鹽穴儲氣庫建腔期邊界區域流場的?；瘜嶒炑芯?/h1>
2015-06-23 13:55:30徐素國梁衛國
太原理工大學學報 2015年6期
劉 歡,徐素國,梁衛國
(太原理工大學 采礦工藝研究所,太原 030024)
鹽穴儲氣庫建腔期邊界區域流場的?；瘜嶒炑芯?/p>
劉 歡,徐素國,梁衛國
(太原理工大學 采礦工藝研究所,太原 030024)
為了解鹽穴儲氣庫建腔階段中心管、外管循環流體所產生的對流擴散運動對鹽腔壁區域流場速度的影響,運用相似?；斫⒘讼嗨颇Ｐ?采用粒子圖像測速系統(PIV)和Fluent數值模擬軟件，對不同條件下建腔階段的邊界附近流場進行測試與數值模擬。結果表明,正循環下,底部邊界受到的流體對流擴散的影響要大于側壁邊界,在本模型中對距離鹽腔側壁邊界0.2 m區域內流場速度影響非常小;反循環下,隨外管的提升,對流擴散的主要影響區域發生變化,并且邊界區域流體速度也隨對流擴散的主要影響區域而變化;在反循環下,縮短外管長度和增大流量都會使得邊界區域流體速度增大,但兩者主要影響的邊界區域范圍有所不同。數值模擬和實驗得出的結論吻合度較高。本實驗結果對提高鹽穴儲氣庫建腔效率有一定的參考價值。
鹽穴儲氣庫;流場;邊界區域;PIV測試;Fluent數值模擬
鹽穴儲氣庫水溶造腔是利用鹽巖極易溶于水的性質,根據水溶采礦的原理[1-2]在地層沉積鹽丘或鹽巖層中,采用人工控制溶鹽方式采出鹵水,形成存儲天然氣的地下空間設施。目前，主要采用的是油墊法水溶造腔,即利用油水互不相容,以及油密度小和油不溶解礦物的特性,實現對腔體形態和體積的控制[3]。因此,了解鹽穴儲氣庫造腔階段腔內流體的運移對儲氣庫建造必不可少[4-5]。特別是邊界區域流場的運移，因為在實際的建腔工程中,在采用一定的流量、外管長度和循環方式時,需要了解這種情況下,地下腔內流體受迫作對流擴散運動所波及或影響的最大范圍,其是否會帶動邊界處流體的運動和提高邊界流體的流速？如果沒有影響到邊界處流體,造腔相當于靜態溶解的速度,不能實現高效建腔的目的；如果影響到邊界處流體,使邊界處流體流速增大,就會加快鹽巖邊界的溶蝕,縮短建腔周期,提高建腔效益。因此,了解邊界流場是否受到強迫對流擴散的影響，如何提高邊界區域流體速度，對實際工程有著重要的意義。
由于地下空腔內的情況我們無法直接觀測，所以筆者以相似理論為基礎，采用模化方法建立了能夠反映儲氣庫腔體物理本質的簡化模型，定量研究邊界區域流場是否受到影響。在建立相似模型后,依據建造的模型進行?；瘜嶒炑芯?對粒子圖像測速系統(PIV)[6-7]輸出的圖形進行定量分析,并結合Fluent軟件對實驗進行數值模擬，對比分析了兩者結果。
1 模化實驗理論的建立
鹽巖水溶造腔的過程是一個復雜的流體動力學和化學動力學過程[8]，因此要對實物進行簡化。由于鹽巖溶蝕的時間比較長,通過模型獲取的流場狀態相當于原型鹽巖溶蝕腔體的一瞬間,所以忽略邊界溶蝕反應,忽略溫度差的影響,認為恒溫腔體；把鹽巖水溶造腔簡化為溶質在溶劑的流動體系中的輸運過程,最后將流體的運動視為黏性不可壓縮流體的穩定等溫運動。
無論采用何種相似準則,長度比尺的選擇是最基本的,這里取幾何比尺為
(1)
式中：lp為原型長度；lm為模型長度。
運用?；碚撝R[9]推導模型應滿足相似準則,得出
Eu=f(Re) .
(2)
式中：Eu為歐拉數；Re為雷諾數。
相似模型應該依據歐拉準則建立,由式(2)可知，雷諾數是歐拉數的自變量,因此只需求得實物與模型雷諾數相等。若實物的雷諾數進入自模區[10],只需兩者雷諾數的大小處于同一數量級即可達到流動狀態相似。這樣，我們就可以根據兩者雷諾數之間的關系來確定模型腔體尺寸、套管尺寸和流量大小，以及根據當量粗糙度選擇套管材料。
2 ?；瘜嶒炑芯?/h2>
以某一鹽穴儲氣庫為背景,已建成的腔體最大的直徑為70 m,高為140 m,將其近似為圓柱體。
2.1 相似模型的建立
依據?；瘜嶒灷碚摻A柱體模型,其參數如表1所示。為降低圓柱體曲面對PIV實驗觀測的影響,在圓柱曲面外相隔2 cm處建造一個平面,圓柱體曲面與平面間可以注入與圓柱體內相同的液體。
表1 圓柱體實驗模型參數
2.2 實驗裝置及材料
為了研究模型中邊界流場是否受到強迫對流擴散的影響與強弱，本實驗采用丹麥生產的丹迪牌粒子圖像測速系統(PIV)觀測與分析相似模型在實驗條件下產生的流場。實驗材料以熒光粉作為示蹤粒子;另外由于濃度梯度變化引起擴散作用,因此要考慮擴散作用對邊界流體速度和運移的影響,向模型中加入工業鹽,加鹽量為10 g/L。在進行PIV實驗前,對模型做了流場示蹤劑的實驗,目的是觀察流場的運移情況,對整個腔體的流場有概括性了解,以方便確定PIV實驗的觀測區域。
2.3 實驗方案設計
在工程實際中,建造鹽穴腔體初期普遍采用正循環,之后采用反循環。且反循環建腔的時間占腔體建造完成時間的絕大部分,在此期間外管的長度變化次數也最多。因此，實驗中正循環采用一個外管長0.8 m和兩種流量的條件,反循環采用外管長0.6，0.4,0.2 m和兩個流量的條件。
1) 正循環流量選擇為400，600 L/h；中心管長度0.9 m,外管長度0.8 m。反循環流量選擇800，1 000 L/h兩流量下各測試3組實驗：第一組中心管長度0.9 m,外管長度0.6 m；第二組中心管長度0.9 m,外管長度0.4 m；第三組中心管長度0.9 m,外管長度0.2 m。
2) 確定觀測區。實驗前,先對該模型做示蹤劑觀測流體運移的實驗,了解流體的運動規律,以便確定PIV實驗觀測區的位置。確定正循環條件下觀測區域選擇為圖1中的A區域；在不同組反循環條件下觀測區域選擇圖2中B，C，D區。這4個觀測區域的尺寸都是0.2 m×0.2 m,在PIV系統Dynamic Studio軟件中標定相同的尺寸。
圖1 正循環觀測區 圖2 反循環觀測區
3) 在每個觀測區中選定如圖3所示9個點,定量分析觀測區內速度大小。在PIV系統軟件中顯示各觀測區流場運動的矢量圖,根據實驗前標定的尺寸確定各點在矢量圖中的坐標,鼠標拾取各觀測區內點的坐標即得各觀測點的速度,記錄各點的x和y方向的速度大小,繪制各點合速度變化圖。
圖3 觀測區內觀測點圖
3 ?；瘜嶒灲Y果及分析
通過上述實驗方案,得到各觀測區的流場矢量圖和觀測區內觀測點的速度值。下面僅列出正循環流量400 L/h的A區流場分布和反循環800 L/h的B區流場分布的PIV測試處理圖。因為采用由底向上的溶腔法,B區處于腔體底部,在建腔的任何階段，B區流體的運移都是切實存在的。再依據各觀測區內觀測點的速度大小,對流場進行定量分析。
1) 正循環條件下,水從中心管進入,進口區域最大流速是2.745 5 m/s。從圖4可知,淡水的運動趨勢是從中心管流出向下運動,與鹽水混合稀釋鹽水降低其濃度。由于越往下運動腔內底部鹽水濃度越高，并受到腔體底邊界的限制,受浮力作用流體轉而向上運動；當運動到中心管管口區域,由于管口有源源不斷的淡水流進腔體且中心管出水的流速最大,因此中心管管口附近壓強變小,這就使得向上運動的流體中的一小部分,向進水口處流動,剩下的流體在有限腔體容積和腔內不斷增大的壓強驅動下,推動其向出口處流動,最后流出腔體,形成流體運移循環,降低腔內鹽水濃度,加快鹽巖水溶。從圖4也可看出,流場的循環范圍主要在0.2～0.3 m之間，而對循環范圍以外流體的擾動影響是很小的。在600 L/h下流場的運動趨勢與400 L/h基本相同,流體的循環范圍和觀測點的速度大小相比增大些。
圖4 正循環A區流場矢量圖
圖5 反循環第一組B區流場矢量圖
圖6 第二組B區流場矢量圖
圖7 第三組B區流場矢量圖
2) 反循環條件下B區的流場規律如圖5-圖7所示。第一組中心管長度0.9 m,外管長度0.6 m,流量選擇800 L/h。水從外管與中心管之間的環口流入腔體,從中心管口流出。從圖5中可看出，靠近腔體中心軸附近的流體是向下運動的；腔體底邊界和側壁邊界處的流場有向上運動的趨勢,對這一區域整體來看沒有明顯的流體運動規律,并且這一區域速度最大值在靠近腔體中心軸位置,速度最大值是0.003 3 m/s。這一速度相當于流場在做擴散運動,因此強迫對流運動對這一區域影響非常小,對流擴散的最大范圍也僅在0.2～0.3 m。在第二組外管長0.4 m下,從圖6中可看出，這一區域有了比較明顯的流體運動規律,流體從靠近腔體中心軸附近區域進入觀測區,然后向下運動,越往下鹽水的濃度越高，受到腔體邊界限制,水轉向流體入口處(流體進入觀測區的位置)回流。在這一區域,速度最大的區域位于腔體中心軸附近,最大值為0.03 m/s；邊界附近的流體速度小于最大值,其流速受循環對流的影響也很小。在第三組外管長0.2 m下,從圖7中可看出，流體速度最大值為0.72 m/s,流體運動的規律與第二組管間距流體運動規律相近,只不過在這一組中,流體回流的范圍比第二組大；在1 000 L/h下,流場的運動趨勢與800 L/h基本相同,觀測點的速度大小相比增大。
3) 圖8所示為在圖1坐標系下,y=0.1，x=0.25這一點處即觀測區內的5號點,速度最大；其次是8號點,其速度為1.96 m/s；然后是2號點,其速度為0.94 m/s。而中心管兩側流場中1號點速度最大,其為0.986 m/s,7號、8號點速度分別為0.183 m/s 和0.121 m/s。比較各觀測點速度得出，中心管管口向下的流場速度大于兩側的流場速度。因此正循環下,底部邊界受到的流體對流擴散的影響要大于側壁邊界,從圖中也得出隨流量的增大,觀測點速度相應的增大。
圖8 正循環A區觀測點速度圖
比較反循環3組觀測點速度圖可知，在圖2坐標系下,直線x=0.05,x=0.1,x=0.15中，x=0.15上的點相對于另兩條直線上觀測點的速度稍大一些,說明靠近腔體中心軸附近速度大。在圖9中流量800 L/h條件下，觀測區內最大速度才為0.016 m/s,說明在這種反循環條件下,對流擴散對距離鹽壁0.2 m這一區域影響很小,對流擴散對鹽壁區域影響和波及范圍最大在(如圖3)x=0.2和x=0.3之間這個區域。增大流量,各觀測區絕大部分觀測點的速度相比之前有所增大。提升外管后,如圖10所示,B區和C區內觀測點速度相比之前管距位置有微弱變化(增大或減小),D區內觀測點速度有明顯增大。依據觀測情況可知,淡水進入腔內向下運動,與鹽水混合,由于腔內下部鹽水濃度增大,受浮力作用,稀釋鹽水后的淡水轉而向上運動,遇到鹽腔頂壁限制后沿壁運動,使得鹽腔邊界上部區域速度有明顯增大。再次提升外管如圖11所示,C區和D區內觀測點速度相比之前外管位置有些變化,B區觀測點速度有明顯增大。依據觀測情況可知,淡水進入腔體后向下運動,稀釋鹽水與其混合,由于此時外管口與中心管口間距為0.7 m,相比前一管口間距之間的水位差增大,浮力也增大,受到浮力作用轉而向上運動,流體沿頂壁和側壁運動。由于外管已接近腔體頂部,距頂壁0.2 m,并不斷有淡水流入,因此上部產生很大范圍的沿壁流動,從而擾動了鹽腔下部流體,使得下部流體速度有明顯增大。
圖9 反循環第一組觀測點速度圖
圖10 第二組觀測點速度圖
圖11 第三組觀測點速圖
因此,隨外管的提升,邊界區域速度有明顯增大的部位在發生變化,也就是說隨外管的提升,對流擴散的主要影響區域在發生變化。主要影響區域首先是中心管與外管之間區域,隨外管提升轉變為鹽腔上部區域。當外管逐漸靠近腔頂時,對流擴散的主要影響區域轉變為鹽腔底部。在同一管口間距下,增大流量,比較3組觀測點速度圖可知,隨流量的增大各觀測區內觀測點速度絕大部分都有明顯增大。因此可得,增大管口間距(外管縮短),可以提高鹽腔邊界某一區域溶解速度；提高流量,可以加快鹽腔整體邊界區域的溶解速度。
4 數值模擬及結果分析
為了輔助與驗證?；瘜嶒灲Y果,數值模擬選用標準k-ε模型,利用Fluent[11-12]軟件對模化實驗進行數值模擬。數值模擬的鹽腔尺寸和實驗方案以及?；瘜嶒灄l件相同。
正循環流量400 L/h條件下如圖12所示，反循環流量800 L/h條件下第一組、第二組和第三組的數值模擬速度云圖及其側壁邊界、底邊界及中心管構成的區域的局部放大圖分別列于圖13-圖15。
圖12 正循環數值模擬速度云圖和出口速度矢量圖
正循環條件下,數值模擬得出的中心管管口的流場運動趨勢與PIV得出的近似相同。不同的是數值模擬中流場遇到底邊界限制后,先沿邊界流動一段距離,然后回流；而PIV系統測得此處流場沒有明顯的沿邊界流動,但是其回流現象比數值模擬得出的現象要明顯。
反循環條件下,數值模擬得出的B觀測區與PIV得出的流場運動趨勢近似相同。在反循環下第一組和第二組的流場運動趨勢并不明顯,因為速度非常??；而第三組B觀測區速度變大,運動趨勢變得明顯。相比于PIV測出的結果，第三組觀測區流場的運動發展更充分。從速度云圖也可以驗證觀測點速度圖是符合實際的。
依據實驗方案在Fluent中設置監控點,待迭代收斂后記錄收斂時數值,得出多數監控點的速度稍大于PIV得出的觀測點速度,但是隨外管的變化,各觀測區整體的速度變化趨勢與PIV得出的結果是一致的。因此?；瘜嶒灲Y果的分析與數值模擬的結果比較吻合。
圖13 反循環第一組 圖14 反循環第二組 Fig.13 The first group of Fig.14 The second group of reverse cycle reverse cycle
圖15 反循環第三組
5 結論
1) 在工程實際中，建腔初期采用正循環,外管長度不變時,增大流量可以提高腔內流體速度,提高建腔效率。正循環下中心管管口底部區域流體速度大于兩側流體速度,因此建腔初期底部邊界擴展速度大于側壁邊界擴展速度,增大流量可以提高腔體邊界擴展速度和增大腔體邊界擴展范圍。
2) 采用反循環建腔,固定外管高度時,增大流量,可以提高腔體整個邊界區域流體的速度,從而提高建腔效率。若要提高腔體邊界某一區域流體速度,可以通過變化外管長度來實現,提升外管至鹽腔中部時,可以提高鹽腔邊界上部區域流體速度；繼續提升外管至接近腔體頂部,可以提高腔體邊界底部區域流體的速度,從而提高鹽腔這一區域溶解效率。利用對流擴散主要影響區域隨外管提升的變化規律，來調整鹽腔溶解形狀。了解邊界區域流體速度隨中心管口與外管口間距和不同流量的變化情況,對進一步研究建腔過程腔內流場的實驗，以及對工程實際提出高效溶腔的建腔方案具有參考價值。
[1] 王清明.鹽類礦床水溶開采[M].北京:化學工業出版社,2003.
[2] 梁衛國,徐素國,李志萍,等.鹽礦水溶開采固-液-熱-傳質耦合數學模型與數值模擬[J].自然科學進展,2004,14(8):945-949.
[3] 丁國生,張昱文.鹽穴地下儲氣庫[M].北京:石油工業出版社,2010.
[4] 任松,陳結,姜德義,等.能源地下儲氣庫造腔期流場相似實驗[J].重慶大學學報,2012,35(5):103-108,114.
[5] 陳結,姜德義,劉春,等.鹽穴建造期夾層與鹵水運移相互作用機理分析[J].重慶大學學報,2012,35(7):107-113.
[6] 盧強.PIV水流量實驗裝置的研究、設計與應用[D].天津：天津大學,2013.
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(編輯：龐富祥)
Experimental Study Using Modeling Theory on Flow Field atBoundary Region of Salt-cavern Gas Storage
LIU Huan,XU Suguo,LIANG Weiguo
(InstituteofMiningTechnology,TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan030024,China)
In order to reveal the impact of convection diffusion in the circulating fluid between the central and intermediate tube on the flow velocity on salt cavity wall region during establishment of salt-cavern gas storage,analogous model was established by applying the similarity simulation principle,and flow field near the boundary was tested and numericaly simulated by using the particle image velocimetry system (PIV) and the numerical simulation software of Fluent under the different conditions of building cavity.The results show that the impact on the bottom boundary flow field was stronger than that for two lateral boundaries under the positive cycle,the velocity of flow field was little influenced at 0.2 m away from wall boundary of salt cavity in this model.With the intermediate pipe ascension,the main in fluencing scope of convection diffusion was changed under the reverse cycle,and flow field velocity of boundary region was changed with the main scope of convection diffusion.Under the reverse cycle,decreasing intermediate tube length and increasing flow could increase flow velocity of boundary region,but the main influences on the scopes of boudary region were different.Several advices improving the efficiency of building cavern in the engineering practice were put forward on the basis of experimental results.The numerical simulation results were in good agreement with the result of PIV test.
salt-cavern gas storage;flow field; boundary region;PIV test; numerical simulation of Fluent
1007-9432(2015)06-0691-06
2015-04-16
國家杰出青年科學基金資助項目：原位溶浸采礦理論與技術(51225404)；國家自然科學基金資助項目：鈣芒硝礦原位溶浸開采的溶解-傳質-滲透耦合作用機理研究(50804033)
劉歡(1989-)，男，黑龍江伊春人，碩士生，主要從事地下鹽巖儲氣庫建造方法及試驗研究，(E-mail)lh_advance@126.com，(Tel)15525455643
徐素國，男，講師，主要從事地下鹽巖儲氣庫建造研究，(E-mail)452234949@qq.com
TE822；TD871.1
A
10.16355/j.cnki.issn1007-9432tyut.2015.06.011
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劉 歡,徐素國,梁衛國
(太原理工大學 采礦工藝研究所,太原 030024)
鹽穴儲氣庫建腔期邊界區域流場的?；瘜嶒炑芯?/p>
劉 歡,徐素國,梁衛國
(太原理工大學 采礦工藝研究所,太原 030024)
為了解鹽穴儲氣庫建腔階段中心管、外管循環流體所產生的對流擴散運動對鹽腔壁區域流場速度的影響,運用相似?；斫⒘讼嗨颇Ｐ?采用粒子圖像測速系統(PIV)和Fluent數值模擬軟件，對不同條件下建腔階段的邊界附近流場進行測試與數值模擬。結果表明,正循環下,底部邊界受到的流體對流擴散的影響要大于側壁邊界,在本模型中對距離鹽腔側壁邊界0.2 m區域內流場速度影響非常小;反循環下,隨外管的提升,對流擴散的主要影響區域發生變化,并且邊界區域流體速度也隨對流擴散的主要影響區域而變化;在反循環下,縮短外管長度和增大流量都會使得邊界區域流體速度增大,但兩者主要影響的邊界區域范圍有所不同。數值模擬和實驗得出的結論吻合度較高。本實驗結果對提高鹽穴儲氣庫建腔效率有一定的參考價值。
鹽穴儲氣庫;流場;邊界區域;PIV測試;Fluent數值模擬
鹽穴儲氣庫水溶造腔是利用鹽巖極易溶于水的性質,根據水溶采礦的原理[1-2]在地層沉積鹽丘或鹽巖層中,采用人工控制溶鹽方式采出鹵水,形成存儲天然氣的地下空間設施。目前，主要采用的是油墊法水溶造腔,即利用油水互不相容,以及油密度小和油不溶解礦物的特性,實現對腔體形態和體積的控制[3]。因此,了解鹽穴儲氣庫造腔階段腔內流體的運移對儲氣庫建造必不可少[4-5]。特別是邊界區域流場的運移，因為在實際的建腔工程中,在采用一定的流量、外管長度和循環方式時,需要了解這種情況下,地下腔內流體受迫作對流擴散運動所波及或影響的最大范圍,其是否會帶動邊界處流體的運動和提高邊界流體的流速？如果沒有影響到邊界處流體,造腔相當于靜態溶解的速度,不能實現高效建腔的目的；如果影響到邊界處流體,使邊界處流體流速增大,就會加快鹽巖邊界的溶蝕,縮短建腔周期,提高建腔效益。因此,了解邊界流場是否受到強迫對流擴散的影響，如何提高邊界區域流體速度，對實際工程有著重要的意義。
由于地下空腔內的情況我們無法直接觀測，所以筆者以相似理論為基礎，采用模化方法建立了能夠反映儲氣庫腔體物理本質的簡化模型，定量研究邊界區域流場是否受到影響。在建立相似模型后,依據建造的模型進行?；瘜嶒炑芯?對粒子圖像測速系統(PIV)[6-7]輸出的圖形進行定量分析,并結合Fluent軟件對實驗進行數值模擬，對比分析了兩者結果。
1 模化實驗理論的建立
鹽巖水溶造腔的過程是一個復雜的流體動力學和化學動力學過程[8]，因此要對實物進行簡化。由于鹽巖溶蝕的時間比較長,通過模型獲取的流場狀態相當于原型鹽巖溶蝕腔體的一瞬間,所以忽略邊界溶蝕反應,忽略溫度差的影響,認為恒溫腔體；把鹽巖水溶造腔簡化為溶質在溶劑的流動體系中的輸運過程,最后將流體的運動視為黏性不可壓縮流體的穩定等溫運動。
無論采用何種相似準則,長度比尺的選擇是最基本的,這里取幾何比尺為
(1)
式中：lp為原型長度；lm為模型長度。
運用?；碚撝R[9]推導模型應滿足相似準則,得出
Eu=f(Re) .
(2)
式中：Eu為歐拉數；Re為雷諾數。
相似模型應該依據歐拉準則建立,由式(2)可知，雷諾數是歐拉數的自變量,因此只需求得實物與模型雷諾數相等。若實物的雷諾數進入自模區[10],只需兩者雷諾數的大小處于同一數量級即可達到流動狀態相似。這樣，我們就可以根據兩者雷諾數之間的關系來確定模型腔體尺寸、套管尺寸和流量大小，以及根據當量粗糙度選擇套管材料。
2 ?；瘜嶒炑芯?/h2>
以某一鹽穴儲氣庫為背景,已建成的腔體最大的直徑為70 m,高為140 m,將其近似為圓柱體。
2.1 相似模型的建立
依據?；瘜嶒灷碚摻A柱體模型,其參數如表1所示。為降低圓柱體曲面對PIV實驗觀測的影響,在圓柱曲面外相隔2 cm處建造一個平面,圓柱體曲面與平面間可以注入與圓柱體內相同的液體。
表1 圓柱體實驗模型參數
2.2 實驗裝置及材料
為了研究模型中邊界流場是否受到強迫對流擴散的影響與強弱，本實驗采用丹麥生產的丹迪牌粒子圖像測速系統(PIV)觀測與分析相似模型在實驗條件下產生的流場。實驗材料以熒光粉作為示蹤粒子;另外由于濃度梯度變化引起擴散作用,因此要考慮擴散作用對邊界流體速度和運移的影響,向模型中加入工業鹽,加鹽量為10 g/L。在進行PIV實驗前,對模型做了流場示蹤劑的實驗,目的是觀察流場的運移情況,對整個腔體的流場有概括性了解,以方便確定PIV實驗的觀測區域。
2.3 實驗方案設計
在工程實際中,建造鹽穴腔體初期普遍采用正循環,之后采用反循環。且反循環建腔的時間占腔體建造完成時間的絕大部分,在此期間外管的長度變化次數也最多。因此，實驗中正循環采用一個外管長0.8 m和兩種流量的條件,反循環采用外管長0.6，0.4,0.2 m和兩個流量的條件。
1) 正循環流量選擇為400，600 L/h；中心管長度0.9 m,外管長度0.8 m。反循環流量選擇800，1 000 L/h兩流量下各測試3組實驗：第一組中心管長度0.9 m,外管長度0.6 m；第二組中心管長度0.9 m,外管長度0.4 m；第三組中心管長度0.9 m,外管長度0.2 m。
2) 確定觀測區。實驗前,先對該模型做示蹤劑觀測流體運移的實驗,了解流體的運動規律,以便確定PIV實驗觀測區的位置。確定正循環條件下觀測區域選擇為圖1中的A區域；在不同組反循環條件下觀測區域選擇圖2中B，C，D區。這4個觀測區域的尺寸都是0.2 m×0.2 m,在PIV系統Dynamic Studio軟件中標定相同的尺寸。
圖1 正循環觀測區 圖2 反循環觀測區
3) 在每個觀測區中選定如圖3所示9個點,定量分析觀測區內速度大小。在PIV系統軟件中顯示各觀測區流場運動的矢量圖,根據實驗前標定的尺寸確定各點在矢量圖中的坐標,鼠標拾取各觀測區內點的坐標即得各觀測點的速度,記錄各點的x和y方向的速度大小,繪制各點合速度變化圖。
圖3 觀測區內觀測點圖
3 ?；瘜嶒灲Y果及分析
通過上述實驗方案,得到各觀測區的流場矢量圖和觀測區內觀測點的速度值。下面僅列出正循環流量400 L/h的A區流場分布和反循環800 L/h的B區流場分布的PIV測試處理圖。因為采用由底向上的溶腔法,B區處于腔體底部,在建腔的任何階段，B區流體的運移都是切實存在的。再依據各觀測區內觀測點的速度大小,對流場進行定量分析。
1) 正循環條件下,水從中心管進入,進口區域最大流速是2.745 5 m/s。從圖4可知,淡水的運動趨勢是從中心管流出向下運動,與鹽水混合稀釋鹽水降低其濃度。由于越往下運動腔內底部鹽水濃度越高，并受到腔體底邊界的限制,受浮力作用流體轉而向上運動；當運動到中心管管口區域,由于管口有源源不斷的淡水流進腔體且中心管出水的流速最大,因此中心管管口附近壓強變小,這就使得向上運動的流體中的一小部分,向進水口處流動,剩下的流體在有限腔體容積和腔內不斷增大的壓強驅動下,推動其向出口處流動,最后流出腔體,形成流體運移循環,降低腔內鹽水濃度,加快鹽巖水溶。從圖4也可看出,流場的循環范圍主要在0.2～0.3 m之間，而對循環范圍以外流體的擾動影響是很小的。在600 L/h下流場的運動趨勢與400 L/h基本相同,流體的循環范圍和觀測點的速度大小相比增大些。
圖4 正循環A區流場矢量圖
圖5 反循環第一組B區流場矢量圖
圖6 第二組B區流場矢量圖
圖7 第三組B區流場矢量圖
2) 反循環條件下B區的流場規律如圖5-圖7所示。第一組中心管長度0.9 m,外管長度0.6 m,流量選擇800 L/h。水從外管與中心管之間的環口流入腔體,從中心管口流出。從圖5中可看出，靠近腔體中心軸附近的流體是向下運動的；腔體底邊界和側壁邊界處的流場有向上運動的趨勢,對這一區域整體來看沒有明顯的流體運動規律,并且這一區域速度最大值在靠近腔體中心軸位置,速度最大值是0.003 3 m/s。這一速度相當于流場在做擴散運動,因此強迫對流運動對這一區域影響非常小,對流擴散的最大范圍也僅在0.2～0.3 m。在第二組外管長0.4 m下,從圖6中可看出，這一區域有了比較明顯的流體運動規律,流體從靠近腔體中心軸附近區域進入觀測區,然后向下運動,越往下鹽水的濃度越高，受到腔體邊界限制,水轉向流體入口處(流體進入觀測區的位置)回流。在這一區域,速度最大的區域位于腔體中心軸附近,最大值為0.03 m/s；邊界附近的流體速度小于最大值,其流速受循環對流的影響也很小。在第三組外管長0.2 m下,從圖7中可看出，流體速度最大值為0.72 m/s,流體運動的規律與第二組管間距流體運動規律相近,只不過在這一組中,流體回流的范圍比第二組大；在1 000 L/h下,流場的運動趨勢與800 L/h基本相同,觀測點的速度大小相比增大。
3) 圖8所示為在圖1坐標系下,y=0.1，x=0.25這一點處即觀測區內的5號點,速度最大；其次是8號點,其速度為1.96 m/s；然后是2號點,其速度為0.94 m/s。而中心管兩側流場中1號點速度最大,其為0.986 m/s,7號、8號點速度分別為0.183 m/s 和0.121 m/s。比較各觀測點速度得出，中心管管口向下的流場速度大于兩側的流場速度。因此正循環下,底部邊界受到的流體對流擴散的影響要大于側壁邊界,從圖中也得出隨流量的增大,觀測點速度相應的增大。
圖8 正循環A區觀測點速度圖
比較反循環3組觀測點速度圖可知，在圖2坐標系下,直線x=0.05,x=0.1,x=0.15中，x=0.15上的點相對于另兩條直線上觀測點的速度稍大一些,說明靠近腔體中心軸附近速度大。在圖9中流量800 L/h條件下，觀測區內最大速度才為0.016 m/s,說明在這種反循環條件下,對流擴散對距離鹽壁0.2 m這一區域影響很小,對流擴散對鹽壁區域影響和波及范圍最大在(如圖3)x=0.2和x=0.3之間這個區域。增大流量,各觀測區絕大部分觀測點的速度相比之前有所增大。提升外管后,如圖10所示,B區和C區內觀測點速度相比之前管距位置有微弱變化(增大或減小),D區內觀測點速度有明顯增大。依據觀測情況可知,淡水進入腔內向下運動,與鹽水混合,由于腔內下部鹽水濃度增大,受浮力作用,稀釋鹽水后的淡水轉而向上運動,遇到鹽腔頂壁限制后沿壁運動,使得鹽腔邊界上部區域速度有明顯增大。再次提升外管如圖11所示,C區和D區內觀測點速度相比之前外管位置有些變化,B區觀測點速度有明顯增大。依據觀測情況可知,淡水進入腔體后向下運動,稀釋鹽水與其混合,由于此時外管口與中心管口間距為0.7 m,相比前一管口間距之間的水位差增大,浮力也增大,受到浮力作用轉而向上運動,流體沿頂壁和側壁運動。由于外管已接近腔體頂部,距頂壁0.2 m,并不斷有淡水流入,因此上部產生很大范圍的沿壁流動,從而擾動了鹽腔下部流體,使得下部流體速度有明顯增大。
圖9 反循環第一組觀測點速度圖
圖10 第二組觀測點速度圖
圖11 第三組觀測點速圖
因此,隨外管的提升,邊界區域速度有明顯增大的部位在發生變化,也就是說隨外管的提升,對流擴散的主要影響區域在發生變化。主要影響區域首先是中心管與外管之間區域,隨外管提升轉變為鹽腔上部區域。當外管逐漸靠近腔頂時,對流擴散的主要影響區域轉變為鹽腔底部。在同一管口間距下,增大流量,比較3組觀測點速度圖可知,隨流量的增大各觀測區內觀測點速度絕大部分都有明顯增大。因此可得,增大管口間距(外管縮短),可以提高鹽腔邊界某一區域溶解速度；提高流量,可以加快鹽腔整體邊界區域的溶解速度。
4 數值模擬及結果分析
為了輔助與驗證?；瘜嶒灲Y果,數值模擬選用標準k-ε模型,利用Fluent[11-12]軟件對模化實驗進行數值模擬。數值模擬的鹽腔尺寸和實驗方案以及?；瘜嶒灄l件相同。
正循環流量400 L/h條件下如圖12所示，反循環流量800 L/h條件下第一組、第二組和第三組的數值模擬速度云圖及其側壁邊界、底邊界及中心管構成的區域的局部放大圖分別列于圖13-圖15。
圖12 正循環數值模擬速度云圖和出口速度矢量圖
正循環條件下,數值模擬得出的中心管管口的流場運動趨勢與PIV得出的近似相同。不同的是數值模擬中流場遇到底邊界限制后,先沿邊界流動一段距離,然后回流；而PIV系統測得此處流場沒有明顯的沿邊界流動,但是其回流現象比數值模擬得出的現象要明顯。
反循環條件下,數值模擬得出的B觀測區與PIV得出的流場運動趨勢近似相同。在反循環下第一組和第二組的流場運動趨勢并不明顯,因為速度非常??；而第三組B觀測區速度變大,運動趨勢變得明顯。相比于PIV測出的結果，第三組觀測區流場的運動發展更充分。從速度云圖也可以驗證觀測點速度圖是符合實際的。
依據實驗方案在Fluent中設置監控點,待迭代收斂后記錄收斂時數值,得出多數監控點的速度稍大于PIV得出的觀測點速度,但是隨外管的變化,各觀測區整體的速度變化趨勢與PIV得出的結果是一致的。因此?；瘜嶒灲Y果的分析與數值模擬的結果比較吻合。
圖13 反循環第一組 圖14 反循環第二組 Fig.13 The first group of Fig.14 The second group of reverse cycle reverse cycle
圖15 反循環第三組
5 結論
1) 在工程實際中，建腔初期采用正循環,外管長度不變時,增大流量可以提高腔內流體速度,提高建腔效率。正循環下中心管管口底部區域流體速度大于兩側流體速度,因此建腔初期底部邊界擴展速度大于側壁邊界擴展速度,增大流量可以提高腔體邊界擴展速度和增大腔體邊界擴展范圍。
2) 采用反循環建腔,固定外管高度時,增大流量,可以提高腔體整個邊界區域流體的速度,從而提高建腔效率。若要提高腔體邊界某一區域流體速度,可以通過變化外管長度來實現,提升外管至鹽腔中部時,可以提高鹽腔邊界上部區域流體速度；繼續提升外管至接近腔體頂部,可以提高腔體邊界底部區域流體的速度,從而提高鹽腔這一區域溶解效率。利用對流擴散主要影響區域隨外管提升的變化規律，來調整鹽腔溶解形狀。了解邊界區域流體速度隨中心管口與外管口間距和不同流量的變化情況,對進一步研究建腔過程腔內流場的實驗，以及對工程實際提出高效溶腔的建腔方案具有參考價值。
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(編輯：龐富祥)
Experimental Study Using Modeling Theory on Flow Field atBoundary Region of Salt-cavern Gas Storage
LIU Huan,XU Suguo,LIANG Weiguo
(InstituteofMiningTechnology,TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan030024,China)
In order to reveal the impact of convection diffusion in the circulating fluid between the central and intermediate tube on the flow velocity on salt cavity wall region during establishment of salt-cavern gas storage,analogous model was established by applying the similarity simulation principle,and flow field near the boundary was tested and numericaly simulated by using the particle image velocimetry system (PIV) and the numerical simulation software of Fluent under the different conditions of building cavity.The results show that the impact on the bottom boundary flow field was stronger than that for two lateral boundaries under the positive cycle,the velocity of flow field was little influenced at 0.2 m away from wall boundary of salt cavity in this model.With the intermediate pipe ascension,the main in fluencing scope of convection diffusion was changed under the reverse cycle,and flow field velocity of boundary region was changed with the main scope of convection diffusion.Under the reverse cycle,decreasing intermediate tube length and increasing flow could increase flow velocity of boundary region,but the main influences on the scopes of boudary region were different.Several advices improving the efficiency of building cavern in the engineering practice were put forward on the basis of experimental results.The numerical simulation results were in good agreement with the result of PIV test.
salt-cavern gas storage;flow field; boundary region;PIV test; numerical simulation of Fluent
1007-9432(2015)06-0691-06
2015-04-16
國家杰出青年科學基金資助項目：原位溶浸采礦理論與技術(51225404)；國家自然科學基金資助項目：鈣芒硝礦原位溶浸開采的溶解-傳質-滲透耦合作用機理研究(50804033)
劉歡(1989-)，男，黑龍江伊春人，碩士生，主要從事地下鹽巖儲氣庫建造方法及試驗研究，(E-mail)lh_advance@126.com，(Tel)15525455643
徐素國，男，講師，主要從事地下鹽巖儲氣庫建造研究，(E-mail)452234949@qq.com
TE822；TD871.1
A
10.16355/j.cnki.issn1007-9432tyut.2015.06.011
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