降阻劑對多孔旋轉(zhuǎn)噴頭流場特性的影響模擬分析

巴全斌

（1.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點實驗室，重慶400037；2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶400037）

我國高瓦斯、煤與瓦斯突出礦井?dāng)?shù)量眾多且分布廣泛，普遍具有低滲透性的特點，嚴(yán)重制約了瓦斯抽采效果。經(jīng)過長期研究發(fā)現(xiàn)[1-3]，卸壓是增加煤層滲透性的有效途徑之一，近年來水力化措施作為煤層卸壓的有效手段得到了廣泛的應(yīng)用[4-5]。在應(yīng)用過程中發(fā)現(xiàn)，高壓流體在輸送管路、管路連接和射流噴頭處普遍存在壓力損失，限制了水力化措施作用效果。目前提高水力措施工作效率的主要方法是增高泵組輸出壓力，但隨之而來的是高壓作業(yè)的安全風(fēng)險和裝備成本的大量投入，阻礙了水力化技術(shù)發(fā)展和推廣應(yīng)用[6-7]。

水力噴射鉆進(jìn)噴頭是高壓水射流的發(fā)生裝置，起到直接破巖鉆進(jìn)的作用。相關(guān)學(xué)者模擬分析驗證了噴頭流場特性以及存在阻力損耗情況[8-11]，但未發(fā)現(xiàn)有文獻(xiàn)資料針對性開展添加降阻劑對噴頭流場影響方面的研究。因此，基于計算流體力學(xué)理論和數(shù)值模擬方法，利用RNG k-ε湍流模型和有限體積法對添加降阻劑和清水的多孔旋轉(zhuǎn)噴頭進(jìn)行數(shù)值模擬研究，分析了降阻劑對噴頭流場的影響規(guī)律，得到噴頭射流形態(tài)、壓力場和速度場變化情況，為提高煤礦水力化措施的作用效果提供支撐。

1 水力化措施降阻劑

1.1 降阻劑作用原理

降阻劑是隨著20世紀(jì)末美國頁巖油氣資源的開發(fā)受到重視并迅速發(fā)展起來的，顯著改進(jìn)了水力壓裂的實際效果，降低了施工摩阻，減少設(shè)備作業(yè)過程中的磨損[12-13]。

降阻劑的作用原理外在表現(xiàn)為液體介質(zhì)在管道中流動時，由于摩擦阻力作用（沿程阻力和局部阻力），直接導(dǎo)致水力化措施作用點能量明顯小于高壓泵輸出能量[14-16]；內(nèi)因是液體介質(zhì)在管道和接頭流通時，會形成近壁湍流和局部湍流，造成液體流動受阻和能量損失。添加降阻劑可以有效擾亂湍流的發(fā)生、發(fā)展，從而起到抑制漩渦的產(chǎn)生、發(fā)展與擾動的作用，同時吸收能量使湍流旋渦進(jìn)一步縮小，湍流阻力進(jìn)一步降低，減少能量損失，從而表現(xiàn)出降阻效果。

1.2 降阻劑優(yōu)選

根據(jù)實驗室測試數(shù)據(jù)，通過對比分析多種類型降阻劑的熱穩(wěn)定性、降阻性、剪切穩(wěn)定性等參數(shù)，優(yōu)選出了具有較好降阻及流變特性的DR-12型乳液聚合物降阻劑，試驗管路降阻率接近70%，具有明顯的低黏特性、黏度隨溫度的變化較小和耐溫性能十分穩(wěn)定等優(yōu)點。同時，利用流變儀測定添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.1%降阻劑試驗液黏度范圍為2.03～2.56 mPa·s，實測清水黏度值范圍0.42～0.45 mPa·s。本次數(shù)值模擬采用DR-12型乳液聚合物降阻劑和清水對比分析在多孔旋轉(zhuǎn)噴頭流場的作用效果。

2 數(shù)值模擬模型

2.1 湍流模型及離散方法

計算流體力學(xué)通過計算機(jī)模擬分析，將流體力學(xué)和數(shù)值方法相結(jié)合，在時間和空間上定量描述流場的數(shù)值解，從而達(dá)到對物流問題的求解。假定理想流體為均勻的不可壓縮紊流，由于控制方程組存在著不封閉性，而多孔旋轉(zhuǎn)射流是高雷諾數(shù)和強(qiáng)旋轉(zhuǎn)流動條件下的流動流體，流場曲率大，存在大量三維的渦流，因此采用RNG k-ε湍流模型。

在計算流體動力學(xué)領(lǐng)域，有限體積法是被廣泛使用的離散方法，具有效率高、收斂快的優(yōu)點。因此，采用有限體積法進(jìn)行射流數(shù)值離散處理，將計算區(qū)域細(xì)分為一系列不重疊的控制體積，每個控制體積都通過一個網(wǎng)格節(jié)點來存儲該體積變量值，從而得到流場離散方程，在計算流體力學(xué)和數(shù)值傳熱學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用較為普遍。

2.2 幾何模型

多孔旋轉(zhuǎn)噴頭幾何模型如圖1。

圖1 多孔旋轉(zhuǎn)噴頭幾何模型Fig.1 Geometric model of porous rotating nozzle

首先將模型進(jìn)行簡化處理，幾何模型主要由圓柱體淹沒區(qū)和多孔旋轉(zhuǎn)噴頭組成。圓柱體淹沒區(qū)尺寸為20 mm×30 mm（直徑×高），噴頭噴嘴布置方式為前3后4，噴頭內(nèi)部主流道直徑3.5 mm，前向噴嘴直徑0.7 mm，反向噴嘴直徑1.3 mm，正向噴嘴傾角分別為20°、30°、60°，正向噴嘴偏轉(zhuǎn)角10°，反向噴嘴傾角為50°，同時選取噴頭后端中心面為壓力入口，噴頭后端邊沿面為壓力出口，圓柱體淹沒區(qū)側(cè)面為流體壁面。

2.3 網(wǎng)格劃分及邊界條件

模型網(wǎng)格劃分質(zhì)量是控制方程斂散性的關(guān)鍵因素，多孔旋轉(zhuǎn)噴頭噴嘴為多角度的復(fù)雜空間分布方式。因此采用非結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格和局部加密進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并在邊界層設(shè)置2層邊界層網(wǎng)格，使得在模型邊界上，控制方程能對流體速度與壓力有更好的捕捉效果。在網(wǎng)格劃分時，對模型旋轉(zhuǎn)體與靜止淹沒區(qū)分別進(jìn)行處理，在兩區(qū)域之間設(shè)置交界面，使得模擬過程中噴頭旋轉(zhuǎn)體能繞中心軸旋轉(zhuǎn)，然后構(gòu)建多孔旋轉(zhuǎn)噴頭模型，網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)量為507 344，網(wǎng)格節(jié)點數(shù)為62 947。

邊界條件：入口壓力60 MPa；出口大氣壓力0.1 MPa；壁面粗糙度常數(shù)取0.5，正向噴嘴直徑0.7 mm，反向噴嘴直徑1.3 mm，噴頭旋轉(zhuǎn)速度50 rad/s，采用RNG k-ε湍流模型和有限體積法進(jìn)行模擬。

3 數(shù)值模擬分析

數(shù)值模擬添加質(zhì)量比1%的降阻劑混合液和清水介質(zhì)在噴頭射流形態(tài)和流場特性變化，試驗清水黏度值0.435 mPa·s，添加降阻劑的混合液介質(zhì)黏度值2.29 mPa·s，試驗噴頭入口壓力50 MPa時射流形態(tài)變化和噴頭內(nèi)部湍流旋渦、壓力場、速度場變化情況，以及入口壓力變化時噴頭內(nèi)部靜壓力場的變化情況。

3.1 噴頭噴嘴射流形態(tài)變化

相同工況條件下添加質(zhì)量比1%降阻劑混合液射流與清水射流形態(tài)對比圖如圖2。

圖2 噴頭噴嘴射流形態(tài)對比Fig.2 Comparison of nozzle jet morphology

從圖2可以直觀的看到，隨噴距的增加，清水射流從噴嘴噴出后沿徑向急劇擴(kuò)散，射流直徑很快變粗，開始發(fā)散霧化；而添加降阻劑射流在同等噴距范圍內(nèi)，射流穩(wěn)定性和密集性優(yōu)于清水射流，射流的有效作用距離明顯增長，從而有效提高了射流的穿透能力。

3.2 噴頭內(nèi)部流場特性變化

1）入口壓力一定時噴頭靜壓力變化。多孔旋轉(zhuǎn)噴頭各噴嘴靜壓力變化曲線如圖3，對比黏度值為0.435的清水介質(zhì)的各噴嘴靜壓力值均較低，正向3個噴嘴靜壓力0.326～0.684 MPa，反向4個噴嘴靜壓力0.103～0.251 MPa，而添加1%質(zhì)量比DR-12型乳液聚合物降阻劑的混合介質(zhì)靜壓力明顯升高，正向3噴嘴靜壓力1.304～1.824 MPa，反向4噴嘴靜壓力值0.553～0.699 MPa，尤其正向噴嘴的提高效果顯著，綜合噴頭噴嘴靜壓力提高了2.67～5.36倍，反應(yīng)到噴頭壓力損失明顯降低。

圖3 噴頭噴嘴靜壓力值對比圖Fig.3 Comparison chart of static pressure values of nozz le

2）入口壓力一定時噴頭動壓力變化。多孔旋轉(zhuǎn)噴頭各噴嘴動壓力變化曲線如圖4，在入口壓力50 MPa時，對比清水介質(zhì)和添加降阻劑混合液噴頭各噴嘴動壓提高了1.04～1.06倍，其中正向3個噴嘴的動壓力變化幅度約小于后向4噴嘴，但是總體較靜壓力變化不明顯，因此添加降阻劑主要是體現(xiàn)在多孔旋轉(zhuǎn)噴頭內(nèi)部靜壓力變化，而對多孔旋轉(zhuǎn)噴頭各噴嘴動力影響較小。

3）入口壓力一定時噴頭射流速度變化。當(dāng)入口壓力50 MPa時，多孔旋轉(zhuǎn)噴頭各噴嘴速度場變化曲線如圖5。清水時，噴頭各噴嘴射流速度在157.15～182.38 m/s，添加降阻劑后射流速度為162.09～187.91 m/s，提高了1.02～1.04倍，其中正向3個噴嘴的射流速度變化幅度約小于后向4噴嘴，但是總體較射流速度變化仍不明顯，且各個噴嘴變化幅度較為一致。

圖4 噴頭噴嘴動壓力值對比圖Fig.4 Comparison chart of dynamic pressure values of nozzle

圖5 噴頭噴嘴射流速度值對比圖Fig.5 Comparison chart of jet velocity values of nozzle

4）入口壓力變化噴頭靜壓力變化。數(shù)值模擬不同入口壓力條件下靜壓力場的變化情況，多孔旋轉(zhuǎn)噴頭各噴嘴靜壓力場平均值變化曲線如圖6。由圖6可得，隨著入口壓力升高，黏度值為0.435 mPa·s的清水的平均靜壓力值由0.252 MPa升高至0.557 MPa；而黏度值為2.29 mPa·s的添加1%質(zhì)量比的DR-12型乳液聚合物降阻劑的混合介質(zhì)靜壓力值由0.82 MPa升高至2.094 MPa，對比清水介質(zhì)，提高了3.25～3.76倍，顯著降低了多孔旋轉(zhuǎn)噴頭內(nèi)部阻力損耗，降阻效果更為明顯。

4結(jié)論

1）基于計算流體力學(xué)理論和數(shù)值模擬方法，采用RNG k－ε湍流模型和有限體積法對比分析添降阻劑的混合液和清水介質(zhì)的噴頭射流形態(tài)和內(nèi)部流場變化，模擬證明添加降阻劑可以有效提高了射流的密集性和作用噴距和噴頭內(nèi)部靜壓力值，而對動壓力和射流速度影響有限。

圖6 噴頭噴嘴靜壓力值隨入口壓力變化圖Fig.6 The static pressure values of nozzle change with the inlet pressure

2）通過數(shù)值模擬可知：在入口壓力50 MPa時，噴頭各噴嘴靜壓力提高了2.67～5.36倍，正向噴嘴較反向噴嘴效果提高幅度大，而動壓力和射流速度僅提高了1.04～1.06和1.02～104倍，且正向3個噴嘴的射流速度提高幅度略小于后向4噴嘴，但總體變化不明顯；隨著入口壓力的升高，噴頭各噴嘴平均靜壓力提高了3.25～3.76倍，降阻效果更為明顯，驗證了降阻劑可以有效降低多孔旋轉(zhuǎn)噴頭壓力損失。