

庞博学^[2]针对环空内螺旋流动进行模拟，结果表明抽油杆自转和公转同向与反向对环空二次流的影响并不相同。李朋银^[3]针对偏心环空螺旋流动进行模拟，认为内杆与外管同时自转时，二次流的涡心不仅只有一个。

鉴于抽油杆做行星运动对环空流场扰动部分影响因素尚不明确，本文采用FLUENT动网格和UDF相结合的方法，系统分析了偏心距对环空流场的扰动。

2.环空模型与数值模拟

模拟螺杆泵采油时，幂律流体的n=0.6，k=0.4Pa·s，密度865kg/m³。环空模型总长度3000mm，环空外径80.52mm，内径36mm。为保证抽油杆高速转动时内壁面的网格精度不降低，对抽油杆的外壁面划分出一层厚度为2mm的网格。使用UDF指定抽油杆壁面的网格做行星运动，其它区域采用重构法更新网格。所有壁面均设置为无滑移壁面条件，进口流速为0.6m/s，出口为大气压条件。模拟偏心环空幂律流体的流动时，做出如下假设:幂律流体的温度保持不变；幂律流体为单一物相不可压缩流体；抽油杆、油管壁面均无滑移。

3.模拟分析

设置抽油杆的自转速度为120RPM，针对偏心距分别为4.452mm、8.904mm、13.356mm、17.808mm的环空进行模拟，计算时间步长选为0.0025s，计算步数400步，得到偏心距对环空螺旋流动规律的影响。

图1 不同偏心距环空轴向速度云图

由图1可知，随着偏心距的增加环空宽侧间隙的轴向流速和湍流区域均增加，流速核心区域的偏移角度也增加，窄侧反而降低，这是由于采出液的粘度所导致的，此外流场的不均匀度也增加；受抽油杆自转的影响幂律流体的剪切稀化效果增强，偏心距越大宽侧间隙杆壁面轴向流速越大。

图2不同偏心距环空切向速度云图和流线图

由图2可知，当偏心距增加到13.356mm时，环空宽侧间隙靠近外壁面处存在明显的二次流现象；当环空内存在二次流时，该区域的流线方向和抽油杆转动方向相反，二次流区域呈月牙形状，其涡心仅为一个且靠近环空外壁面，涡心运动趋势和抽油杆自转方向相同；随着偏心距的增加二次流现象逐渐加剧，环空流量最大值出现在二次流区域的涡心位置。

图3不同偏心距环空切向速度曲线

由图3可知，环空切向流速沿径向距离逐渐降低，靠近抽油杆壁面的切向速度最大，环空外壁面处切向速度几乎为0，容易形成二次流区域；环空宽侧间隙的切向速度低于窄侧位置，随着偏心距的增加环空宽侧间隙的切向流速增加。

图4 不同偏心距环空动压强

图5 不同偏心距动压强和环空轴向压降

图4和图5分别为环空动压强云图和环空压降变化曲线。由图4和图5可知，环空宽侧间隙的动压强随着偏心距的增加而增加，窄侧则相反，抽油杆两侧的压强差增加，抽油杆两侧受力不一致导偏磨现象的加剧；环空螺旋流的压降变化规律和定常流动有所不同，螺旋流轴向压降并非一条直线，这是由于幂律流体的螺旋流动所导致的，随着偏心距的增加环空压降会减小。

4.结论

（1）宽侧间隙的轴向流速、流场不均匀度和流速核心区域偏移角随着偏心距、的增加而增加，湍流核心区域存在于环空宽侧间隙。

（2）偏心距增加到13.356mm，宽侧间隙会出现二次流现象，二次流区域靠近环空外壁面，该区域的切向流速趋近于0；二次流区域随偏心距的增加而增加。

（3）环空动压强的变化规律和轴向流速相似，但环空宽侧间隙的动压强明显高于窄侧，抽油杆均有向窄侧的运动趋势，导致偏磨现象的加剧。

5.参考文献

1. 崔海清,刘希圣.幂律流体偏心环空螺旋流中的二次流问题[J].水动力学研究与进展(A辑),1995,11(06):610-620.

2. 庞博学. 流体在内杆做行星运动的环空中流动的数值模拟[D].东北石油学,2016.

3. 李银朋. 内杆与外筒偏心自转诱发平面流场分析[D].燕山大学,2020.