脈沖對空化射流影響機理研究*

周傳喜 陳偉華 潘忠義 管 鋒 劉先明 萬 鋒

(1.長江大學(xué)機械工程學(xué)院2.勝利油田德利實業(yè)有限責任公司)

周傳喜,陳偉華,潘忠義,等.脈沖對空化射流影響機理研究.石油機械,2022,50(11):30-36,42.

0 引言

水射流技術(shù)自19世紀發(fā)展至今,由于其獨特的能量轉(zhuǎn)換途徑和環(huán)保特色,受到世界石油領(lǐng)域的青睞。近些年,脈沖射流和空化射流逐漸興起,為了提高流體的空化效果,專家學(xué)者根據(jù)空化原理設(shè)計了一系列的流體空化裝置[1-4]。風琴管自振空化射流噴嘴、Helmholtz型自振空化噴嘴等典型噴嘴以及井下解堵工具逐漸面世,被應(yīng)用于油罐清洗、井下解堵、鉆頭鉆井等諸多作業(yè)中。

李根生等[5-8]分析了風琴管自振空化射流噴嘴的空化發(fā)生原理,對風琴管諧振腔的固有頻率計算公式進行推導(dǎo),給出了諧振腔基本結(jié)構(gòu)的設(shè)計模式;在此基礎(chǔ)上,進一步得到了滿足不同鉆井工況的自振空化噴嘴設(shè)計方法。朱成龍[9]對空化現(xiàn)象和空化泡演變過程進行研究,依據(jù)流體動力學(xué)對3種空化噴嘴進行模擬試驗,為流體空化應(yīng)用于油氣井增產(chǎn)提供了依據(jù)。易燦等[10]依據(jù)瞬態(tài)流和水聲學(xué)研制了自振空化噴嘴,通過試驗證實了自振空化噴嘴比普通錐形噴嘴具有更大的起始空化數(shù)和更強的空化起始能力。韋志超[11]通過數(shù)值模擬探究了基于附壁效應(yīng)的自激脈沖噴嘴相關(guān)機理和性能,驗證了附壁式自激脈沖噴嘴的可行性,得出了附壁式自激脈沖噴嘴參數(shù)對性能的影響規(guī)律。曲洪娜等[12]對水平井旋轉(zhuǎn)射流沖砂洗井機理進行研究,形成了一套水平井旋轉(zhuǎn)射流沖砂洗井水力參數(shù)設(shè)計方法。王循明[13]首次將脈沖噴射清洗方式引入大型油罐底泥清洗,并建立了自激脈沖噴嘴數(shù)值優(yōu)化理論,得到了自激噴嘴結(jié)構(gòu)運行參數(shù)的優(yōu)化配比范圍。

綜上,空化射流和脈沖射流已經(jīng)普遍應(yīng)用于石油領(lǐng)域內(nèi),而風琴管自振空化射流噴嘴、自激脈沖噴嘴以及井下解堵工具等常常是空化和脈沖射流同時使用。目前脈沖和空化射流理論各自研究較多,但二者結(jié)合研究鮮有涉及,脈沖對空化效果的作用機理尚不明確。為此,筆者建立了空化噴嘴模型,開展了脈沖參數(shù)對空化特性的影響研究,為指導(dǎo)空化射流類工具的設(shè)計以及工程應(yīng)用中流體參數(shù)控制提供理論依據(jù)。

1 空化模型的建立

開展脈沖參數(shù)對空化特性的影響研究,首先需要分析脈沖空化射流理論,在此基礎(chǔ)上建立空化噴嘴模型。同時對建立的有限元模型進行網(wǎng)格無關(guān)性驗證,在確保計算結(jié)果精度的前提下,盡可能提高計算效率。

1.1 脈沖空化射流理論

空化是指流體在流動過程中,由于管道結(jié)構(gòu)或者外在條件發(fā)生變化,導(dǎo)致流體局部壓力低于當前流體飽和蒸汽壓,流體內(nèi)部的微小氣泡(氣核)在短時間內(nèi)迅速膨脹并潰滅,釋放大量能量的現(xiàn)象[14-16]。空化射流工具設(shè)計的基本原理就是人為創(chuàng)造空化條件或者改變管道結(jié)構(gòu)使流體壓力降低,誘使射流工具中空化的產(chǎn)生。在研究空化射流時,將單個空泡的孤立狀態(tài)作為研究對象,分析空泡周圍壓力變化。忽略水中氣體擴散,空泡靜止狀態(tài)下的平衡方程為:

式中:p為空泡周圍壁面上的水體壓力,Pa;pv為泡內(nèi)的飽和蒸汽壓力,Pa;R為空泡半徑,m;σ為水的表面張力系數(shù),N/m。

根據(jù)式(1)推導(dǎo)可知,空化膨脹條件為:

脈沖射流相比于連續(xù)射流,在一段時間內(nèi),相同入口流量下,流體速度具有更高峰值,即更低的射流壓力,有利于空化氣泡的初生和發(fā)展。同時脈沖射流在出口淹沒區(qū)域中會產(chǎn)生剪切現(xiàn)象,形成不穩(wěn)定漩渦。淹沒射流中不穩(wěn)定漩渦的產(chǎn)生會提供低壓區(qū)域,進一步增強空化效果。根據(jù)經(jīng)典的蘭金渦模型,流場在渦環(huán)中心形成壓力降,其大小可用下式表示[17]:

式中:ρ為流體密度,kg/m3;Γ為渦的環(huán)量,m2/s;p∞為無窮遠處壓力,Pa;pmin為漩渦中心壓力,Pa。

根據(jù)式(3)可得,Γ越大,渦環(huán)中心的壓力降將會越大,從而促使淹沒條件下空化的形成。

1.2 空化模型的建立

空泡的初生、發(fā)育、潰滅都在極短的時間內(nèi)完成,因此空化射流的主要元件為工具最末端的空化噴嘴。根據(jù)不同空化類型的原理,常見空化噴嘴有角形空化噴嘴、亥姆霍茲空化噴嘴和風琴管空化噴嘴。但亥姆霍茲空化噴嘴和風琴管空化噴嘴自身存在振蕩結(jié)構(gòu),會對入射脈沖產(chǎn)生影響,因此本文采用角形空化噴嘴。角形噴嘴模型主要結(jié)構(gòu)尺寸如圖1所示,其入口直徑D=8 mm,縮頸段長度L=25.35 mm,圓柱段長度L1=5 mm,噴嘴圓柱段直徑d=2 mm,擴散段長度L2=8 mm,擴散角θ=60°[7]。

圖1 角形噴嘴模型Fig.1 Angular nozzle model

為減少運算量,采用二維計算模型,利用Workbench軟件中的DesignModeler模塊完成角形噴嘴的幾何建模,外部流場域為長100 mm、寬為700 mm的長方形。對模型進行網(wǎng)格劃分,如圖2所示。

圖2 有限元計算模型Fig.2 Finite element model

采用Mixture模型和k-εStandard模型[18]。設(shè)置第1相為水,密度為998.2 kg/m3,黏度為0.001 003 Pa·s;第2相 為 水 蒸 氣,密 度 為0.554 2 kg/m3,黏度為0.000 013 4 Pa·s。水與水蒸氣轉(zhuǎn)化模式為cavitation,轉(zhuǎn)化壓力為2 338.8 Pa[9]。設(shè)置進口第1相速度為35 m/s,出口采用混合壓力出口,為一個大氣壓(即0.1 MPa),利用SIMPLE算法進行瞬態(tài)計算。

1.3 網(wǎng)格無關(guān)性驗證

為了保證計算的精度以及運行速度,對建立的空化模型進行網(wǎng)格無關(guān)性驗證,如圖3所示。由圖3可知,當網(wǎng)格單元數(shù)量大于20萬后,網(wǎng)格數(shù)量對計算結(jié)果的影響不大,因此網(wǎng)格數(shù)和節(jié)點數(shù)分別選擇為286 751和288 447,以保證計算結(jié)果的準確性和可靠性。

圖3 網(wǎng)格驗證Fig.3 Grid validation

1.4 有限元分析結(jié)果

噴嘴以及外流場區(qū)域的連續(xù)射流速度云圖和第2相體積分數(shù)分布云圖如圖4所示。由圖4可知,射流速度在縮頸段逐漸提升,且由于與外流場區(qū)域的流體發(fā)生了剪切作用,在擴散段以及外圍流場中速度逐漸減小。體積分數(shù)越高,空化效果越好。水蒸氣在圓柱段開始出現(xiàn),在擴散段體積分數(shù)急劇增加,最高可達95.4%,又在尾端迅速下降直至降為0。此過程表明空化泡在圓柱段初生,在外流場區(qū)域迅速發(fā)展、潰滅。

圖4 連續(xù)射流結(jié)果云圖Fig.4 Cloud chart of continuous jet results

空化作用的強弱可以通過對氣相分布區(qū)域面積大小、氣相體積分數(shù)以及空化距離進行評價,而空化工具往往需要進行噴射作業(yè),因此筆者以空化距離作為主要評價指標[9]。空化作用發(fā)揮的主要區(qū)域在噴嘴出口處,連續(xù)射流空化距離最遠為42.17 mm。

2 脈沖對空化射流參數(shù)影響分析

脈沖類型、幅值和周期是衡量脈沖射流的主要參數(shù)[19-21]。為了研究脈沖射流對空化作用的影響,以建立的有限元模型為基礎(chǔ),以類型、幅值和周期為變量,利用Visual Studio軟件編寫編譯型udf文件,在User Defined自定義功能中,動態(tài)鏈接入Fluent中,在邊界條件inlet中將自定義函數(shù)文件導(dǎo)入速度入口中,設(shè)定脈沖入射自定義函數(shù)。

2.1 不同脈沖類型對空化的影響

脈沖主要指一個物理量在短持續(xù)時間內(nèi)突變后迅速回到其初始狀態(tài)的過程。常見脈沖類型有正弦形脈沖函數(shù)、梯形(矩形)脈沖函數(shù)、鋸齒形(三角)脈沖函數(shù)。根據(jù)脈沖函數(shù)的類型和參數(shù),設(shè)定脈沖入射流速。在噴嘴入口處設(shè)置監(jiān)測點,監(jiān)測入口速度,實時監(jiān)測速度變化,其入口速度隨時間變化如圖5所示,其值變化與設(shè)定脈沖入射自定義函數(shù)一致。

圖5 入口脈沖監(jiān)測圖Fig.5 Inlet pulse monitoring diagram

圖6為正弦脈沖入射流在出口處第2相體積分數(shù)云圖隨時間變化過程。由圖6可見,空化距離隨時間周期性變化,隨著脈沖信號而波動,其距離最小值為31.5 mm,距離最大值為50.8 mm。由于脈沖射流具有間斷性的特點,增強了淹沒流體區(qū)域的剪切流,產(chǎn)生了漩渦,因而在淹沒流體區(qū)域出現(xiàn)了第2次空化現(xiàn)象,下文簡述為二次空化。相比于噴嘴的穩(wěn)定空化區(qū)域,二次空化的穩(wěn)定性較低,但噴射距離更遠。

圖6 正弦脈沖結(jié)果云圖(第2相體積分數(shù))Fig.6 Cloud chart of sinusoidal pulse results

3種脈沖射流中,矩形脈沖射流二次空化效果 最為明顯,其過程如圖7所示。分別對矩形脈沖和三角脈沖入射流進行仿真分析,在一段時間內(nèi),相同入射流量下,連續(xù)射流最大空化距離為42.2 mm;而脈沖入射流對于第1次空化作用距離有顯著的增強作用,其中矩形脈沖射流空化噴射距離最遠為72.7 mm,空化效果提升可達72.27%,但存在周期內(nèi)空化效果消失的現(xiàn)象。三角脈沖射流空化最長距離為51.6 mm,效果提升為22.27%,最短距離為35.6 mm。而正弦脈沖射流最長距離為51.8 mm,效果提升22.74%,最短距離空化作用為31.5 mm。

圖7 矩形脈沖空化云圖(第2相體積分數(shù))Fig.7 Cloud chart of rectangular pulse cavitation

以空化距離為主要評價指標,矩形脈沖二次空化效果較強,正弦和三角脈沖二次空化效果一般,連續(xù)射流無二次空化現(xiàn)象。表1為不同脈沖類型有限元仿真結(jié)果。

表1 不同脈沖類型有限元結(jié)果Table 1 Finite element results of different pulse types

綜上,脈沖入射流對空化射流的形成具有促進作用。在實際應(yīng)用中,空化作業(yè)應(yīng)優(yōu)先考慮脈沖入射流;空化工具的設(shè)計和改造應(yīng)該充分考慮振蕩結(jié)構(gòu)對空化效果的促進作用。其中矩形脈沖第1次空化作用距離最遠且第2次空化較強,適用于大井眼除砂解堵以及油罐清洗等較遠距離作業(yè);正弦脈沖和三角脈沖空化的第1、2次空化距離相較矩形脈沖較短,但空化作用持續(xù)時間長,適用于小井眼除砂解堵等近距離作業(yè)。

2.2 脈沖幅值對空化的影響

考慮脈沖的穩(wěn)定性,本節(jié)將以正弦脈沖為研究對象,開展脈沖幅值對空化作用的影響研究。設(shè)定入射脈沖速度幅值分別為1、2、3、4、5、6、7、8和9 m/s,開展有限元仿真,結(jié)果如圖8、圖9所示。

圖9 脈沖幅值對二次空化的影響Fig.9 Influence of pulse amplitude on the second cavitation

由圖8可知:隨著脈沖幅值的增加,第1次空 化作用最遠距離整體呈現(xiàn)上升趨勢,上升速度逐漸趨于平穩(wěn),幅值為10 m/s時,脈沖周期為0.025 s的入射流空化距離最遠,為76.92 mm;第1次空化作用最近距離整體呈現(xiàn)下降趨勢,下降速度逐漸趨于平穩(wěn),幅值為10 m/s時,脈沖周期為0.2 s的入射流最短空化距離值最小,為29 mm。

由圖9可知:隨著脈沖幅值的增加,第2次空化最遠距離逐漸增加并趨于平穩(wěn),周期為0.025 s,幅值為10 m/s時,第2次空化最遠距離值最大,為372.34 mm;脈沖幅值的改變對空化周期并無影響。

2.3 脈沖周期對空化的影響

本節(jié)將以幅值為5、6、7和8 m/s的正弦脈沖為研究對象,開展脈沖周期對空化作用的影響研究。設(shè)定入射脈沖周期分別為0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6和0.7 s,開展有限元仿真,結(jié)果如圖10所示。根據(jù)圖10可以看出,脈沖周期的變化對第1次空化距離的影響較小,整體變化趨于平穩(wěn);相比于低幅值脈沖射流,脈沖周期對高幅值脈沖射流的二次空化影響較大,即脈沖周期的增大會減弱第2次空化;幅值為8 m/s的脈沖入射流在周期為0.1 s時,第2次空化最遠距離可達到344.26 mm,但周期在0.7 s時第2次空化最遠距離僅有286.89 mm。脈沖周期直接影響空化周期,兩者呈線性關(guān)系。

圖10 脈沖周期對空化的影響Fig.10 Influence of pulse period on the cavitation

基于脈沖幅值和周期對空化作用的影響規(guī)律,在工程作業(yè)中,流體參數(shù)控制首先考慮加大脈沖幅值促進空化產(chǎn)生;在高幅值脈沖空化作業(yè)下,再考慮縮短脈沖周期,進一步提升空化效果。

3 結(jié)論

(1)筆者利用Workbench Fluent和Visual Studio軟件建立了空化噴嘴有限元計算模型,開展了不同脈沖射流類型、幅值和周期下的空化特性研究,揭示了脈沖對空化射流的影響規(guī)律。

(2)脈沖射流對空化的形成具有較大的促進作用。矩形脈沖射流空化效果提升72.27%;三角脈沖射流空化效果提升22.27%;正弦脈沖射流空化效果提升22.74%。且在噴嘴出口淹沒區(qū)域出現(xiàn)了二次空化現(xiàn)象,進一步加大了空化作用距離,增強了空化作用效果。

(3)不同脈沖類型、幅值和周期對空化作用都有顯著的影響。其中矩形脈沖適用較遠距離作業(yè);正弦脈沖和三角脈沖適用于近距離持續(xù)空化作業(yè)。在工程作業(yè)中,流體參數(shù)控制首先考慮加大脈沖幅值促進空化產(chǎn)生,再考慮縮短脈沖周期,進一步提升空化效果。