油田开采过程中往往采用换热管路对原油进行前期处理,由于原油粘度较高且存在对流换热现象,因此很容易产生污垢造成管道堵塞。对于目前国内外在换热管路中所使用的在线污垢清理技术,其应用都受到很大的限制,因此课题组将传统的管道清理技术与机器人技术相结合,提出了一种针对高粘原油换热管路的新型在线污垢清理方案。其中清管器作为该方案中的关键结构,对其结构的设计和运动的可行性研究是后续整个在线清管方案系统和结构设计的重要基础。因此,本文设计了一种流体驱动式自旋转清管器,通过理论分析并结合仿真模拟的方法对其可行性进行了深入的研究。根据待清理工作管路的特点及在线清管装置整体方案的要求,结合实验对流体实际工况及其性能参数的测量分析结果,提出了清管器的功能及结构设计要求;通过理论研究分析了原油管道的结垢机理及除垢防垢原理,在此基础上设计出清管器的总体结构方案,并对螺旋柱和支撑脚两部分关键结构进行了初步的设计。为研究螺旋柱结构在流体作用下产生自旋转运动的可行性,通过理论分析建立了其周向和轴向的力学方程,并研究了流体环境参数及螺旋柱结构参数对其自旋转特性的影响;根据理论分析结果,建立管道流场的数学模型,并基于正交设计理论设计仿真方案,以此对螺旋柱的结构参数进行了优选;采用单向流固耦合的方法对最优结构的螺旋柱进行流场及静态特性的仿真研究,以此确定了其结构的可行性。为研究支撑脚结构的可行性,通过建立清管器总体水平运动的动力学模型,确定了支撑脚受力与清管器水平运动速度之间的关系,以此研究了支撑脚结构的静态特性;通过研究支撑脚各个结构参数对其静态特性的影响规律,选取了能够满足要求的支撑脚结构,并通过对其进行静力学分析,确定了合适的流体环境参数。为确定清管器总体的最优结构并研究其动态特性,采用FLUENT软件对清管器总体进行三维流场仿真,通过分析其起始状态的流场分布及力学特性选取了最优结构,并与单个螺旋柱的起始状态流场仿真结果进行对比,研究了增加支撑装置后对流场的影响;采用动网格模型对清管器总体的水平运动及螺旋柱的自旋转运动进行瞬态的三维流场仿真研究,进一步验证了其在管道内运动的可行性。