哈尔滨理工大学工学硕士学位论文
超深井井下环境仿真系统三维温度场建模
摘要
超深井井下环境仿真系统（以下简称“仿真系统”）是一种地面上模拟油
气井井下高温高压环境，对射孔器材进行耐高温耐高压性能检测的高精度实验
系统，具有大长径比，大滞后、大惯性以及多种复杂传热方式综合作用的复杂
特性。在工业应用中，有许多具有上述复杂特性的工业系统或实验装置，此类
复杂特性致使系统的温度场建模和控制存在诸多问题。在温度场建模方面，常
规二维模型分析方法在复杂环境下缺少对细节的有效描述，难以获得系统准确
的偏微分方程描述。而基于传热机理分析建立的系统三维温度场模型，在先验
知识的前提下，充分利用计算机流体力学模拟技术进行求解计算，可以获得更
准确的模型细节描述。主要研究工作如下：
首先，针对超深井井下环境仿真系统，根据其系统组成和工作原理，对其
进行传热学机理研究；针对其均匀炉温加温条件下的实验结果进行分析，得到
仿真系统温度场分布情况及其存在问题。
其次，建立一种大长径比密闭圆柱体空腔模型，采用计算流体力学数值模
拟技术，对空腔传热模型进行求解计算，得到空腔内流场和温度场分布情况；
并探究流体瑞利数、空腔倾角和有限壁厚在空腔自然对流传热模型和壁面热传
导传热模型中的传热规律。
最后，基于大长径比密闭圆柱体空腔模型及其传热规律，对仿真系统进行
加温实验，并基于仿真系统传热机理设计并优化控制加热策略，提出一种基于
仿真系统传热机理分析的开环控制分区加热方法，实现了仿真系统温度场的均
匀性控制。
关键词环境仿真系统；温度场建模；大长径比；温度控制
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哈尔滨理工大学工学硕士学位论文
3DTemperatureFieldModelingofUltra-DeepWell
DownholeEnvironmentSimulationSystem
Abstract
Theultra-deepwelldownholeenvironmentsimulationsystem(hereinafter
referredtoassimulationsystem)isahigh-precisionexperimentalsystemthat
simulatesthehightemperatureandhighpressureenvironmentofoilandgasWellson
thegroundandteststhehightemperatureandhighpressureresistanceofperforating
equipment.Ithasthecomplexcharacteristicsoflargelength-diameterratio,largelag,
largeinertiaandthecomprehensiveeffectofvariouscomplexheattransfermodes.In
industrialapplications,therearemanyindustrialsystemsorexperimentaldeviceswith
theabovecomplexcharacteristics,whichcausemanyproblemsintemperaturefield
modelingandcontrolofthesystem.Intheaspectoftemperaturefieldmodeling,the
conventionaltwo-dimensionalmodelanalysismethodlackseffectivedescriptionof
detailsincomplexenvironment,anditisdifficulttoobtainaccuratePDEdes