擋板式泡沫發(fā)生器內(nèi)部流場分析

劉承婷　衣蕊　欒伯川

摘 要：泡沫發(fā)生器是產(chǎn)生泡沫流體的設(shè)備，其發(fā)泡的基本原理是將空氣引入發(fā)泡劑溶液中。應(yīng)用數(shù)值模擬與PIV實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，研究不同擋板角度對泡沫發(fā)生器內(nèi)部氣液兩相流流動影響規(guī)律。該研究為疏松砂巖油藏沖砂洗井作業(yè)提供指導(dǎo)，為后續(xù)泡沫發(fā)生器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

關(guān) 鍵 詞：泡沫流體；數(shù)值模擬；PIV實(shí)驗(yàn)；多相流

中圖分類號：TE 97 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號：1671-0460（2017）07-1422-04

Analysis on Internal Flow Field of Baffle Foam Generator

LIU Cheng-ting1， YI Rui1， LUAN Bai-chuan2

（1. School of Petroleum Engineering， Northeast Petroleum University， Heilongjiang Daqing 163318，China；

2. Liaohe Oilfield Company Drilling Engineering Department， Liaoning Panjin 124010，China）

Abstract： The foam generator is a device that produces a foam fluid， and the basic principle of its foaming is to introduce air into the foaming agent solution. In this paper， numerical simulation and PIV experiment were used to study the influence of different baffle angles on the flow of gas-liquid two-phase flow in the foam generator. This study can provide guidance for the sand-flushing operation in unconsolidated sandstone reservoirs， and can provide the theoretical basis for the design of foam generator.

Key words： Foam fluid； Numerical simulation； PIV experiment； Multiphase flow

泡沫流體密度低、攜帶能力強(qiáng)，在油田實(shí)際生產(chǎn)中有著廣泛的應(yīng)用。泡沫流體的質(zhì)量和性能對于提高泡沫應(yīng)用效果發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。因此對泡沫發(fā)生器內(nèi)部流場進(jìn)行數(shù)值模擬并結(jié)合PIV實(shí)驗(yàn)得出流場分布情況進(jìn)而改善泡沫流體應(yīng)用效果，同時對現(xiàn)場應(yīng)用也具有很大的指導(dǎo)作用[1]。

本文運(yùn)用流體力學(xué)相關(guān)知識，應(yīng)用SolidWorks軟件建立三維立體幾何模型，將生成的文件導(dǎo)入ICEM中進(jìn)行網(wǎng)格劃分再導(dǎo)入Fluent軟件進(jìn)行數(shù)值模擬?；贛ixture方法、湍流標(biāo)準(zhǔn)模型及Coupled算法采用速度入口壓力出口的邊界條件通過改變擋板角度進(jìn)行數(shù)值模擬并根據(jù)計(jì)算結(jié)果得出速度分布圖和入口流線圖。應(yīng)用PIV技術(shù)對擋板式泡沫發(fā)生器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，分析其內(nèi)部流場的流動規(guī)律，對比數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果[2]。

1 數(shù)值模擬

1.1 擋板式泡沫發(fā)生器幾何建模

采用SolidWorks軟件對擋板式泡沫發(fā)生器進(jìn)行三維建模，如圖1所示。模型全長1 000 mm，氣液相入口長度65 mm、入口直徑為φ20 mm。變徑入口段長35 mm，氣液混合腔外徑為φ100 mm，泡沫液出口段長100 mm。整個模型壁厚5mm。擋板厚度5mm，擋板傾角分別為30°、45°、60°、90°。建模后將生成的文件導(dǎo)入ICEM中進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

首先研究泡沫發(fā)生器內(nèi)擋板傾角對泡沫發(fā)生器內(nèi)氣液兩相流的影響，圖2中擋板式泡沫發(fā)生器的混合段長度為200 mm，擋板間距115 mm，擋板傾角分別為30°、45°、60°、90°四種結(jié)構(gòu)。

1.2 ICEM網(wǎng)格劃分

將構(gòu)建好的幾何模型以parasolid*.x_t格式輸出，其可較好地保留模型幾何特征，并將輸出的幾何文件導(dǎo)入ANSYS ICEM 中進(jìn)行網(wǎng)格劃分處理，如圖3所示。

網(wǎng)格質(zhì)量好壞是影響數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果的重要因素，本文擋板式泡沫發(fā)生器計(jì)算域網(wǎng)格質(zhì)量要求Min Angle值不小于18，Quality不小于0.4，即為合格的網(wǎng)格。本文模擬中最低網(wǎng)格質(zhì)量為0.4，網(wǎng)格單元數(shù)316 334，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)62 053，網(wǎng)格質(zhì)量良好。

1.3 FLUENT數(shù)值模擬

泡沫發(fā)生器的結(jié)構(gòu)直接影響產(chǎn)出泡沫的質(zhì)量，本文運(yùn)用數(shù)值模擬方法探究擋板傾斜角度對泡沫形成的影響[3]。以擋板傾斜角度為變量，其他結(jié)構(gòu)參數(shù)不變，設(shè)計(jì)4組不同傾角的擋板結(jié)構(gòu)，對不同擋板結(jié)構(gòu)的泡沫發(fā)生器進(jìn)行數(shù)值計(jì)算[4]。采用速度入口、壓力出口的邊界條件，氣液進(jìn)口速度均為1 m/s[5]。速度分布云圖如圖4所示，入口流線分布如圖5所示。

氣液兩相以v=1 m/s的速度進(jìn)入發(fā)生器時，可以看出30°擋板與45°擋板的泡沫發(fā)生器入口處流體上浮，60°擋板的泡沫發(fā)生器氣液水平進(jìn)入，而90°擋板的泡沫發(fā)生器氣液兩相流經(jīng)入口后下沉。隨著角度增加，依次增加的距離使得他們對于氣液的阻擋效果不同。30°擋板的尖部距離入口最大，第一塊擋板的阻擋作用最小。90°擋板的泡沫發(fā)生器，氣液流入后，受到阻礙向下流動，是因?yàn)榧獠烤嚯x入口最小，阻擋作用非常明顯。

單獨(dú)分析每個泡沫發(fā)生器可以看出，30°擋板的泡沫發(fā)生器產(chǎn)生三次較大的渦流，其中第四塊擋板后部的渦流極??；45°擋板的泡沫發(fā)生器產(chǎn)生的第一次渦流明顯比30°的擾動大，經(jīng)過第四塊擋板后的渦流幾乎沒有；