管道內(nèi)消能器的研究現(xiàn)狀和發(fā)展方向

張 衡，李明星，張宏瑜

（西安石油大學(xué)石油工程學(xué)院，陜西 西安 716500）

我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步使得對(duì)石油等能源的需求不斷增加，但能源的儲(chǔ)量和再生產(chǎn)能力有限，為此必須深入地下，開采更多的油氣資源，以維護(hù)我國(guó)能源戰(zhàn)略的安全。我國(guó)獨(dú)特的深層油田地質(zhì)條件，導(dǎo)致石油開發(fā)中存在許多不利因素和亟待解決的工程問(wèn)題。

在油氣田的生產(chǎn)中，水力壓裂等開采方式導(dǎo)致反排的開采液處于高壓狀態(tài)，給安全生產(chǎn)帶來(lái)威脅，因此要對(duì)管道內(nèi)的流體進(jìn)行降壓處理。管道消能是通過(guò)改變流體的流通面積，使流體發(fā)生紊流，動(dòng)能變成熱能，以實(shí)現(xiàn)能量耗散，其目的是消耗能量，降低壓力，變化的流通面積會(huì)引起流體的剪切效應(yīng)，從而在管道內(nèi)部產(chǎn)生渦流進(jìn)行耗散。目前，管道內(nèi)消能結(jié)構(gòu)通常包括旋流式、突擴(kuò)突縮式和新內(nèi)效能結(jié)構(gòu)等3 種類型。

1 突擴(kuò)突縮內(nèi)消能結(jié)構(gòu)

突擴(kuò)突縮式通過(guò)驟然變化的管道半徑，使流體在不連續(xù)的管道內(nèi)界面改變運(yùn)動(dòng)方向，流體發(fā)生相互碰撞而形成紊流，又可細(xì)分為孔板式、洞塞式和齒墩式。

1.1 孔板式內(nèi)消能

隨著突擴(kuò)突縮式內(nèi)消能工研究的發(fā)展，為了減輕含砂原油因沖蝕而損壞管壁、造成設(shè)備空蝕的危險(xiǎn)性，學(xué)者們提出了一種新型的孔板式消能結(jié)構(gòu)?？装迨较芙Y(jié)構(gòu)將管道斷面半徑突然收縮為孔板處半徑，使得管內(nèi)流體大部分無(wú)法通過(guò)，經(jīng)過(guò)孔板的擠壓和碰撞后，水流的能量部分轉(zhuǎn)化為動(dòng)能并發(fā)生相互碰撞，從而達(dá)到消能的目的。

根據(jù)孔板數(shù)目，孔板式結(jié)構(gòu)可分為單級(jí)孔板和多級(jí)孔板。從實(shí)驗(yàn)研究和工程實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，多級(jí)孔板的降壓效果更優(yōu)。小浪底水利樞紐[1]作為當(dāng)時(shí)世界上采用孔板消能技術(shù)的最大的泄洪洞，研究者對(duì)孔板消能效果、水流空化、脈沖破壞、空腔負(fù)壓等問(wèn)題進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，為孔板消能技術(shù)提供了大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并從結(jié)果驗(yàn)證了正確的模型理論。哈煥文及其團(tuán)隊(duì)[2]在碧口水電站的排沙洞中對(duì)兩級(jí)孔板結(jié)構(gòu)進(jìn)行了試驗(yàn)比較，結(jié)果顯示，這種結(jié)構(gòu)在消能效率和抗空化性方面均表現(xiàn)得更出色?？装逯g擴(kuò)散室的長(zhǎng)度稱為孔板間距，趙慧琴[3]強(qiáng)調(diào)了合理選擇孔板間距的重要性，因?yàn)椴缓侠淼目装彘g距會(huì)導(dǎo)致工程浪費(fèi)。如果孔板間距小于水流恢復(fù)長(zhǎng)度，則無(wú)法實(shí)現(xiàn)真正的消能，只有孔板間距基本等于水流恢復(fù)長(zhǎng)度時(shí)，才能實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)合理。此外，需要對(duì)多級(jí)孔板進(jìn)行不同孔徑比的優(yōu)化組合，以滿足消能、保證流量、減小脈沖和防止空蝕等方面的要求。

孔板式結(jié)構(gòu)的加工難度低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具有優(yōu)良的消能效率。何寧和趙振興通過(guò)模型試驗(yàn)和物理模型的補(bǔ)充，討論并驗(yàn)證了k-ω 紊流模型用于孔板消能的流場(chǎng)研究是可行的，并深入研究了消能機(jī)理，發(fā)現(xiàn)消能系數(shù)K隨孔徑比的變化而發(fā)生劇烈變化，孔徑比越小，消能系數(shù)K越大，消能效果越好[4]。孔板后回流區(qū)長(zhǎng)度也是消能工重點(diǎn)關(guān)注的流體參數(shù)之一。艾萬(wàn)政、周琦等人通過(guò)理論計(jì)算和建模模擬，總結(jié)出了孔板回流區(qū)長(zhǎng)度的經(jīng)驗(yàn)表達(dá)式，并確定了影響回流區(qū)長(zhǎng)度的因素及其與水頭損失的聯(lián)系。研究結(jié)果表明，雷諾數(shù)大于105 時(shí)，回流區(qū)長(zhǎng)度幾乎不變化；當(dāng)孔板厚度和雷諾數(shù)保持一定時(shí)，減小孔徑比，回流區(qū)長(zhǎng)度反而增長(zhǎng)；當(dāng)雷諾數(shù)恒定且孔徑比固定時(shí)，減小孔板厚度，回流區(qū)長(zhǎng)度增加。隨著回流區(qū)長(zhǎng)度的增加，孔板的能量損失系數(shù)隨之增大[5]。

高廣合、劉亮對(duì)坡度為5%的陡槽溢洪道孔板消能工的消能率進(jìn)行了分析與研究。研究結(jié)果表明，陡槽中的流態(tài)得到了顯著的改善，高壓激流的減速效果可觀；同時(shí)，孔板消能工的消能效果也非常顯著，消能率在74.30%～77.36%之間。整個(gè)消能過(guò)程沒有出現(xiàn)負(fù)壓現(xiàn)象，也沒有發(fā)生空蝕破壞[6]。這項(xiàng)研究表明，孔板消能工可用于管道中高能水頭的降壓降速。相比傳統(tǒng)的消能形式，孔板式內(nèi)消能工不僅高效實(shí)現(xiàn)了消能減壓，且制造工藝簡(jiǎn)單，易安裝和拆卸，可大幅度降低流體流速，避免水擊現(xiàn)象帶來(lái)的沖擊損傷。

1.2 洞塞式內(nèi)消能

作為經(jīng)典的突擴(kuò)突縮型結(jié)構(gòu)之一，洞塞式消能工的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，流動(dòng)參數(shù)相對(duì)穩(wěn)定，消能效果好。同時(shí)，空化特性也比孔板式更優(yōu)良[7]。與孔板式相比，洞塞式可減少水流出口位置的通過(guò)面積，洞塞前段區(qū)間的靜水壓很高，然后到突然收縮的洞塞段進(jìn)行消能減壓。為了保持良好的抗空化性能，應(yīng)該確保洞塞厚度與塞內(nèi)壓力相匹配，防止產(chǎn)生負(fù)壓[8]。

最近幾年，研究者們對(duì)洞塞消能結(jié)構(gòu)的研究積累了大量的理論和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以及工程建設(shè)經(jīng)驗(yàn)。隨著計(jì)算機(jī)的進(jìn)步，計(jì)算能力的提高突飛猛進(jìn)，學(xué)者們相繼開展了模擬計(jì)算。尹則高等人[9]建立了三維k-ω 紊流數(shù)學(xué)模型和物理模型。從驗(yàn)證后的模型計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在洞塞漸縮段相對(duì)長(zhǎng)度一定的情況下，隨著漸擴(kuò)段相對(duì)長(zhǎng)度的增加，水頭損失系數(shù)會(huì)減小，最小空化數(shù)會(huì)增加。此外還初步探討了漸縮漸擴(kuò)洞塞的幾何體型參數(shù)的優(yōu)化方法，提出了最優(yōu)的幾何參數(shù)。

余挺和田忠[10]研究了收縮式洞塞泄洪洞的消能特性和空化特性。減壓實(shí)驗(yàn)表明，洞塞體型的精細(xì)優(yōu)化可以避免泄洪洞在有壓段發(fā)生空化，且洞塞本身就具備一定的抗空化能力。數(shù)值模擬揭示了泄洪洞有壓段的流速場(chǎng)和壓力場(chǎng)特性，顯示出洞塞的突縮突擴(kuò)作用形成了大體積的水流紊動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)了消能。

洞塞式消能工是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效果好的消能裝置，對(duì)豎井尺寸無(wú)特殊要求，因此在設(shè)計(jì)高壓管道時(shí)，可以通過(guò)加大管材厚度或直接提高剛度來(lái)安裝洞塞式消能裝置的入口前段，從而實(shí)現(xiàn)消能。與孔板式相比，在洞塞式的管道內(nèi)，流體流動(dòng)出口處于淹沒狀態(tài)，其空化特性與洞塞面積比有關(guān)[11]。高壓流體沖擊管道各部位及各級(jí)洞塞時(shí)，壓力變化較平穩(wěn)，脈動(dòng)壓力不大。

1.3 齒墩式內(nèi)消能

齒墩式消能結(jié)構(gòu)是能兼顧過(guò)流量問(wèn)題的新型消能工，它是部分變形的洞塞式和孔板式結(jié)構(gòu)，具有高效環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)。田淳為了解決消能裝置在過(guò)流量和消能率之間的矛盾，設(shè)計(jì)了齒墩式消能結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)在孔洞基礎(chǔ)上增加了梯形的過(guò)流空隙，從而增加了總斷面流通面積，同時(shí)確保了高消能率和強(qiáng)過(guò)流力。改良收縮斷面，采用齒狀設(shè)計(jì)，可確保結(jié)構(gòu)具備高消能率和強(qiáng)過(guò)流力，從而顯著增大過(guò)流量。經(jīng)過(guò)多年的研究，齒墎式內(nèi)消能結(jié)構(gòu)已經(jīng)取得了許多成果。

李維玉[12]對(duì)不同齒墩間距的二級(jí)齒墩式消能工進(jìn)行了全面的分析計(jì)算，分析了紊動(dòng)能分布規(guī)律，發(fā)現(xiàn)二級(jí)齒墩的最大時(shí)均流速要大于一級(jí)齒墩。此外，隨著流量增加，齒墩后方回流區(qū)的范圍會(huì)變得更大。齒墩出口回流區(qū)的剪切層是變化最明顯的區(qū)域，二級(jí)齒墩后的軸向和徑向脈動(dòng)強(qiáng)度均高于一級(jí)齒墩。隨著齒墩間距增大，紊動(dòng)能增加。這項(xiàng)研究對(duì)于完善二級(jí)齒墩式消能工具有重要意義。

張婷等人[13]基于k-ω 數(shù)學(xué)模型，分析了齒墩內(nèi)表面分別為平面和圓曲面時(shí)，對(duì)2 種體型的消能工的水力參數(shù)的影響。結(jié)果表明，相同流速下，齒墩內(nèi)表面為曲面時(shí)，降低壓強(qiáng)的效果更優(yōu)。紊動(dòng)能的突變區(qū)域出現(xiàn)在消能工出口后，齒墩內(nèi)表面由平面變?yōu)榍?，?huì)減小該區(qū)域的紊動(dòng)能及范圍。齒墩內(nèi)表面由平面變?yōu)榍?，消能工的消能率減小，流量系數(shù)加大，并與其水力半徑密切相關(guān)。分析結(jié)果表明，將齒墩內(nèi)表面優(yōu)化為曲面，可為齒墩式內(nèi)消能工做出新的優(yōu)化結(jié)構(gòu)。

張博杭等人[14]基于k-ω 數(shù)學(xué)模型，通過(guò)控制不同的齒墩相對(duì)長(zhǎng)度，發(fā)現(xiàn)不同相對(duì)長(zhǎng)度的齒墩式內(nèi)消能工，其中心軸流速的分布規(guī)律基本一致。除η 等于0.1 外，各方案的中心軸峰值流速出現(xiàn)的位置相同，均在齒墩進(jìn)口后0.38d 處，且不隨相對(duì)長(zhǎng)度的變化而變化。綜合分析后可知，相對(duì)長(zhǎng)度為0.2～0.9 的齒墩長(zhǎng)度較優(yōu)，結(jié)果可為齒墩式內(nèi)消能工的體型優(yōu)化提供依據(jù)。

考慮到齒墩式結(jié)構(gòu)的內(nèi)部多樣性和流體流動(dòng)的復(fù)雜性，齒墩式結(jié)構(gòu)的研究成果還存在一些問(wèn)題。但學(xué)者們對(duì)齒墩式結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和流體實(shí)驗(yàn)的研究結(jié)果，為后續(xù)消能工的研究提供了豐富的資料和依據(jù)。

2 旋流式內(nèi)消能

旋流式內(nèi)消能裝置通常包括進(jìn)水短管、內(nèi)管、套管、消能裝置和孔口等。管壁流體從孔口進(jìn)水，在管內(nèi)形成一定強(qiáng)度的渦流，并與來(lái)水主流疊加后，形成旋流特性的流場(chǎng)，從而使通過(guò)消能裝置的水流能量被耗散，壓力得到有效降低，保護(hù)了沿線設(shè)備免受沖擊磨損[15]。

螺旋式對(duì)沖消能工的消能效率高，結(jié)構(gòu)可靠性高，布置緊湊。劉道樺[16]設(shè)計(jì)了泄洪消能的結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)包括螺旋內(nèi)消能、動(dòng)態(tài)對(duì)沖消能、消能池等。洪水進(jìn)入螺旋消能管道進(jìn)行一次消能，再通過(guò)在壩下鋪設(shè)的有壓對(duì)沖管道，以一定的角度產(chǎn)生水流，與經(jīng)過(guò)一次消能的水流進(jìn)行對(duì)沖，并在消能池內(nèi)使回射水流實(shí)現(xiàn)第3 次消能，由此達(dá)到提高消能效率的目的。其中，對(duì)沖管道部分將根據(jù)最終效果來(lái)反饋調(diào)節(jié)對(duì)沖管道閥門的開合程度，通過(guò)控制流量流速來(lái)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)消能，以達(dá)到最佳的消能效果。此方案可用于緊急事故時(shí)迅速泄壓的高壓管道，可縮短泄壓時(shí)間，避免事故發(fā)生。

茍超等人[17]采用改變折流坎折角和消力井井深的方式，借助水工模型試驗(yàn)，研究了不同連接體形下的水流流態(tài)及相關(guān)的水力要素，得出結(jié)論：折流角的變化對(duì)消力井側(cè)壁及底板壓強(qiáng)的影響不大，消力井的邊壁及底板均不會(huì)出現(xiàn)負(fù)壓；增加流量會(huì)降低消能率，增大折流角和消力井深度可提高消能率。雖然消能率隨消力井深度的增加而增加，但增加幅度隨井深的增加而逐漸變緩。在螺旋消能后再加入對(duì)沖，可有效提高消能效果。

3 新的內(nèi)消能結(jié)構(gòu)

目前在多個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用的是20 世紀(jì)物理學(xué)家尼古拉·特斯拉發(fā)明的特斯拉閥。該裝置具有鑄造便利、性能穩(wěn)定、無(wú)需能源等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)具有單向?qū)ㄐ裕黧w的慣性使得流體的正向流動(dòng)比反向流動(dòng)更加容易，從而控制流體流速，因此在生物、化學(xué)、微流體控制、微電子機(jī)械等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。對(duì)沖式消能裝置可以改變流體的流動(dòng)方向，使得流體因相撞而產(chǎn)生紊流，減慢流體速度，降低流體壓力[18]。

鐘震[19]利用特斯拉閥的反向應(yīng)用，制作了新的調(diào)壓系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了高壓至中低壓的直接調(diào)壓，驗(yàn)證了特斯拉閥的反向流通具有顯著的降壓特性，為特斯拉閥的反向應(yīng)用提供了應(yīng)用實(shí)例。王衍[20]嘗試將特斯拉閥的結(jié)構(gòu)從平面流動(dòng)擴(kuò)展至三維管狀通道形式的新型密封結(jié)構(gòu)，通過(guò)Fluent 流體仿真計(jì)算軟件，建立了三維新型密封結(jié)構(gòu)，并對(duì)不同工況和幾何參數(shù)下的密封性能進(jìn)行了系統(tǒng)分析，得到了新型密封結(jié)構(gòu)的性能特性及最優(yōu)參數(shù)。

錢錦遠(yuǎn)等人[21]針對(duì)特斯拉閥型微通道熱沉的強(qiáng)化換熱進(jìn)行了模擬研究。他們改變了特斯拉閥型通道的級(jí)數(shù)、特斯拉閥弧形通道的外側(cè)半徑以及特斯拉閥的設(shè)置方向，研究了不同幾何參數(shù)下，特斯拉閥型微通道熱沉底面的溫度分布、平均溫度和冷卻流體的進(jìn)出口壓降，以探究其換熱特性和流動(dòng)特性。蔣聰[22]將特斯拉閥作為一種降壓閥，應(yīng)用于航空空氣渦輪起動(dòng)機(jī)后的內(nèi)外介質(zhì)交換機(jī)構(gòu)。這種閥門能夠有效降低介質(zhì)交換機(jī)構(gòu)的內(nèi)部壓力，減少出口混合介質(zhì)的含油量，避免油氣污染機(jī)艙蓋的內(nèi)外介質(zhì)交換機(jī)構(gòu)。

周潤(rùn)中和喬宇杰[23]通過(guò)COMSOL 軟件模擬，研究了閥門單向流通性的影響因素。研究結(jié)果顯示，正向閥門適用于低黏度、高密度的流體。王濤[24]基于流場(chǎng)仿真軟件Fluent，選擇標(biāo)準(zhǔn)湍流模型，針對(duì)特斯拉閥的角度、圓的半徑、出半圓后的直流管長(zhǎng)度這3 個(gè)參數(shù)，采用有效空化面積，對(duì)水力空化的影響進(jìn)行了數(shù)值分析。結(jié)果表明，角度和圓的半徑、出半圓后的直流道長(zhǎng)度與整體的空化效果呈負(fù)相關(guān)。

利用ANSYS 中的3 個(gè)分析軟件，王寧寧[25]進(jìn)行了單向流固耦合仿真，以分析流體為壓裂返排液時(shí)，該消能設(shè)備在設(shè)定范圍內(nèi)的高壓和管徑的降壓效率。流體分析結(jié)果表明，隨著進(jìn)口總壓增高，對(duì)沖式消能器的消能效率在70%附近波動(dòng)。模態(tài)分析結(jié)果顯示，新型消能器的固有頻率隨著模態(tài)振型階數(shù)的增大而增大，不隨進(jìn)口總壓的改變而改變。由于對(duì)沖產(chǎn)生渦流自耗，新型消能器的排出流速未出現(xiàn)突然增加。

Porwala[26]在微型和微流體應(yīng)用研究中，使用特斯拉閥進(jìn)行流量控制和整流。采用三維計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)方法和數(shù)值分析方法，研究了進(jìn)口雷諾數(shù)(25～200)對(duì)單個(gè)特斯拉閥和多級(jí)特斯拉閥MSTV（最多10 級(jí)）的整流和熱增強(qiáng)能力的影響?；诜抡娼Y(jié)果，推導(dǎo)并給出了MSTV 的設(shè)計(jì)與性能，以及在努塞爾數(shù)、達(dá)西摩擦系數(shù)、壓力二極管和熱二極管等方面的冪律相關(guān)關(guān)系，發(fā)現(xiàn)特斯拉閥結(jié)構(gòu)在反向流動(dòng)時(shí)的換熱強(qiáng)化，是由流動(dòng)分岔、停滯和混合機(jī)制引起的。雷諾數(shù)等于200 時(shí)，平均努塞爾數(shù)高達(dá)7.1。

4 結(jié)語(yǔ)

管道內(nèi)消能工可為因油田開采能量過(guò)高而引起的安全問(wèn)題提供解決方案。未來(lái)新型消能器的發(fā)展方向，應(yīng)該是為了獲得降壓效果，對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行復(fù)合和改良。在對(duì)特斯拉閥或?qū)_式閥門進(jìn)行改良時(shí)，流道沖蝕是高效降壓的發(fā)展方向，其良好的密封性和易于鑄造是較大的優(yōu)勢(shì)。從經(jīng)濟(jì)角度考慮，將對(duì)沖式、螺旋式、突擴(kuò)突縮式組合成多級(jí)消能裝置，已有成熟實(shí)例可以借鑒。