在柱塞泵易损件中，泵阀寿命短，而泵阀的寿命、使用状况直接制约着钻井泵向高压、高冲次、大排量方向发展。在现有的泵阀失效机理研究中，随着摩擦学知识的普及和应用，对泵阀失效原因和机理有了进一步的认识。已有资料表明，对泵阀失效机理的认识主要集中在高压流体冲蚀磨损、磨粒磨损和阀盘冲击阀座形成的冲击疲劳几个方面11 3，而冲蚀磨损是引起栗阀失效的主要原因。它是由钻井液或压裂液所携带的磨砺性固体颗粒引起的，与阀隙流场的特性有着直接关系。因此，要揭示泵阀密封的失效机理，就必须充分了解阀隙流场钻井液的流速分布以及流动规律，研究阀盘、阀座与钻井液的相互作用机制。笔者在现有理论成果的基础上，利用CFD方法模拟阀隙流场，分析研究阀隙流场的流速及其分布规律，以期为深人研究泵阀磨损失效机理提供有效的方法和理论依据14 1泵阀工作原理以排出阀为例，假设阀体密闭腔内充满液体，则柱塞处在阀体左端。在理想状态下，排出冲程开始时，活塞从左开始向右运动，排出液体，使密闭腔内液体压力升高到/>，此压力足以克服排出阀阀盘自重及弹簧的弹力/>2，压缩弹簧，阀盘离开阀座，排出阀打开。在排出冲程完成时，排出阀在自重及弹簧力A的作用下，回到阀座上，排出阀关闭。排出阀工作原理如所示（图中泵阀为上升状态，I为阀座孔内液流速度）；67.由阀隙流场特点分析可知，非牛顿流体、窄缝隙变截面的泵阀阀隙流场是复杂的。为此，研究阀隙流场，首先应当在进行详细分析的基础上做必要的简化和假设。

　　2泵阀液力端流场模型简化及边界条件确定由分析可知，液力端在排出液体的过程中，液基金项目：国家科技重大专项“大型油气田及煤层气开发”专题“煤层气欠平衡钻井配套技术研究”（2008ZX05000缸内部流体流动也为紊流，流场较为复杂，流场内高冲次时腔内流场在压力42. 3MPa下3种工况的各参数（压力、流速等）随时间做连续的无规则速度分布和压力分布云图，如、所示。

　　高冲次时3种状态下排出腔的速度云图通过对排出腔模型的CFD分析，得出了在低冲次时3种状态下排出腔的速度云图变化，因此选取此种工况对排出腔内的流场进行数值模拟，模拟前提出以下假设：通过计算，此模型中的雷诺数远大于临界雷诺数（2 000~3000），因此模型中流体的流动状态主要是紊流，满足/c-e紊流模型。

　　数值计算方法采用有限元体积法中常用的Simple算法求解离散方程组。

　　模型边界条件：对液力端的分析可知，在高压力和大流量2种工况下，排出端内部的流场相对较为复杂，因此选取这2种工况来对排出腔内的流场进行模拟。

　　为了进一步探讨阀体及阀隙间的流场流速分布与阀开度之间的关系，同时与排出阀的分析对应，第1种情况取三缸泵在高冲次（即299mirT1）时的挡位，分别在曲柄转角小=195、210、270°时刻，排出阀阀盘对应的升程分别为=3.8mm、=7.2mm、=12.8mm，给定人口边界条件（即瞬时流量）分为9. 83、18.61和32.59L/s，采用压力出口边界条件压力为42. 3MPa；第2种情况取三缸栗在低冲次（即79mirT1）时的挡位，分别在曲柄转角小=195、210和270°时刻，排出阀阀盘对应的升程分别为h 86和8.62L/s，同样采用压力出口边界条件压力为99.4MPa，壁面给定无滑移固壁条件，即取wall=，Lall=0，wall=0，wall 2为3种角度下排出腔内部流场的瞬时边界模型。

　　善S墨排出腔内部流场在3种角度下的边界模型3CFD求解计算及结果分析3.1高冲次和排出压力小时的流场云图单位：m/s高冲次时3种状态下排出腔的压力云图由阁3可知，随着曲柄转角的增大，通过排出腔的流体速度在相应增大。3种情况下流体速度较大的地方都集中在阀座与阀盘的间隙区域，且阀盘的升程越大，通过阀隙的速度也增大，在排出阀排出孔中速度为集中。特别是当转角达到270°时，由于柱塞的速度较大，同时在排出过程中过流面积减小，在阀隙和排出孔产生流体速度较大，大的地方达到8.374m/s，使排出的液体流速较快。另外，在流体流经腔体内部时，产生了部分涡流和回流，因此大冲次下的流体可能会对排出腔产生一定的影响。由可知，在给定相同压力边界条件下，3种状态下的压力变化较小，3种流场的压力都在42. 3.2低冲次和排出压力大时的流场云图通过对排出腔模型的CFD分析，得出了在低冲次时腔内流场在压力99.4MPa下3种T况的速度分布和压力分布云图，如、所示。

　　韩传军等：基于CFD的三缸柱塞泵泵阀失效机理研究低冲次时3种状态下排出腔的压力云图由图。5可知，随着曲柄转角的增大，通过排出腔的流体速度也在相应增加，3种情况下流体速度较大的地方都集中在阀座与阀盘的间隙区域，且阀盘的升程越大，通过阀隙的速度也增大，并在排出阀排出孔中速度为集中，大速度也发生在阀座与阀盘的间隙区域以及过流面积减小的区域，然而在流体被排出的过程中，大速度为2.217m/s，流体的平均速度相对高冲次下的流速减小了许多。由可知，在给定相同压力边界条件下，3种状态下的压力变化较小，3种流场的压力都处在99.4MPa左右。

　　分析表明，无论是在高冲次还是低冲次下，排出腔内部由于过流面积的减小，排出阀开孔部位的流体速度都有明显升高，而压力变化却很小，而在出口端和入口端，流体流过腔体内部时都产生涡流和回流，对内壁会造成一定的冲刷。冲次越高流体的流速变化越大，排出液体的压力越小，排出液的速度越大；反之，冲次越低，排出液体的压力越大，排出液的速度越小。

　　4结论阀盘与阀座间隙之间的流场速度较大，可能会对阀座和阀盘产生一定的冲击作用，因此，阀座与阀盘的结构需要进行适当的优化，并在阀座与阀盘表面使用耐冲蚀的涂层。

　　阀盘两底角处钻井液速度大，该处密封圈容易被撕裂造成泄漏。

　　当阀盘升程增大时，流场速度会相应地增大，而在给定相同的压力边界条件下流场压力变化较小。

　　当冲次较高的时候，流体在被排出的过程中，进人排出腔内部流体会产生部分回流和涡流，因此在长期的作用下会对排出腔内壁产生损坏（特别在阀盘与阀座间隙区域）。

　　当冲次较低时，进人排出腔内部流体的流速较小，因此不会对排出腔产生损坏。所以，柱塞栗在工作时，尽量采用较低冲次的挡位，这样有利于延长泵的整体使用寿命。