氣液兩相射流表面清洗流場數(shù)值模擬

時鳳霞，趙健，孫曉光，尹海亮

(1.中國石油大學勝利學院油氣工程學院，山東東營，257061；2.中國石油大學(華東)東營科學技術研究院，山東東營，257061；3.中石油煤層氣有限責任公司忻州分公司，山西太原，030000)

油管是油氣資源開采必不可少裝備之一，在油氣開采過程中起著非常重要的作用，用量多，成本高。油田經(jīng)過一段時間開發(fā)之后，油管在高溫高壓環(huán)境中容易形成污垢，如油垢、水垢、焦炭狀物質(zhì)和沉積物等，導致油管可流動面積減小，流動損耗增加，油氣開采效率降低，甚至會因完全堵塞而導致停產(chǎn)，嚴重影響著油氣開采的整體效益[1-2]。油管清洗技術可有效實現(xiàn)油管的重復再利用，已成為油田油管處理工藝中的重要環(huán)節(jié)，因此，高效油管清洗技術研究尤為重要。

高壓水射流技術以其高效和環(huán)保等優(yōu)勢，在破巖和清洗等方面的應用較廣[3-4]，汪紅祥等[5]模擬研究高壓水射流沖擊損傷破巖和裂紋擴展過程；ZHAO 等[6]研究高壓粒子水射流破巖機理和影響參數(shù)；郭琦等[7]利用高壓水射流清洗技術對涂層及不同硬度工件進行沖擊試驗，得到工件涂層去除及表面粗糙度變化情況；魯軍波等[8]基于水射流分布特征和清洗機理，提出入射角、壓力、噴嘴、靶距和平移速度等參數(shù)選擇方法。而高壓水射流技術因其工作壓力較高，極易引發(fā)安全事故，而空化射流更安全和節(jié)能[9-10]，因此，近年來在清洗去污、水處理和油氣工程等領域研究空化射流技術較多，麻斌等[11-12]基于空化理論提出一種針對噴嘴孔內(nèi)空化模型，并對空化模型進行可視化試驗驗證；汪朝暉等[13-16]考慮剪切力和湍動能產(chǎn)生的壓力脈動等因素對空化影響，提出修正空化模型；管金發(fā)等[17-20]利用Fluent 軟件對角型噴嘴內(nèi)部空化射流流場進行了數(shù)值模擬，驗證角型空化噴嘴模型的優(yōu)越性。空化射流產(chǎn)生的氣泡在破滅瞬時會產(chǎn)生很大能量，清洗效果較好，但是對空化射流發(fā)生噴嘴結構要求較高，而且自發(fā)空化會耗費部分射流能量，影響清洗效果。

因此，本文作者開展氣液兩相射流表面清洗研究，將氣體加入到水射流中，利用VOF 模型(volume of fluent model)模擬研究氣液兩相流的流場特性和射流參數(shù)對清洗效果的影響規(guī)律，并進行試驗驗證，研究結果為兩相射流清洗技術的推廣應用提供理論指導。

1 數(shù)值模型建立

VOF 模型是在兩相或多相流體互不相溶前提下，建立在固定歐拉網(wǎng)格下的表面跟蹤方法，不同流體組分共用一套動量方程，通過相體積分數(shù)實現(xiàn)對每個計算單元相界面的追蹤。在每個控制容積內(nèi)，所有相體積分數(shù)總和為1。為研究氣液兩相射流流場變化，采用Fluent 中的VOF 模型進行數(shù)值模擬，選擇水為液相，空氣為氣相。

1.1 控制方程

流體運動過程遵循連續(xù)性方程、能量方程和動量方程[21-24]。

1)連續(xù)性方程

式中：u為速度矢量；ρ為流體密度；t為時間。

2)能量方程

在本文氣液兩相射流模擬研究中，能量交換較少，可暫不考慮。

3)動量方程

式中：p為壓力；μ為流體黏度；g為重力體積力；F為外部體積力。

4)體積分數(shù)方程

對第q相：

主相的體積分數(shù)計算基于以下約束：

式中：αq為第q相流體體積分數(shù)；sαq為質(zhì)量源項。

流體流動選擇湍流模型中的k-ε標準模型[25-26]：

式中：x為張量形式的空間坐標；k為湍動能；Gk為平均速度梯度引起的湍動能的產(chǎn)生項；σk為k方程的湍流普朗特數(shù)，取1.0；ε為湍動耗散率；μt=Cμ ρk2/ε，為湍動黏度；C1ε，C2ε，Cμ和σε為經(jīng)驗系數(shù)。

1.2 物理模型及網(wǎng)格劃分

根據(jù)水射流清洗現(xiàn)場參數(shù)，建立氣液兩相射流表面清洗物理模型，如圖1(a)所示。本文主要研究氣液兩相射流表面清洗效果，將管道表面局部簡化為平面。設定噴嘴直徑d為2 mm，噴嘴高度為h為4 mm，高壓管內(nèi)流道長度為15 cm。利用Gambit 軟件建立氣液兩相流動幾何模型，并進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格數(shù)為53 866，如圖1(b)所示。

圖1 氣液兩相射流沖擊物理模型及網(wǎng)格劃分模型Fig.1 Physical and meshing model of gas-liquid twophase jet impact

1.3 求解設置

采用VOF 模型，選擇顯式算法，瞬態(tài)流動，基于壓力進行求解。湍流模型選擇k-ε標準模型，近壁面選擇標準壁面方程，C1ε=1.44，C2ε=1.92，Cμ=0.09，σε=1.00。設定出口壓力為0，湍流參數(shù)選擇湍流強度為5%，湍流黏度比為10。

2 模擬過程及結果

2.1 氣液兩相射流與純水射流對比

氣體體積分數(shù)為7.4%、噴射速度為265 m/s時(下同)，純水射流和氣液兩相流噴射效果對比如圖2所示，其中，氣體體積分數(shù)為入口處氣體在射流中的體積分數(shù)，噴射速度為噴嘴出口處速度。由圖2可見：純水射流產(chǎn)生的最大速度為330 m/s，氣液兩相流產(chǎn)生的最大速度為377 m/s(較純水射流提高14.2%)，當氣體通過噴嘴時，產(chǎn)生的最大速度能達到1 060 m/s(較純水射流提高221%)，說明氣液兩相流的噴射效果要遠高于純水射流。當液體中加入氣體后，在通過噴嘴時，速度增大，壓強降低，會在射流中產(chǎn)生一系列空泡，空泡不斷地經(jīng)歷膨脹、壓縮甚至潰滅的反復過程[27-29]，空泡潰滅對周圍流體會產(chǎn)生較強推動力，使射流速度瞬時增大。

2.2 氣液兩相流流場

2.2.1 壓力場

氣液兩相射流壓力場分布如圖3所示。由圖3可見：氣液兩相射流從噴嘴噴出后，射流壓力逐漸降低，射流壓能逐漸轉換為氣液兩相射流動能。在距離壁面約1/7噴距處，壓力開始以球形向內(nèi)逐漸增大，在壁面駐點處達到極大值，此時射流沖擊到壁面速度降為零，射流的動能全部轉換為壓能，與伯努利原理相符[30-31]。

流場內(nèi)最大壓力隨時間變化如圖4(a)所示。氣液兩相流體從入口開始，最大壓力都維持在69 MPa左右，直到32.8 ms 時，有氣體通過噴嘴，最大壓力減小到52.5 MPa，之后到33.5 ms，當氣體再次通過噴嘴時，最大壓力迅速減小到47.1 MPa，說明流場內(nèi)氣體的存在，在噴嘴處形成空化作用，引起壓力減小。

圖2 氣體加入對射流速度的影響Fig.2 Influence of gas addition on jet velocity

圖3 氣液兩相射流流場分布Fig.3 Flow field distribution of gas-liquid two-phase jet

2.2.2 速度場

由圖3(c)可見：氣液兩相射流由噴嘴加速噴射后，速度迅速增大到最大值，并出現(xiàn)“等速核”形狀；從等速核逐漸向外擴展，速度逐漸減低。流場內(nèi)最大速度隨時間變化如圖4(b)所示，氣液兩相流體從入口開始，最大速度都維持在377 m/s，直到32.8 ms 時，氣泡通過噴嘴瞬時，速度增大到1 060 m/s，之后到33.5 ms，當氣泡再次通過噴嘴時，最大速度增大到1 420 m/s，相比氣流未通過噴嘴時，速度增幅較大，說明氣體加入后，空泡產(chǎn)生和潰滅對射流加速的增強作用，引起噴射速度突增。

2.2.3 氣體運動規(guī)律

氣液兩相射流中氣體的流動規(guī)律如圖5所示。從圖5可見：隨著時間推移，氣體以段塞形式逐漸向噴嘴移動，并且運動前緣氣體體積分數(shù)高，越靠近后端氣體體積分數(shù)越低；氣流間歇性通過噴嘴，形成氣液兩相射流。

3 影響因素分析

3.1 噴嘴錐度

噴嘴錐度(1.2～5.5)對流場內(nèi)最大速度和等速核長度影響規(guī)律如圖6(a)所示。噴嘴錐度是指噴嘴收縮段進口與出口兩底圓的直徑差與錐臺高度之比。同等條件下，隨噴嘴錐度增大，流場中最大速度近似于線性增加。噴嘴錐度越大，噴嘴收縮程度越大，射流從噴嘴入口到出口的匯聚性能增強[30]，因此，流場中的最大速度不斷增加。隨噴嘴錐度增大，噴嘴等速核長度先增大后減小，噴嘴錐度為3.5時，射流等速核最長。錐度較小時，隨著錐度增加，射流的匯聚性逐漸增加，因此等速核長度逐漸增加。當錐度超過3.5時，噴嘴收縮程度過高，流體開始沖擊噴嘴表面，噴嘴對流體運動阻力顯著增大，造成大量射流能量損耗，因此，等速核長度開始減小。綜合考慮，噴嘴錐度為3.5時，噴射效果較好。

圖4 流場內(nèi)最大壓力和速度隨時間變化Fig.4 Variation of the maximum pressure and velocity in the flow field as a function of time

圖5 氣體兩相射流中氣體運動規(guī)律Fig.5 Law of gas movement of gas-liquid two-phase jet

3.2 氣體體積分數(shù)

氣體體積分數(shù)(2.0%～9.1%)對流場內(nèi)最大速度和等速核長度影響規(guī)律如圖6(b)所示。由圖6(b)可見：隨著氣體體積分數(shù)增加，流場中最大速度逐漸增大。這是因為氣體體積分數(shù)增大，射流中空泡量增加，空泡的產(chǎn)生、變形和潰滅對射流增強作用增加[27]，因此流場中的最大速度逐漸增加。氣體體積分數(shù)增大時，射流等速核長度先不斷增加，當氣體體積分數(shù)超過7.4%時，等速核長度基本不變。氣體體積分數(shù)較小時，氣體體積分數(shù)增加，射流中空泡數(shù)量增多，對射流的增強作用加強，因此等速核長度逐漸增加。當氣體體積分數(shù)超過7.4%時，射流中氣泡過多，氣泡之間開始碰撞影響，影響了射流能量的充分利用，射流等速核基本不變。

3.3 噴射速度

噴射速度(83～265 m/s)對流場內(nèi)最大速度和等速核長度影響規(guī)律如圖6(c)所示。由圖6(c)可見：隨著噴嘴噴射速度增大，流場內(nèi)最高速度呈直線增加。噴射速度越大，射流的能量越高[5]，流場內(nèi)形成射流最大速度也越大，因此，最大速度顯著增加。隨著噴射速度增加，射流等速核長度略有增大。噴射速度增加，射流沖擊能量越高，射流速度保持的距離更大，因此，等速核越長。在現(xiàn)場設備運行的情況下，應當盡量增加射流噴射速度，提高清洗效率。

3.4 噴距

噴射速度為265 m/s時，噴距(0.5～2.0 cm)對噴射壁面沖擊壓力的影響規(guī)律如圖7所示。由圖7可見：隨著噴距增大，射流沖擊壁面壓力逐漸減小，當噴距大于1 cm(5 倍噴嘴直徑)時，射流對壁面沖擊力迅速降低。當噴距小于1 cm 時，壁面在等速核的作用范圍內(nèi)，射流動能能夠有效轉化為壓能，因此，對壁面的沖擊力較大[29]；當噴距大于1 cm時，壁面在等速核范圍之外，射流難以高速沖擊到壁面，使射流沖擊到壁面壓力迅速減小。因此，噴距小于5倍噴嘴直徑時，沖擊壁面的效果較好。

圖6 噴嘴錐度、氣體體積分數(shù)和噴射速度對流場內(nèi)最大速度和等速核長度影響Fig.6 Maximum velocity and potential kernel length with the function of nozzle taper,gas volume fraction and jet velocity

圖7 不同噴距下射流沖擊壁面壓力Fig.7 Wall pressure of jet impingement with different spray distances

4 氣液兩相射流清洗試驗

為驗證氣液兩相射流清洗效果和模擬結果，開展氣液兩相射流表面清洗的地面試驗。

4.1 試驗流程和參數(shù)

圖8 氣液兩相射流清洗實驗裝置Fig.8 Experimental equipment of gas-liquid two-phase jet cleaning

氣液兩相射流清洗實驗裝置如圖8所示，由圖8可見：裝置主要包括水罐、高壓泵、空氣壓縮機、氣罐、清洗試驗架、控制系統(tǒng)、閥門、流量計和壓力表等。氣體采用前混式注入，高壓泵將水增壓后，輸送至氣罐底部；經(jīng)過空壓機壓縮后的氣體進入氣罐中，經(jīng)過調(diào)壓閥控制，與高壓水混合，再繼續(xù)經(jīng)過高壓管線輸送至清洗試驗架，從噴嘴噴出形成氣液兩相氣體射流清洗靶物表面。氣液兩相射流清洗和純水射流清洗實驗參數(shù)表1所示。

4.2 結果分析

純水射流和氣液兩相射流表面清洗效果的對比如圖9所示，從圖9可見：氣液兩相射流清洗可覆蓋整個噴嘴底面，氣液兩相射流作用面積為4.74 cm2，而純水射流作用面積為3.80 cm2，氣液兩相射流的清洗作用面積提高了24.7%，氣液兩相射流表面清洗效果要明顯好于純水射流的清洗效果。試驗結果表明氣液兩相射流可顯著提高靶物表面的清洗效率。

表1 實驗參數(shù)Table 1 Experimental parameters

圖9 2種射流清洗效果對比Fig.9 Comparison of two kinds of jet cleaning effect

5 結論

1)氣體體積分數(shù)為7.4%、噴射速度為265 m/s時，氣液兩相射流比純水射流最大速度提高14.2%；氣體通過噴嘴瞬時，射流最大速度相較純水射流提高221%；由于空泡對射流加速增強作用，使射流速度瞬時增大。

2)隨著噴嘴錐度增大，流場內(nèi)最大速度逐漸增大，等速核長度先增大后減小，綜合考慮，噴嘴錐度為3.5時，噴射效果較好。隨著氣體體積分數(shù)增加，噴射速度逐漸增大，等速核略微增大，當氣體體積分數(shù)超過7.4%時，等速核長度變化更加緩慢。

3)隨噴距增大，射流沖擊壁面壓力逐漸減小，噴距小于5 倍噴嘴直徑時，沖擊壁面的效果較好。隨著噴嘴噴射速度增大，流場內(nèi)最大速度迅速增加，等速核長度略有增加，現(xiàn)場條件允許時，應盡可能提高噴嘴噴射速度。

4)同等條件下，相對于純水射流，氣液兩相射流清洗可覆蓋整個噴嘴底面，清洗作用面積提高了24.7%，清洗效率高。