螺杆马达(PDM)流—固耦合动态仿真

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螺杆马达是一种容积式马达,又被称为定排量马达(PositiveDisplacementMotor,简写为PDM)。螺杆马达被广泛应用于石油钻井、地质勘探、建筑管道施工和国防工程等方面的钻进作业当中。现今螺杆马达还存在诸多问题,包括密封泄漏、橡胶衬套大幅振动、热变形、应力不均、寿命较短等。由于螺杆马达应用广泛,对螺杆马达进行研究十分迫切。在数值分析上,目前几乎都是对螺杆泵(ProgressingCavityPump,简写PCP)进行数值计算,且几乎都是纯流体或纯固体计算,极少耦合计算。受到算法限制,其流体完全连通,模型无法实现真正的移动中的密封液体腔。据了解目前还没有成功对PDM进行过流-固耦合数值计算的案例,所以解决这一难题是很有必要的。螺杆马达的运动问题可视为液压驱动下的高速旋转碰撞问题,本文依据螺杆马达线型理论,建立了三维三头螺杆马达模型,应用流体力学与弹性力学知识对其进行模拟。模型考虑了橡胶衬套的超弹性,以及其与转子间的摩擦。将浸入边界法引入流-固耦合计算当中,用以处理流-固耦合下的接触问题。并对三头螺杆马达进行了动态仿真分析。做到了液压驱动,同时实现了螺杆马达动态实时形成和释放流体密封腔。通过数值计算分析得到了橡胶衬套应力的实时分布情况,同时研究了不同橡胶衬套定子、不同压差、不同导程以及不同钻井液动力粘度下螺杆马达的工作效率,得出了一些优化结果,对研究改进螺杆马达的设计有重要意义。综上所述本文构建了螺杆马达数值计算平台,可为各型螺杆马达做全面的流-固耦合分析,从而提升产品品质,缩短研发周期。
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