氣力提升系統氣液兩相流數值模擬分析*

左娟莉 楊泓 魏炳乾 侯精明 張凱

(西安理工大學, 西北旱區生態水利工程國家重點實驗室, 西安710048)

(2019 年 11 月 15日收到; 2019 年 12 月 24日收到修改稿)

污水處理、油田采油、液態金屬冷卻反應堆和磁流體動力轉換器等領域采用氣力提升系統有其顯著優勢. 由于不同液體介質與氣體介質密度對氣力提升系統性能影響較大, 因此本文基于Fluent仿真軟件, 采用歐拉模型、k-w剪切應力輸運湍流模型數值模擬了氮氣-水、氮氣-煤油、氮氣-水銀及空氣-水、氬氣-水、氮氣-水下氣力提升系統內氣液兩相流動行為, 分析了系統穩定時提升立管內氣相體積分數、提升液體流量、提升效率、提升管出口處液體徑向速度的變化規律. 研究結果表明: 1)氮氣-水、氮氣-煤油、氮氣-水銀系統中, 提升管內液體介質密度越大, 提升管內氣相體積分數越小、提升液體流量越大、提升效率越高; 2)空氣-水、氬氣-水、氮氣-水系統中, 提升管內氣體介質密度越大, 提升管內氣相體積分數越小、提升液體流量越大、提升效率峰值越小; 3)提升管出口處提升液體徑向速度隨氣體充入量的不斷增加而整體波動升高, 最終管軸中心附近液體速度較大, 管壁附近液體速度較小. 本文研究成果為污水處理、氣舉采油、液態重金屬冷卻核反應堆和磁流體動力轉換器等應用領域的氣力提升技術的優化提供科學的理論基礎.

1 引言

氣力提升裝置原理是通過向提升管內注入壓縮空氣, 通過管內外產生的壓差來提升液體. 與傳統機械泵相比, 其結構簡單、無機械傳動部件、無系統磨損; 提升技術易實現、耗能低、驅動能源來源廣泛; 可在高溫、高壓、真空、放射性、腐蝕性的環境中使用, 也可在不規則形狀的井中使用, 故研究氣力提升系統具有重要的科學價值[1?3]. 目前,由于氣力提升系統的維護成本較低、可靠性較高,其在污水處理、抽吸海水、港口疏浚、油田采油、液態金屬冷卻反應堆和液態金屬磁流體轉換器等眾多領域有著廣泛的應用[4?10].

氣力提升系統因其與傳統機械泵相比有著無可比擬的優越性, 從二十世紀五六十年代以來, 國內外學者做了大量的研究. 1963年, Nicklin[11]研究了影響小管徑氣力提升裝置提升性能的影響因素. 1965年, Futer[12]發明了一種用于提升固體的氣提裝置. 1975年, 日本的 Kato 等[13]實驗研究了氣力提升管中的多相流. 1985年, Kouremenos和Staicos[14]實驗研究了不同的提升管長度和浸沒比對提升管內流型轉變的影響. 1996年, Kajishima和Saito[15]運用漂移流動模型模擬了深海采礦下大尺度氣力提升系統內兩相流流動情況. 1999年,Khalil等[16]研究九種浸沒比和三種提升管長度對氣力提升系統提升性能的影響. 2000年之后,Furukawa和Fukano[17]實驗研究了氣力提升系統內三種不同黏度的液體對提升性能的影響.Pougatch和Salcudean[18]采用多流體歐拉方法,將水作為連續相, 氣泡和固體顆粒作為離散相開展了二維數值模擬計算, 模擬數據與試驗結果符合.Moisidis和Kastrinakis[19]對短氣力提升系統內的兩相流動行為和流型轉化進行了實驗研究. 高嵩等[20]對氣液混輸管線與立管系統嚴重段塞流問題進行了數值模擬, 深入分析了內部流動規律和流動特性. 李洪偉等[21]對毫米級小矩形通道內氮氣-水氣液兩相流流型特性進行了研究, 發現四種典型流型三譜切片差異明顯, 環狀流較泡狀流與段塞流更為復雜. 胡東等[22]為揭示氣力提升技術進氣方式對其特性的作用機理及過程, 研究了氣孔數量對排液量、排沙量以及提升效率的影響. Tighzert等[23]通過實驗研究探討氣力提升系統提升效率隨浸沒比和注入空氣量的變化趨勢. Fan等[24]在千島湖四個不同位置同一水下深度, 改變噴射噴嘴設計和不同空氣流量, 研究其對氣力提升系統整體性能的影響. Wahba等[25]基于流體體積模型和大渦模擬了提升管內兩相流型特征及其變化. Zuo等[26,27]對帶有氣力提升系統的加速器驅動次臨界反應堆進行深入研究, 探討了氣力提升系統對整個冷卻回路自然循環能力的影響; 此外還建立了適用于不同進氣方式的氣力提升模型[28], 通過改變進氣面積與氣孔分布方式對泵的水力特性進行試驗研究.

綜上所述, 目前對氣力提升裝置研究多集中在提升管內主要結構參數, 如浸沒率、充氣量、壓力、提升管管徑等對氣力提升性能影響, 以及提升管內多相流流動特性與流型轉化的研究. 但對于不同介質下, 介質密度對氣力提升系統水力特性影響研究較少. 然而, 在實際工程中, 例如污水處理和抽吸海底高養分海水時, 會用到氣水兩相流的氣力提升系統; 石油開采時, 會用到氣油兩相流的氣力提升系統; 加速器驅動次臨界反應堆和液態金屬磁流體動力轉換器中, 會用到惰性氣體和高密度的液態金屬氣力提升系統. 因此, 本文基于Fluent軟件對不同液體介質(氮氣-水、氮氣-煤油、氮氣-水銀)的氣力提升系統以及不同氣體介質(空氣-水、氬氣-水、氮氣-水)的氣力提升系統的提升性能進行了較詳細的數值模擬研究, 分析了不同工況下提升液體能力及提升效率的變化規律, 為污水處理、抽吸海底高養分海水、氣舉采油、液態重金屬冷卻核反應堆和磁流體動力轉換器等應用領域的氣力提升技術的優化提供科學的理論基礎.

圖1 氣力提升系統模型圖(a) 氣力提升裝置示意簡圖; (b) 模型及網格劃分Fig. 1. Model diagram of gas lift system: (a) Schematic diagram of gas lift system; (b) model and grid generation.

2 計算模型

2.1 模型建立及網格劃分

根據氣力提升裝置原理可將其裝置簡化為圖1(a), 將一根豎直提升管插入蓄水池內, 由注氣管線通過噴嘴注入提升管內(因注氣管線尺寸太小, 忽略其影響), 不斷充氣, 使提升管內形成復雜的氣液兩相流動, 液相連續相為主相, 氣相分散相為次相. 因氣力提升裝置一般均為圓柱形結構, 提升管外部蓄水池直徑遠大于提升管直徑, 且蓄水池直徑對氣力提升系統提升性能影響不大, 只要保證計算過程中蓄水池水位保持不變, 即可將其簡化為如圖1(b)所示的二維軸對稱結構, 圖1(b)上部圖形為計算模型結構圖, 其下面為對其進行的網格劃分圖. 圖中提升管管長為 2 m, 管徑為 30 mm, 噴嘴截面面積為 197.92 mm2, 浸沒比為 0.5. 本次網格劃分采用結構化網格, 蓄水池較提升管內網格劃分更為稀疏, 經網格無關性分析, 當網格總數為169600, 最小網格尺寸為 0.5 mm 時, 誤差最小, 模擬效果最好. 本次模擬計算過程中, 選擇Phase Coupled SIMPLE算法, 基于壓力求解器進行求解. 初始條件下, 假設蓄水池充滿液體, 由于蓄水池與提升管是聯通的, 提升管內液位與蓄水池持平, 蓄水池頂部與空氣接觸, 液體進口邊界條件為壓力入口, 進氣口設置為速度進口, 其值為標準大氣壓; 提升段出口與大氣連通, 邊界條件為壓力出口邊界, 壓力值為標準大氣壓. 為保證計算精度,采用高精度離散格式對各變量在時間和空間上進行離散, 體積份額及湍流強度采用QUICK離散格式, 時間項采用二階隱式離散格式, 其余保持默認設置.

2.2 控制方程[29,30]

本文選用Eulerian多相流模型, 湍流模型采用k-w剪切應力輸運 (shear stress transport, SST)模型研究氣力提升系統中的多相流動.

質量守恒方程:

流體q相的動量守恒方程為

式中dp是p相氣泡的直徑;為顆粒弛豫時間;f為曳力函數;Ai為相界面密度;CD為曳力系數;μq為液相分子黏性;ag表示氣相空泡份額, 也稱截面含氣率, 代表兩相混合物流經任一截面時氣相所占的面積與通道截面積之比.

相間滑移速度v是因為氣相與液相之間的速度不同, 兩相之間存在相對速度:

基于均相湍流處理方法的k–wSST模型[31]的控制方程如下:

式中rm為混合物密度;vm為混合物速度;μm為混合物分子黏度;μt,m為混合物湍流黏性;sk,sw為湍流普朗特數;Gk,m,Gw,m為湍流產生項;Yk, m,Yw,m為k和w因湍動產生的耗散相;Ψk,m,Ψw,m為氣液相相互作用導致的湍動能增量;Sk,Sw為湍動能源項.

提升效率是評測氣力提升系統性能的關鍵指標, 本文效率公式使用Oueslati和Megriche[32]文中的效率公式:

3 模型驗證

Oueslati和Megriche[32]設置了一個氣力提升實驗系統, 用來研究在不同浸沒比下液體溫度對氣力提升系統的影響. 裝置如圖2所示, 主要由供氣裝置、給水裝置、加熱裝置及氣液兩相流發生裝置構成. 提升管長為 2 m, 管徑為 30 mm. 液體通過加熱裝置和溫度計控制液體溫度, 由給水罐及下降管調節提升管內的液面初始高度, 從而控制浸沒比. 壓縮機產生的空氣通過管路系統傳輸到提升管內, 提升管的上端與蓄水槽相連, 被提升的液體通過提升管排入蓄水槽, 空氣從蓄水槽中逸出, 被提升到蓄水槽中的水又通過管道流入給水罐, 其氣體流量由氣體流量計測量, 提升的液體流量通過液體流量計來測量, 整個實驗構成了一個循環系統.

圖2 實驗裝置圖 [32]Fig. 2. Experimental apparatus system[32].

表1 實驗結果與模擬結果的對比Table 1. Comparison of experimental and simulation results.

本文以Oueslati和Megriche[32]所做的提升管管徑為 30 mm, 浸沒比為 0.5, 液體溫度為 60 ℃空氣-水氣力提升系統實驗數據為依據, 驗證本文數值模擬模型的準確性, 表1列出了提升液體流量實驗值與模擬值QL的對比結果, 由表1可知實驗數據與模擬數據符合較好, 故此模型可應用于氣力提升系統數值模擬研究.

4 結果與分析

氣力提升系統內氣液兩相流動特性與氣液物性參數有關, 在出口邊界設置適當的回流系數, 本文是在常溫常壓下, 當提升管管長為2 m、管徑為30 mm, 浸沒比為 0.5時, 分別對不同液體介質 (氮氣-水銀, 氮氣-水, 氮氣-煤油)、不同氣體介質 (氮氣-水, 空氣-水, 氬氣-水)多種氣力提升系統內的氣液兩相流動進行數值模擬研究, 探討氣體注入量對提升管內氣相體積分數、提升液體體積流量、出口處提升液體速度、提升效率的影響. 表2列出了相關變量的物性參數.

表2 物性參數表Table 2. Physical parameters table.

4.1 氣相體積分數變化趨勢

圖3描繪了不同液體和氣體介質下, 提升系統穩定時, 提升管內氣相體積分數b與充氣量QG之間的變化規律. 由圖3可知, 隨著充氣量不斷增加,氣相體積分數先快速增加后增加緩慢, 這是因為在氣量較低時, 管內主要以小氣泡形式存在, 相界面密度較大, 相間曳力較大, 相間滑移速度減小, 管內氣相體積分數隨充氣量的增加而迅速增大. 當氣體注入流量不斷增加時, 小氣泡逐漸凝聚, 形成彈狀流、攪混流、環狀流, 相界面密度變小, 相間曳力變小, 相間滑移速度增大, 管內氣相體積分數的增加速率變緩. 圖3(a)描述了煤油、水、水銀三種不同液體介質時, 提升立管內氣相體積分數隨氮氣流量的變化關系. 由圖3(a)可知, 煤油的氣相體積分數最大, 水次之, 水銀最大. 說明在相同氣流量下,液體介質密度越大, 氣液兩相間曳力越大、相滑移速度越小、管內氣相體積分數越小. 圖3(b)描述了當氣體介質為氮氣、空氣、氬氣來提升液體水時,提升立管內氣相體積分數隨氣流量的變化. 由圖3(b)可知, 在低充氣量下, 提升管內三種不同氣體介質下的氣相體積分數相差不大, 然而當充氣量超過1.6327 m3/h時, 管內氣相體積分數發生較大差異, 氮氣氣相體積分數最大, 而氬氣最小. 說明在相同氣流量下氣體介質密度越大, 相間曳力越大、相滑移速度越小、管內氣相體積分數越小.

圖3 提升管內氣相體積分數隨充氣量的變化(a) 不同液體介質; (b) 不同氣體介質Fig. 3. Change of gas volume fraction with gas volume flow rate in lifting pipe: (a) Different liquid mediums; (b) different gas mediums.

4.2 液體提升過程隨時間演變規律

氣力提升系統依靠向提升管內注入壓縮氣體產生提升壓頭, 使提升段內液體流動, 產生流量.圖4反映了不同液體介質和氣體介質下, 當充入氮氣量為4.0816 m3/h時, 提升液體流量QL隨時間t的變化. 圖5描繪了當充入氮氣量為4.0816 m3/h時液態水提升過程的相位圖. 圖5中, 初始時刻提升管內液體液位與蓄水池液位持平, 氣體經噴嘴注入到提升管段, 氣泡在液體中上升, 0—0.4 s 管內小氣泡立刻聚集, 形成彈狀氣泡, 提升管內液體出現流動, 此時并未有液體從出口處排出, 0.9 s時刻當彈狀氣泡聚集足夠大時, 管內又重新開始聚集新的彈狀氣泡. 初始時間段內因管內氣量較少, 液柱較重, 氣體從提升管下側逸出, 隨著時間推移, 提升管內氣體體積分數逐漸增大, 提升管內形成氣體通道, 氣體不再向外逸出. 由圖4可看出, 1.5 s左右液體逐漸從提升管內排出. 之后, 由圖5可知,管內氣體占比越來越多, 在1.4—4.4 s提升管內主要為彈狀流與攪混流, 10 s之后提升管氣泡逐漸連通, 流型逐漸轉變為環狀流.

圖4 提升液體流量隨時間的變化(a) 不同液體介質;(b) 不同氣體介質Fig. 4. Change of liquid volume flow rate with time: (a) Different liquid mediums; (b) different gas mediums.

圖5 液體提升過程相位圖Fig. 5. Phase diagram of liquid lifting process.

4.3 提升液體體積流量變化趨勢

圖6 為提升系統穩定時, 不同液體介質和氣體介質下, 液體提升流量QL隨氣流量QG的變化關系圖. 由圖6(a)可知, 氮氣-水銀, 氮氣-水, 氮氣-煤油三種不同工況下, 提升液體流量隨充氣量的增加先迅速升高, 當氣流量為 3.2653 m3/h時, 水銀提升流量達到峰值, 當充氣量為4 m3/h附近時,煤油及水提升流量達到峰值, 這是因為, 隨著充氣量的繼續增加, 提升管內混合相密度越來越小, 蓄水池與提升管間的驅動力增大, 提升液體流量就越多. 繼續增大充氣量, 整個提升管內氣相份額變大,液相份額變小, 提升流量小幅度緩慢下降. 同一充氣量下, 水銀提升流量最大, 水次之, 煤油最小, 結合圖7(a)不同液體介質提升管內總壓降p隨充氣量QG變化圖, 反映出液體密度越大, 提升管進出口總壓降越大, 則越易提升液體, 提升流量越大.

由圖6(b) 可知, 氮氣-水, 空氣-水, 氬氣-水三種不同工況下, 氣流量較低時, 向提升管內水中充入不同密度的氣體對提升液體流量的影響不大, 當充氣量大于0.8 m3/h時, 三種氣體提升的液體流量產生較大差異, 氬氣提升流量最大, 空氣次之,氮氣最小. 由圖7(b)不同氣體介質提升管內總壓降p隨充氣量QG變化圖可知, 氬氣提升水提升管內總壓降最大, 則其驅動力最大, 氮氣最小, 驅動力最小. 說明氣力提升系統的驅動氣體密度越大,液體越易提升.

圖7 提升管總壓降隨充氣量的變化(a) 不同液體介質;(b) 不同氣體介質Fig. 7. Change of total pressure drop with gas volume flow rate in lifting pipe: (a) Different liquid mediums; (b) different gas mediums.

4.4 提升液體速度變化趨勢

圖8 為系統穩定時不同液體和氣體介質下, 氣流量由低到高過程中提升管出口處提升液體速度沿徑向分布圖. 由圖8(a)可知, 氮氣-水銀、氮氣-水、氮氣-煤油三種不同工況下, 管軸中心附近的液體速度較大, 管壁附近的液體速度較小. 這是因為噴嘴位于管軸中心, 致使氣流量推動管軸中心液體向上流動, 而管壁是靜止狀態, 故引起管軸中心液體速度最大, 管壁最小. 當充氣量小于0.8163 m3/h時三種液體出口速度相當; 充氣量大于0.8163 m3/h時三種液體速度差異變大, 隨著氣流量增大, 提升管出口處三種液體的速度整體升高, 且徑向速度出現較大波動, 由圖6可知, 此現象是因為在低充氣量下, 不同液體對提升流量影響較小, 進而提升管出口斷面提升液體速度相當, 隨充氣量的增大,不同液體間提升流量差值增大, 徑向速度差值增大. 由圖8(b)可知, 三種不同氣體氮氣、空氣、氬氣提升液體水時, 管軸中心附近的液體速度較大, 管壁附近的液體速度較小. 當充氣量低于2.4490 m3/h時, 提升管出口處, 三種氣體提升的液體速度相當, 當充氣量大于 2.4490 m3/h時, 三種氣體提升的液體速度差異變大, 隨著氣流量增大, 液體速度整體趨勢增大, 且三種不同氣體提升液體的徑向速度出現波動, 惰性氣體氮氣、氬氣提升液體的速度增長幅度高于空氣.

圖8 不同充氣量下提升管出口處液體速度徑向分布(a) 不同液體介質; (b) 不同氣體介質Fig. 8. Liquid radial velocity at lifting pipe outlet under different gas volume flow rates: (a) Different liquid mediums; (b) different gas mediums.

4.5 提升效率變化趨勢

圖9 描述了不同液體介質和不同氣體介質氣力提升系統穩定時, 液體提升效率h隨充入氣體質量流量mG的變化趨勢. 圖9(a)為氮氣-煤油、氮氣-水、氮氣-水銀三種工況下氣力提升效率變化圖,由于煤油、水與水銀密度差值較大, 故將其放大圖置于該圖右上角. 由圖9(a)可知, 三種液體介質下, 提升效率均先升高后降低, 這是因為, 隨著提升管內流型逐漸由泡狀流過渡到彈狀流, 氣相體積分數越來越大, 液體提升量迅速升高, 提升效率增加, 后隨著充氣量不斷增大, 提升管內液體提升速度變緩, 提升效率逐漸降低. 當液體介質為水銀時,提升效率明顯大于液體介質為水和煤油, 說明液體密度越高, 提升效率越大. 圖9(b)為氮氣-水、空氣-水、氬氣-水三種工況下氣力提升效率變化圖,由圖9(b)可知, 三種氣體介質下, 提升效率均先升高后降低, 但效率數值接近, 當氣體質量流量mG分別為 0.4865, 0.5237 和 0.4625 kg/h時, 氮氣-水、空氣-水、氬氣-水效率達到峰值, 其中氮氣-水氣力提升系統效率峰值點最高, 氬氣-水最低, 這主要因為相同氣體體積流量下, 氣體介質密度不同, 氣體質量流量不同, 故計算提升效率時氣體密度越小, 對其效率影響越大, 計算結果反而越大.隨充氣量的增大, 空氣-水氣力提升系統提升效率逐漸超過氮氣-水, 繼續增大充氣量, 氬氣-水氣力提升系統的效率反超空氣-水、氮氣-水, 此后, 氬氣-水提升效率最大, 氮氣-水最小. 氣體介質為氮氣時提升效率峰值點最大, 空氣次之, 氬氣最小,說明氣體介質密度越大, 提升效率峰值點越小.

圖9 提升液體效率隨充氣量的人變化(a) 不同液體介質; (b) 不同氣體介質Fig. 9. Change of lifting efficiency with gas mass flow rate:(a) Different liquid mediums; (b) different gas mediums.

5 總結

本文通過Fluent軟件對浸沒比為0.5, 提升管徑為30 mm, 在常溫常壓下三種不同液體介質氮氣-水、氮氣-水銀、氮氣-煤油與三種不同氣體介質氮氣-水、空氣-水、氬氣-水的氣力提升系統進行了數值模擬, 探討介質密度對氣力提升系統提升性能影響, 結論如下:

1)同一介質下, 提升管內氣相體積分數隨充氣量的升高先快速增加后增加速率變緩. 在相同氣流量下, 液體介質密度越大, 氣體介質密度越大,管內氣相體積分數越小;

2)同一介質下, 液體提升流量隨注氣量的增加先快速增多, 后增加緩慢, 到達最大值后又緩慢下降. 同一充氣量下, 液體提升流量隨液體密度和氣體密度的增大而增大;

3)提升管出口處提升液體徑向速度隨氣體充入量的不斷增加而整體波動升高, 最終管軸中心附近液體速度較大, 管壁附近液體速度較小;

4)同一介質下, 隨著充氣量的增加, 提升效率先顯著增加到達峰值后又降低; 同一充氣量下, 液體介質密度越大, 提升效率越高; 氣體介質密度越小, 提升效率峰值點越高.