氣體膨脹比對引射器內(nèi)流場影響的研究

摘 要：氣體膨脹比是影響引射器工作性能的關(guān)鍵參數(shù)，為研究氣體膨脹比對引射器內(nèi)部流場的影響，基于計算流體力學(xué)對不同氣體膨脹比下的引射器數(shù)學(xué)模型進行了仿真計算，結(jié)果表明：氣體膨脹比下降50%，噴嘴出口流速降低6%，擴張室出口壓力下降32%；氣體膨脹比增加100%，每日引射氣體總量增加4%；氣體膨脹比在4～6.66間引射氣體流量增長率約為2%，氣體膨脹比在6.66～9.33間引射氣體流量增長率約為5%。

關(guān)鍵詞：引射器；氣體膨脹比；仿真計算

中圖分類號：TE329；TE319" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2024）09-0046-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.09.011

0" " 引言

引射器可以將高壓氣體的壓力能轉(zhuǎn)化為動能，并在其內(nèi)部形成低壓區(qū)，從而使引射口流體流入引射器內(nèi)部，從引射口流入的流體與從高壓口進入的流體形成混合流體，混合流體在經(jīng)過引射器的穩(wěn)流段和回壓段后壓力逐漸恢復(fù)，使混合流體能夠平穩(wěn)流出。引射器結(jié)構(gòu)簡單，使用維護方便，目前已廣泛應(yīng)用于油氣田開采、新能源等領(lǐng)域，研究不同參數(shù)對引射器工作性能的影響，可以優(yōu)化引射器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，為引射器的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考。

國內(nèi)外學(xué)者對于引射器的理論研究最早可以追溯到1870年[1]，隨著引射器得到越來越廣泛的應(yīng)用，其理論、實驗研究均逐漸增多。2016年，王春強等人[2]公布了將引射器應(yīng)用在崖城13-1氣田進行低效井增壓的成效，實踐證明，引射器的應(yīng)用可以大大提高天然氣的產(chǎn)量。2022年，張文輝等人[3]采用RNG k-ε模型計算了引射器內(nèi)部的黏性熵產(chǎn)、湍流熵產(chǎn)、有限溫差傳熱熵產(chǎn)及壁面熵產(chǎn)。2023年，吳奇霖等人[4]對不同工況下天然氣引射器的內(nèi)部流場開展分析，探究流場特性和有效工作區(qū)間，并通過現(xiàn)場生產(chǎn)數(shù)據(jù)對數(shù)值模擬方法進行了驗證。同年，么大鎖等人[5]以額定工況下氫燃料電池引射器為研究對象，提出一種基于橢球基（EBF）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型和非線性序列二次規(guī)劃（NLPQL）算法的引射器結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化方法。

影響引射器工作性能的參數(shù)有很多，氣體膨脹比就是最為關(guān)鍵的因素之一[6]，對于天然氣井所用的引射器，隨著天然氣開采過程中井口壓力的逐漸降低，氣體膨脹比通常是變化的，因此，為了使引射器能夠適應(yīng)更大范圍的氣體膨脹比波動，研究氣體膨脹比對引射器內(nèi)流場、流體參數(shù)的影響是十分必要的。本文基于計算流體力學(xué)理論建立引射器的三維流場計算模型，對不同膨脹比工況下的引射器內(nèi)流場進行分析，為引射器的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供理論參考。

1" " 計算模型

1.1" " 幾何模型

引射器二維物理模型如圖1所示，包含噴嘴段、混合室及擴張室，高壓工作流體經(jīng)噴嘴段加速，在混合室內(nèi)形成低壓區(qū)，使引射流體流入，引射流體及工作流體在混合室混合后經(jīng)擴張室回壓，并流出引射器。

三維計算模型如圖2所示，工作流體入口及引射流體入口均設(shè)置為壓力-入口邊界（pressure-inlet），混合流體出口設(shè)置為壓力-出口邊界條件（pressure-outlet），其余邊界設(shè)置為壁面邊界（wall），噴嘴喉口直徑26 mm，噴嘴出口直徑40 mm。

1.2" " 數(shù)值模型

對引射器內(nèi)部流場、流體參數(shù)的求解可由動量方程實現(xiàn)：

式中：φ2為截面2上的速度系數(shù)；GH、GP為引射流體、工作流體的質(zhì)量流量；wP2、wH2分別為截面2上工作流體及引射流體的速度；p3、w3分別為混合流體在截面3上的壓力與速度；pP2、pH2分別為工作流體及引射流體在截面2上的壓力；f2、f3、fP2、fH2分別為截面2面積、截面3面積、工作流體在截面2的面積、引射流體在截面2的面積。

pdf為混合室圓錐段壁面反作用力決定的沖量值，計算公式為：

pdf=pH2 f3Φ1+p3∏3γ f3Φ2（2）

式中：∏3γ為混合室的壓力增量；Φ1、Φ2為與截面2和截面3之比有關(guān)的截面系數(shù)。

實驗表明，在確定漸縮管壁面反作用力沖量值時，用Φ1、Φ2的平均值代入計算，誤差不會超過8%，因此式（2）可寫為：

pdf=0.5f3-1（pH2+p3∏3γ）（3）

令β=f2/f3，通常β=2～3。

截面2上工作流體速度和引射流體速度及截面3上混合流體的速度分別為：

wP2=φ1aP * λP 2（4）

wH2=φ4aH * λH2（5）

w3=aC * λC3/φ3（6）

式中：φ1、φ3、φ4分別為噴嘴、擴張室、混合室入口段的速度系數(shù)；aP *、aH *、aC *分別為工作流體、引射流體、混合流體的臨界速度；λP2、λH2、λC3分別為截面2上工作流體的折算等熵速度、截面2上引射流體的折算等熵速度、截面3上混合流體的折算等熵速度。

臨界速度a*的計算公式為：

式中：k為流體的絕熱指數(shù)，天然氣取1.31；p為流體壓力；v為比容。

2" " 計算結(jié)果

引射器氣體膨脹比即工作流體壓力與引射流體壓力之比，表1為不同工況下引射器的氣體膨脹比，假設(shè)引射流體壓力不變，隨著工作氣體的釋放，進口壓力逐漸降低，導(dǎo)致工作流體壓力下降，基于此，研究不同氣體膨脹比對引射器工作性能的影響。

圖3為不同工況下引射器內(nèi)的速度云圖。

從圖中可以看出，氣體在經(jīng)過噴嘴后，其流速迅速增加，膨脹比越大，離開噴嘴后氣體的流速越大，圖3（a）～（e）五種工況下的噴嘴出口氣體流速分別為766、745、739、722、697 m/s，由于在噴嘴出口氣體流速迅速增加，混合室內(nèi)形成低壓區(qū)，引射流體被吸入，與工作流體混合后流入擴張室，擴張室內(nèi)的氣體流速逐漸降低，壓力逐漸升高，因此流過擴張室的氣體仍保持著一定的輸送壓力，使氣體向后管道輸送。圖3（a）～（e）五種工況下的引射器末端出口氣體流速分別為155、143、137、126、119 m/s，出口壓力分別為8 379、7 051、6 526、5 227、4 827 Pa。

圖4為膨脹比對引射氣體總量的影響，從圖中可以看出，引射器氣體膨脹比越大，引射器的引射能力越強，氣體膨脹比為4時引射氣體流量為26 302 m3/d，氣體膨脹比為5.33時引射氣體流量為26 604 m3/d，氣體膨脹比為6.66時引射氣體流量為26 812 m3/d，氣體膨脹比在4～6.66間引射氣體流量增長率約為2%，氣體膨脹比為8時引射氣體流量為27 398 m3/d，氣體膨脹比為9.33時引射氣體流量為28 049 m3/d，氣體膨脹比在6.66～9.33間引射氣體流量增長率約為5%。

3" " 結(jié)論

1）氣體經(jīng)過引射器噴嘴后，流速迅速增加，氣體膨脹比越大，離開噴嘴的流體速度越大，氣體膨脹比從8降至4，噴嘴處的最大流速下降了6%；擴張室內(nèi)的氣體流速逐漸降低，壓力逐漸升高，氣體膨脹比越大，擴張室出口氣體壓力越大，氣體膨脹比從8降至4，擴張室出口壓力下降了32%。

2）氣體膨脹比越大，引射器的引射能力越強，氣體膨脹比為4時引射氣體流量為26 302 m3/d，氣體膨脹比為8時引射氣體流量為27 398 m3/d，氣體膨脹比增加100%，每日引射氣體總量增加4%，氣體膨脹比在4～6.66間引射氣體流量增長率約為2%，氣體膨脹比在6.66～9.33間引射氣體流量增長率約為5%。

[參考文獻]

[1] MANKIN M.Study on the physical characteristics of ejector[J].Proceedings of the Royal Society，1870.

[2] 王春強，江陵，馬杰，等.天然氣引射器在崖城13-1氣田的運用[J].油氣田地面工程，2016，35（12）：4-6.

[3] 張文輝，李奇.天然氣引射器內(nèi)部熵產(chǎn)分析[J].過程工程學(xué)報，2023，23（6）：870-879.

[4] 吳奇霖，劉碩，許晶禹.天然氣引射器流場特性及有效工作區(qū)間研究[J].流體機械，2023，51（1）：85-91.

[5] 么大鎖，趙凱芳，吳國鵬，等.基于EBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的引射器結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化[J].機床與液壓，2023，51（21）：144-149.

[6] E.Я.索科洛夫，H.M.津格爾.噴射器[M].黃秋云，譯.北京：科學(xué)出版社，1977.

收稿日期：2024-03-18

作者簡介：陳小怡（1981—），男，四川廣漢人，碩士，副教授，主要從事機械設(shè)計、機械制造的教學(xué)和科研工作。

基金項目：瀘州市科技計劃項目（2022-JYJ-166）