[发明专利]一种中低压压裂井口中针形节流阀冲蚀优化设计方法

权利要求书

1.一种中低压压裂井口中针形节流阀冲蚀优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：获取针形节流阀的性能参数；

S2：建立简化的针形节流阀三维模型并设置材料属性：

根据步骤S1中获取的性能参数，采用三维造型软件绘制步骤S1中的针形节流阀三维模型，之后保留阀体、阀杆、阀针以及阀座以获取针形节流阀三维模型的简化模型；

之后对简化模型的阀体、阀杆和阀座分别进行材料选择；

S3：将步骤S2建立的简化模型导入ANSYS Workbench中，采用非结构化四面体网格方式对简化模型进行网格划分；

S4：将步骤S3中的简化模型导入WorkbenchFluent软件进行数值模拟计算；其中，仿真分析基于液固两相流方程和冲蚀磨损方程；液固两相流方程包括湍流运动的连续方程和动量方程；

湍流运动的连续方程为：

湍流运动的动量方程为：

S5：根据模拟结果，获取简化模型中阀体的冲蚀位置、冲蚀位置的阀体冲蚀率曲线图；

S6：根据冲蚀位置、阀体冲蚀率曲线图，对步骤S2中的简化模型进行结构优化，以获取节流阀的优化模型：

其中，优化模型中的阀针包括一连接部和一扁平部；优化模型中的阀杆、连接部、扁平部依次连接；

S7：重复步骤S3～S5，以获取优化模型中阀体的冲蚀位置、阀体冲蚀率曲线图；

S8：对比步骤S5和步骤S7中的分析结果以对优化模型进行验证。

2.根据权利要求1所述的中低压压裂井口中针形节流阀冲蚀优化设计方法，其特征在于，所述扁平部包括相互平行的两曲面；两曲面的交线正对流体入口。

3.根据权利要求1所述的中低压压裂井口中针形节流阀冲蚀优化设计方法，其特征在于，步骤S4中湍流运动的连续方程的建立过程如下：

不可压缩湍流瞬时速度满足的连续方程为：

对其进行平均运算，得平均运动的连续方程：

根据平均值定义，将瞬时速度u_i表示为时均值与脉动值u_i′之和，即代入上式可得：

结合平均运动的连续方程，可得湍流运动的连续方程：

其中，u-速度；-速度统计平均值；i、j-运算统计次数；

x_i-i方向上的坐标位置；x_j-j方向上的坐标位置。

4.根据权利要求3所述的中低压压裂井口中针形节流阀冲蚀优化设计方法，其特征在于，步骤S4中动量方程的建立过程如下：

(1)根据不可压缩湍流瞬时速度满足的连续方程，变形获取可压缩湍流瞬时运动的连续方程，之后对方程式进行平均：

其中，不可压缩湍流瞬时速度满足的连续方程为：

结合不可压缩湍流瞬时速度满足的连续方程，可压缩湍流瞬时速度满足的连续方程可表示为：

平均后的方程式为：

(2)对平均后的方程式中各部分进行取平均运算，如下：

(3)将步骤(2)中所有公式分别带入平均后的方程式，以获取湍流平均运动的动量方程：

将湍流应力项与粘性应力项合并，湍流平均运动的动量方程简化为：

(4)将总平均应力张量和平均运动的连续方程式代入步骤(3)中湍流平均运动的动量方程简化式可得：

其中，σ_ij表示总平均应力张量；

v表示流体速度，m/s；

t表示时间，s；

τ_ij表示平均流粘性应力，N；

τ_ij′表示湍流附加应力，N；

ρ表示相对于参考温度T₀的参考密度，kg/m³；T₀指可取流动的平均温度与边界层温度，k；g为垂直方向重力加速度，m/s²；β表示液体热膨胀系数。

5.根据权利要求1所述的中低压压裂井口中针形节流阀冲蚀优化设计方法，其特征在于，性能参数包括阀体公称通径、阀体高度和流出口端通径。