淺談射流泵內部流場數值模擬研究現狀

陳文徽，韓岐清，李少甫，孫福山，王新紅

淺談射流泵內部流場數值模擬研究現狀

陳文徽，韓岐清，李少甫，孫福山，王新紅

（大港油田采油工藝研究院，天津 300280）

水力射流泵是石油開采中一種重要的舉升設備，由于其沒有運動部件，結構緊湊，被廣泛應用于復雜結構井和特殊井的開采。總結了射流泵工作原理、內部流動特點以及內部流場研究方法，論述了射流泵內部流場研究技術的發展現狀。在歸納目前部分射流泵內部流場數值模擬研究成果的基礎上，總結了目前研究方法存在的不足，為今后射流泵生產參數優化提供了理論指導和研究方向。

水力泵；內部流場；研究現狀；數值模擬

射流泵是石油開采中一種重要的舉升設備，因其無運動部件，結構緊湊，排量范圍大，對定向井、水平井和海上叢式井顯示出良好的適應性，被廣泛應用于復雜結構井的開采。射流泵主要包括噴嘴、喉管和擴散管三部分，其工作原理是動力液通過噴嘴時，流動面積減小，速度升高，致使壓能下降，在噴嘴附近形成了相對低壓區，吸入地層液并與動力液在喉管進行混合，再經擴散管，壓能得到一定恢復，從而完成對混合液的舉升。所產生的低壓，將直接決定泵的抽吸能力。因此深入研究射流泵內部流動機理，明確其流場分布，對射流泵應用參數優化具有重要意義。

目前針對射流泵內部流場研究，主要包括實驗與數值模擬。在實驗研究方面，通常的測試手段主要是速度與壓力探針、熱線風速儀和激光測速儀對射流泵內部流場進行測量，但是只能獲得單點數據。對于復雜的湍流射流結構，全流場測量更具實際意義。20世紀90年代以來，計算機應用規模日益擴大，使射流泵內部流場在計算機上模擬成為可能。CFD模擬方法是近年來發展迅速的一種新型研究方法。CFD模擬方法是通過應用計算機進行數值計算，根據結果分析包含有流體流動和熱傳導等相關物理現象［1］，并對其隨時間的變化規律進行研究，在參數合理的情況下可得到準確的模擬結果，避免了復雜的實驗研究，有效降低研究成本。在當前石油行業節能增效的要求下，CFD模擬由于應用成本低、模擬耗時短、計算準確度好的特點，可以對現場射流泵參數的優化起到一定的指導作用，具有較好的實際應用價值。

1　射流泵內部流動研究

射流泵內流體的流動雷諾數較大，屬于強剪切湍流，由于湍射流流入一定的速度和壓力流場內，其流動不具備相似性質，使問題復雜化，這給射流泵內部流動機理的研究帶來了極大的困難。

1.1湍流射流

湍流射流是射流流型的一種，其特點是射流速度大，因而雷諾數較高，當其達到或超過臨界值時，切面會出現很多小渦旋，并因其各自的無規則運動發生動量、熱量和質量的交換。射流依據其流入空間的不同，可以分為有限空間射流和無限空間射流兩大類。如果射流的流入空間相對其本身很大，邊界遠離射流，致使射流受到邊界的影響較小，這便是無限空間射流。如果流入空間相對射流本身而言不足夠大，致使射流受到了邊界的影響，則稱為有限空間射流。根據射流周圍流體的性質，射流包括淹沒射流和非淹沒射流兩大類。如果射流周圍流體與射流的性質相同，該種射流被稱為淹沒射流；如果射流周圍流體與射流的性質不同，該種射流被稱為非淹沒射流。

采油舉升工藝中射流泵內流體的流動受到喉管管壁限制，并且動力液與地層液具有不同的物理性質，所以其屬于有限空間非淹沒射流。

1.2湍流數值計算方法

湍流是一種高度非線性的復雜流動，由各種不同尺度的渦旋疊合而成。目前對湍流數值模擬方法可以分為以下三種方法：

1.2.1直接數值模擬（DNS）

湍流流動雖然復雜，但可直接利用N-S方程對湍流進行模擬計算。這種方法最早在七十年代初提出，其優勢在于無需簡化和近似湍流流動，并能獲得更精確的結果。但其計算量龐大，對計算機的計算能力、速度要求很高，在工程計算的應用方面適應性較差。

1.2.2大渦模擬（LES）

大渦模擬方法通過對計算區域尺寸大到能夠包含湍流流動中出現的大渦進行計算，但其采用的最小計算網格大小仍然比小渦尺度大很多，為簡化計算，可以只對大渦利用瞬時N-S方程進行直接計算，對于小尺度渦旋則建立模型來表征其對大尺度渦旋的影響。該方法減少了計算量，但仍對計算機的速度要求較高。

1.2.3雷諾平均法（RANS）

工程應用所需要的是湍流所引起的平均流場的變化，雷諾平均法正是描述平均流場而廣為應用的湍流數值模擬方法。該方法主要通過將N-S瞬時方程中的變量分解成平均量和脈動量兩部分，避免了N-S瞬時方程的直接求解，很大程度上減少了計算，對解決實際問題具有很好的效果。其核心是求解時均化的方程，同時要采用湍流模型來使方程組封閉。

2　國內應用現狀

目前，對水力射流泵內部流場研究主要是通過實驗方法和數值模擬方法。數值模擬方法因其快速簡便的特點，得到了廣泛的應用：

陳如恒，張來斌等［4］針對采油過程中射流泵內部強湍流場具有逆壓力梯度以及擴散管邊界不規則的特點，建立了

擴散器貼體坐標系統，并應用高雷諾數k-ε模型和考慮逆壓力梯度的壁面函數法模擬了射流泵內部強湍流場。在應用多種方法模擬的基礎上，充分考慮松弛因子、迭代初始值及貼體坐標系中網格數目等影響收斂的各種因素，獲得了較為符合實際的結果。

梁愛國等［5］通過應用混合有限分析法、貼體變換技術以及k-ε雙方程紊流模型，對射流泵內部流場進行了數值模擬，研究了不同喉管長度下射流泵內部流場的變化規律，從而確定得出射流泵喉管的最佳尺寸，對射流泵設計具有一定的指導意義。

王常斌等［6］建立非等間距加密網格斌應用強雷諾數的k-ε湍流模型對射流泵內部流場進行了數值模擬。研究結果表明，射流泵內部流場軸向速度剖面在擴散管段表現出較好的自相似性，而在喉管段則未出現，發生變化的轉折點與喉管的長度有關。流場的湍動能的峰值主要出現在噴嘴出口與擴散管入口處，由于湍動能的不平衡特性，導致部分能量損失。

楊雪龍等［7］通過對不同湍流模型和不同壁面函數的組合，研究其對射流泵內部流場模擬的影響。結果表明，在射流泵流量比較小時，組合都可以較好的符合實驗數據，而當流量繼續增大后，都出現了大于10%的模擬誤差。而通過對湍流模型常數的修正，可以將模擬結果與實驗誤差減少到5%以內。

周凌九等［8］為明確工作流體與吸入流體的摻混過程，分別利用基于雷諾平均法的不同雙方程湍流模型以及大渦模擬對射流泵內部流場進行了數值模擬。結果表明大渦模擬對射流泵內部強湍流流場模擬結果更為符合實際，能夠模擬剪切層的漩渦結構，準確地反映工作流體和吸入流體間的動量和能量混合過程，與實驗結果吻合較好。而基于雷諾平均法的同雙方程湍流模型無法預測渦流結構，在喉管段的高速核心區摻混過程中的能量耗散也過快，大渦模擬可以獲得射流泵能量摻混過程更為準確的結果。

3　結論

1）CFD數值模擬方法在分析射流泵流場研究方面已經得到廣泛的應用，通過數值模擬，可以詳細地描述流場分布，可為射流泵的參數優化提供一定的依據。

2）工程模擬射流泵流場主要采用雷諾平均法，能夠減少計算量，具有一定實際應用價值，但其描述內部流場細節的能力不如大渦模擬。

3）射流泵的內部湍流流場復雜多變，相與相之間分布不均，并且存在相互作用，使得數值模擬也存在很大的困難，模擬結果常常與實際工況差距較大，因此還需要結合現場應用情況對其模擬參數進行調整擬合，使其結果符合實際，從而指導現場參數的優化。

［1］ 范海平，曾小林.基于計算流體動力學的流量系數研究［J］.機電設備，2007，（2）：9-12.

［2］ 卜長根.輕型井點降水變參數射流泵的設計［J］.水文地質工程地質，2013，（1）：45-47.

［3］ 王小鵬，陳頌英，王小鵬，等.不同湍流模型對圓射流數值模擬的討論［J］.工程熱物理學報，2008，29（6）；957-959.

［4］ 陳如恒，張來斌，黃紅梅.采油射流泵內流場數值模擬計［J］.中國安全科學學報，1995，（S1）：169-173.

［5］ 梁愛國，劉景植，龍新平，等.射流泵內流動的數值模擬及喉管優化［J］.水泵技術，2003，（1）：3-6.

［6］ 王常斌，林建忠，石興.射流泵湍流場的數值模擬與實驗研究［J］.高校化學工程學報，2006，20（2）：175-179.

［7］ 楊雪龍，龍新平，肖龍洲.不同湍流模型對射流泵內部流場模擬的影響［J］.排灌機械工程學報，2013，31（2）：98-102.

［8］ 周凌九，袁玲麗.射流泵內部流動計算中不同湍流模擬方法的比較［J］.排灌機械工程學報，2013，31（1）：25-30.

Status of Jet Pump Internal Flow NumericalSimulation Study

Cheng Wen-hui，Han Qi-qing，Li Shao-pu，Sun Fu-shan，Wang Xin-hong

The water jet pump is oil exploration in an important process of lifting，since it has no moving parts，compact structure，is widely used in mining complex structures and special wells wells.This article summarizes the jet pump principle，internal flow characteristics and internal flow field research methods，discusses the status of the internal flow field of jet pump technology research.In the induction current portion jet pump internal flow numerical simulation study based on the results，we summarized the shortcomings of current research methods exist for the production of jet pump parameter optimization provide theoretical guidance for future research directions.

hydraulic pump；research status；internal flow field numerical simulation

TH38

A

1003-6490（2016）06-0088-02