石油鉆井中,下部鉆柱的渦動(dòng)會(huì)引發(fā)鉆具的疲勞損壞,增加鉆井成本。鉆井液動(dòng)力學(xué)與鉆柱動(dòng)力學(xué)相結(jié)合是鉆柱渦動(dòng)理論研究的必然。鉆柱渦動(dòng)下的流場(chǎng)分析是研究鉆井液的流體作用力以及鉆柱渦動(dòng)規(guī)律的基礎(chǔ),為此,本文通過(guò)理論及數(shù)值計(jì)算、模擬仿真、PIV測(cè)量實(shí)驗(yàn)等三種方法,對(duì)內(nèi)桿與外筒偏心自轉(zhuǎn)誘發(fā)的平面流場(chǎng)進(jìn)行分析。建立了柱坐標(biāo)系下內(nèi)桿與外筒同心自轉(zhuǎn)誘發(fā)牛頓流體平面層流流動(dòng)的動(dòng)力學(xué)方程,結(jié)合邊界條件,得到了切向速度、壓力和流函數(shù)的解析解。建立了雙極坐標(biāo)系下,考慮慣性力的內(nèi)桿與外筒偏心自轉(zhuǎn)誘發(fā)牛頓流體平面層流流動(dòng)的流函數(shù)-渦量控制方程,給出了速度、流函數(shù)、渦量等參數(shù)的邊界條件�；谟邢薏罘址椒▽�(duì)流函數(shù)-渦量控制方程進(jìn)行了離散,Lax-Wendroff格式顯式推進(jìn)求解對(duì)流項(xiàng),全隱式求解擴(kuò)散項(xiàng),超松弛迭代法求亥姆霍茲方程,通過(guò)Matlab軟件進(jìn)行編程仿真。結(jié)果表明:除了內(nèi)桿與外筒反方向偏心自轉(zhuǎn)外的其它工況下,二次流出現(xiàn)都存在偏心率的臨界值;出現(xiàn)了類似于泰勒渦的面渦;二次流的渦心會(huì)發(fā)生偏移,主要是慣性力的影響;僅內(nèi)桿偏心自轉(zhuǎn)或僅外筒自轉(zhuǎn)時(shí),二次流區(qū)域隨著偏心率和轉(zhuǎn)速的增大而增大;內(nèi)桿與外筒同方向偏心自轉(zhuǎn)時(shí),二次流區(qū)域...

【文章頁(yè)數(shù)】：136 頁(yè)

【學(xué)位級(jí)別】：博士

【部分圖文】：

圖2-1柱坐標(biāo)系及內(nèi)桿與外筒同心自轉(zhuǎn)的幾何模型

uz——流體質(zhì)點(diǎn)的軸向速度(m/s)。由于單位質(zhì)量流體的重力在徑向和切向的分力都為零,在z方向?yàn)?g,為此,Navier-Stokes方程簡(jiǎn)化為

圖2-2平面坐標(biāo)系及偏心流場(chǎng)的幾何模型

v——流體質(zhì)點(diǎn)A在y方向上的速度(m/s)。平面坐標(biāo)系下,不可壓縮牛頓流體的連續(xù)性方程為

圖2-3雙極坐標(biāo)系

直角坐標(biāo)系下,偏心環(huán)形空間的幾何形狀不規(guī)則,故引入雙極坐標(biāo)系(?,?),將求解區(qū)域由偏心環(huán)域變?yōu)榻扑倪呅斡?雙極坐標(biāo)系見(jiàn)圖2-3。雙極坐標(biāo)系類似于極坐標(biāo)系,它的坐標(biāo)線為一系列圓心位于y軸上的非同心圓和一族彎曲射線組成,兩族坐標(biāo)線相互正交。

圖2-4偏心率增大下的流函數(shù)云圖及流線圖

外筒靜止,內(nèi)桿轉(zhuǎn)速為-120r/min。由偏心率為0.1開(kāi)始,每增加0.1依次進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,二次流出現(xiàn)的臨界偏心率為0.5,PIV實(shí)驗(yàn)測(cè)量的二次流出現(xiàn)的臨界偏心率為0.7,為了分析與對(duì)比二次流的出現(xiàn)及區(qū)域變化規(guī)律,偏心率分別取0.4、0.5、0.6、0.7,偏心環(huán)空流場(chǎng)的流函數(shù)云....

本文編號(hào)：4053812