脈沖對(duì)空化射流影響機(jī)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(jī)械工程學(xué)院2.勝利油田德利實(shí)業(yè)有限責(zé)任公司)

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

0 引言

水射流技術(shù)自19世紀(jì)發(fā)展至今,由于其獨(dú)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(jì)了一系列的流體空化裝置[1-4]。風(fēng)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(fēng)琴管自振空化射流噴嘴的空化發(fā)生原理,對(duì)風(fēng)琴管諧振腔的固有頻率計(jì)算公式進(jìn)行推導(dǎo),給出了諧振腔基本結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)模式;在此基礎(chǔ)上,進(jìn)一步得到了滿足不同鉆井工況的自振空化噴嘴設(shè)計(jì)方法。朱成龍[9]對(duì)空化現(xiàn)象和空化泡演變過程進(jìn)行研究,依據(jù)流體動(dòng)力學(xué)對(duì)3種空化噴嘴進(jìn)行模擬試驗(yàn),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(yàn)證實(shí)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(qiáng)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(jī)理和性能,驗(yàn)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(duì)性能的影響規(guī)律。曲洪娜等[12]對(duì)水平井旋轉(zhuǎn)射流沖砂洗井機(jī)理進(jìn)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(jì)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(yùn)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(fēng)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(shí)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(duì)空化效果的作用機(jī)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(duì)空化特性的影響研究,為指導(dǎo)空化射流類工具的設(shè)計(jì)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(duì)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(shí)對(duì)建立的有限元模型進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證,在確保計(jì)算結(jié)果精度的前提下,盡可能提高計(jì)算效率。

1.1 脈沖空化射流理論

空化是指流體在流動(dòng)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(dāng)前流體飽和蒸汽壓,流體內(nèi)部的微小氣泡(氣核)在短時(shí)間內(nèi)迅速膨脹并潰滅,釋放大量能量的現(xiàn)象[14-16]?？栈淞鞴ぞ咴O(shè)計(jì)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(shí),將單個(gè)空泡的孤立狀態(tài)作為研究對(duì)象,分析空泡周圍壓力變化。忽略水中氣體擴(kuò)散,空泡靜止?fàn)顟B(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(shí)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(shí)脈沖射流在出口淹沒區(qū)域中會(huì)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(huì)提供低壓區(qū)域,進(jìn)一步增強(qiáng)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(yuǎn)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(huì)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(shí)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(fēng)琴管空化噴嘴。但亥姆霍茲空化噴嘴和風(fēng)琴管空化噴嘴自身存在振蕩結(jié)構(gòu),會(huì)對(duì)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(kuò)散段長度L2=8 mm,擴(kuò)散角θ=60°[7]。

圖1 角形噴嘴模型Fig.1 Angular nozzle model

為減少運(yùn)算量,采用二維計(jì)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?yàn)殚L100 mm、寬為700 mm的長方形。對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,如圖2所示。

圖2 有限元計(jì)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(jìn)口第1相速度為35 m/s,出口采用混合壓力出口,為一個(gè)大氣壓(即0.1 MPa),利用SIMPLE算法進(jìn)行瞬態(tài)計(jì)算。

1.3 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證

為了保證計(jì)算的精度以及運(yùn)行速度,對(duì)建立的空化模型進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證,如圖3所示。由圖3可知,當(dāng)網(wǎng)格單元數(shù)量大于20萬后,網(wǎng)格數(shù)量對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響不大,因此網(wǎng)格數(shù)和節(jié)點(diǎn)數(shù)分別選擇為286 751和288 447,以保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。

圖3 網(wǎng)格驗(yàn)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?jǐn)?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(kuò)散段以及外圍流場中速度逐漸減小。體積分?jǐn)?shù)越高,空化效果越好。水蒸氣在圓柱段開始出現(xiàn),在擴(kuò)散段體積分?jǐn)?shù)急劇增加,最高可達(dá)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(qiáng)弱可以通過對(duì)氣相分布區(qū)域面積大小、氣相體積分?jǐn)?shù)以及空化距離進(jìn)行評(píng)價(jià),而空化工具往往需要進(jìn)行噴射作業(yè),因此筆者以空化距離作為主要評(píng)價(jià)指標(biāo)[9]?？栈饔冒l(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(yuǎn)為42.17 mm。

2 脈沖對(duì)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(duì)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(dòng)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(duì)空化的影響

脈沖主要指一個(gè)物理量在短持續(xù)時(shí)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(diǎn),監(jiān)測入口速度,實(shí)時(shí)監(jiān)測速度變化,其入口速度隨時(shí)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?jǐn)?shù)云圖隨時(shí)間變化過程。由圖6可見,空化距離隨時(shí)間周期性變化,隨著脈沖信號(hào)而波動(dòng),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(diǎn),增強(qiáng)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(yuǎn)。

圖6 正弦脈沖結(jié)果云圖(第2相體積分?jǐn)?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(duì)矩形脈沖和三角脈沖入射流進(jìn)行仿真分析,在一段時(shí)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(duì)于第1次空化作用距離有顯著的增強(qiáng)作用,其中矩形脈沖射流空化噴射距離最遠(yuǎn)為72.7 mm,空化效果提升可達(dá)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?jǐn)?shù))Fig.7 Cloud chart of rectangular pulse cavitation

以空化距離為主要評(píng)價(jià)指標(biāo),矩形脈沖二次空化效果較強(qiáng),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(duì)空化射流的形成具有促進(jìn)作用。在實(shí)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(jì)和改造應(yīng)該充分考慮振蕩結(jié)構(gòu)對(duì)空化效果的促進(jìn)作用。其中矩形脈沖第1次空化作用距離最遠(yuǎn)且第2次空化較強(qiáng),適用于大井眼除砂解堵以及油罐清洗等較遠(yuǎn)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(shí)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(duì)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(duì)象,開展脈沖幅值對(duì)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(duì)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(yuǎn)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(shí),脈沖周期為0.025 s的入射流空化距離最遠(yuǎn),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(shí),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(yuǎn)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(shí),第2次空化最遠(yuǎn)距離值最大,為372.34 mm;脈沖幅值的改變對(duì)空化周期并無影響。

2.3 脈沖周期對(duì)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(duì)象,開展脈沖周期對(duì)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(duì)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(duì)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(huì)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(shí),第2次空化最遠(yuǎn)距離可達(dá)到344.26 mm,但周期在0.7 s時(shí)第2次空化最遠(yuǎn)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(duì)空化的影響Fig.10 Influence of pulse period on the cavitation

基于脈沖幅值和周期對(duì)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(jìn)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(jìn)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(jì)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(duì)空化射流的影響規(guī)律。

(2)脈沖射流對(duì)空化的形成具有較大的促進(jìn)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(jìn)一步加大了空化作用距離,增強(qiáng)了空化作用效果。

(3)不同脈沖類型、幅值和周期對(duì)空化作用都有顯著的影響。其中矩形脈沖適用較遠(yuǎn)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(jìn)空化產(chǎn)生,再考慮縮短脈沖周期,進(jìn)一步提升空化效果。