淺談射流泵內(nèi)部流場(chǎng)數(shù)值模擬研究現(xiàn)狀

陳文徽，韓岐清，李少甫，孫福山，王新紅

淺談射流泵內(nèi)部流場(chǎng)數(shù)值模擬研究現(xiàn)狀

陳文徽，韓岐清，李少甫，孫福山，王新紅

（大港油田采油工藝研究院，天津 300280）

水力射流泵是石油開(kāi)采中一種重要的舉升設(shè)備，由于其沒(méi)有運(yùn)動(dòng)部件，結(jié)構(gòu)緊湊，被廣泛應(yīng)用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)井和特殊井的開(kāi)采?？偨Y(jié)了射流泵工作原理、內(nèi)部流動(dòng)特點(diǎn)以及內(nèi)部流場(chǎng)研究方法，論述了射流泵內(nèi)部流場(chǎng)研究技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀。在歸納目前部分射流泵內(nèi)部流場(chǎng)數(shù)值模擬研究成果的基礎(chǔ)上，總結(jié)了目前研究方法存在的不足，為今后射流泵生產(chǎn)參數(shù)優(yōu)化提供了理論指導(dǎo)和研究方向。

水力泵；內(nèi)部流場(chǎng)；研究現(xiàn)狀；數(shù)值模擬

射流泵是石油開(kāi)采中一種重要的舉升設(shè)備，因其無(wú)運(yùn)動(dòng)部件，結(jié)構(gòu)緊湊，排量范圍大，對(duì)定向井、水平井和海上叢式井顯示出良好的適應(yīng)性，被廣泛應(yīng)用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)井的開(kāi)采。射流泵主要包括噴嘴、喉管和擴(kuò)散管三部分，其工作原理是動(dòng)力液通過(guò)噴嘴時(shí)，流動(dòng)面積減小，速度升高，致使壓能下降，在噴嘴附近形成了相對(duì)低壓區(qū)，吸入地層液并與動(dòng)力液在喉管進(jìn)行混合，再經(jīng)擴(kuò)散管，壓能得到一定恢復(fù)，從而完成對(duì)混合液的舉升。所產(chǎn)生的低壓，將直接決定泵的抽吸能力。因此深入研究射流泵內(nèi)部流動(dòng)機(jī)理，明確其流場(chǎng)分布，對(duì)射流泵應(yīng)用參數(shù)優(yōu)化具有重要意義。

目前針對(duì)射流泵內(nèi)部流場(chǎng)研究，主要包括實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬。在實(shí)驗(yàn)研究方面，通常的測(cè)試手段主要是速度與壓力探針、熱線風(fēng)速儀和激光測(cè)速儀對(duì)射流泵內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量，但是只能獲得單點(diǎn)數(shù)據(jù)。對(duì)于復(fù)雜的湍流射流結(jié)構(gòu)，全流場(chǎng)測(cè)量更具實(shí)際意義。20世紀(jì)90年代以來(lái)，計(jì)算機(jī)應(yīng)用規(guī)模日益擴(kuò)大，使射流泵內(nèi)部流場(chǎng)在計(jì)算機(jī)上模擬成為可能。CFD模擬方法是近年來(lái)發(fā)展迅速的一種新型研究方法。CFD模擬方法是通過(guò)應(yīng)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，根據(jù)結(jié)果分析包含有流體流動(dòng)和熱傳導(dǎo)等相關(guān)物理現(xiàn)象［1］，并對(duì)其隨時(shí)間的變化規(guī)律進(jìn)行研究，在參數(shù)合理的情況下可得到準(zhǔn)確的模擬結(jié)果，避免了復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)研究，有效降低研究成本。在當(dāng)前石油行業(yè)節(jié)能增效的要求下，CFD模擬由于應(yīng)用成本低、模擬耗時(shí)短、計(jì)算準(zhǔn)確度好的特點(diǎn)，可以對(duì)現(xiàn)場(chǎng)射流泵參數(shù)的優(yōu)化起到一定的指導(dǎo)作用，具有較好的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

1　射流泵內(nèi)部流動(dòng)研究

射流泵內(nèi)流體的流動(dòng)雷諾數(shù)較大，屬于強(qiáng)剪切湍流，由于湍射流流入一定的速度和壓力流場(chǎng)內(nèi)，其流動(dòng)不具備相似性質(zhì)，使問(wèn)題復(fù)雜化，這給射流泵內(nèi)部流動(dòng)機(jī)理的研究帶來(lái)了極大的困難。

1.1湍流射流

湍流射流是射流流型的一種，其特點(diǎn)是射流速度大，因而雷諾數(shù)較高，當(dāng)其達(dá)到或超過(guò)臨界值時(shí)，切面會(huì)出現(xiàn)很多小渦旋，并因其各自的無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)發(fā)生動(dòng)量、熱量和質(zhì)量的交換。射流依據(jù)其流入空間的不同，可以分為有限空間射流和無(wú)限空間射流兩大類(lèi)。如果射流的流入空間相對(duì)其本身很大，邊界遠(yuǎn)離射流，致使射流受到邊界的影響較小，這便是無(wú)限空間射流。如果流入空間相對(duì)射流本身而言不足夠大，致使射流受到了邊界的影響，則稱(chēng)為有限空間射流。根據(jù)射流周?chē)黧w的性質(zhì)，射流包括淹沒(méi)射流和非淹沒(méi)射流兩大類(lèi)。如果射流周?chē)黧w與射流的性質(zhì)相同，該種射流被稱(chēng)為淹沒(méi)射流；如果射流周?chē)黧w與射流的性質(zhì)不同，該種射流被稱(chēng)為非淹沒(méi)射流。

采油舉升工藝中射流泵內(nèi)流體的流動(dòng)受到喉管管壁限制，并且動(dòng)力液與地層液具有不同的物理性質(zhì)，所以其屬于有限空間非淹沒(méi)射流。

1.2湍流數(shù)值計(jì)算方法

湍流是一種高度非線性的復(fù)雜流動(dòng)，由各種不同尺度的渦旋疊合而成。目前對(duì)湍流數(shù)值模擬方法可以分為以下三種方法：

1.2.1直接數(shù)值模擬（DNS）

湍流流動(dòng)雖然復(fù)雜，但可直接利用N-S方程對(duì)湍流進(jìn)行模擬計(jì)算。這種方法最早在七十年代初提出，其優(yōu)勢(shì)在于無(wú)需簡(jiǎn)化和近似湍流流動(dòng)，并能獲得更精確的結(jié)果。但其計(jì)算量龐大，對(duì)計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力、速度要求很高，在工程計(jì)算的應(yīng)用方面適應(yīng)性較差。

1.2.2大渦模擬（LES）

大渦模擬方法通過(guò)對(duì)計(jì)算區(qū)域尺寸大到能夠包含湍流流動(dòng)中出現(xiàn)的大渦進(jìn)行計(jì)算，但其采用的最小計(jì)算網(wǎng)格大小仍然比小渦尺度大很多，為簡(jiǎn)化計(jì)算，可以只對(duì)大渦利用瞬時(shí)N-S方程進(jìn)行直接計(jì)算，對(duì)于小尺度渦旋則建立模型來(lái)表征其對(duì)大尺度渦旋的影響。該方法減少了計(jì)算量，但仍對(duì)計(jì)算機(jī)的速度要求較高。

1.2.3雷諾平均法（RANS）

工程應(yīng)用所需要的是湍流所引起的平均流場(chǎng)的變化，雷諾平均法正是描述平均流場(chǎng)而廣為應(yīng)用的湍流數(shù)值模擬方法。該方法主要通過(guò)將N-S瞬時(shí)方程中的變量分解成平均量和脈動(dòng)量?jī)刹糠郑苊饬薔-S瞬時(shí)方程的直接求解，很大程度上減少了計(jì)算，對(duì)解決實(shí)際問(wèn)題具有很好的效果。其核心是求解時(shí)均化的方程，同時(shí)要采用湍流模型來(lái)使方程組封閉。

2　國(guó)內(nèi)應(yīng)用現(xiàn)狀

目前，對(duì)水力射流泵內(nèi)部流場(chǎng)研究主要是通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法和數(shù)值模擬方法。數(shù)值模擬方法因其快速簡(jiǎn)便的特點(diǎn)，得到了廣泛的應(yīng)用：

陳如恒，張來(lái)斌等［4］針對(duì)采油過(guò)程中射流泵內(nèi)部強(qiáng)湍流場(chǎng)具有逆壓力梯度以及擴(kuò)散管邊界不規(guī)則的特點(diǎn)，建立了

擴(kuò)散器貼體坐標(biāo)系統(tǒng)，并應(yīng)用高雷諾數(shù)k-ε模型和考慮逆壓力梯度的壁面函數(shù)法模擬了射流泵內(nèi)部強(qiáng)湍流場(chǎng)。在應(yīng)用多種方法模擬的基礎(chǔ)上，充分考慮松弛因子、迭代初始值及貼體坐標(biāo)系中網(wǎng)格數(shù)目等影響收斂的各種因素，獲得了較為符合實(shí)際的結(jié)果。

梁愛(ài)國(guó)等［5］通過(guò)應(yīng)用混合有限分析法、貼體變換技術(shù)以及k-ε雙方程紊流模型，對(duì)射流泵內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究了不同喉管長(zhǎng)度下射流泵內(nèi)部流場(chǎng)的變化規(guī)律，從而確定得出射流泵喉管的最佳尺寸，對(duì)射流泵設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。

王常斌等［6］建立非等間距加密網(wǎng)格斌應(yīng)用強(qiáng)雷諾數(shù)的k-ε湍流模型對(duì)射流泵內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬。研究結(jié)果表明，射流泵內(nèi)部流場(chǎng)軸向速度剖面在擴(kuò)散管段表現(xiàn)出較好的自相似性，而在喉管段則未出現(xiàn)，發(fā)生變化的轉(zhuǎn)折點(diǎn)與喉管的長(zhǎng)度有關(guān)。流場(chǎng)的湍動(dòng)能的峰值主要出現(xiàn)在噴嘴出口與擴(kuò)散管入口處，由于湍動(dòng)能的不平衡特性，導(dǎo)致部分能量損失。

楊雪龍等［7］通過(guò)對(duì)不同湍流模型和不同壁面函數(shù)的組合，研究其對(duì)射流泵內(nèi)部流場(chǎng)模擬的影響。結(jié)果表明，在射流泵流量比較小時(shí)，組合都可以較好的符合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，而當(dāng)流量繼續(xù)增大后，都出現(xiàn)了大于10%的模擬誤差。而通過(guò)對(duì)湍流模型常數(shù)的修正，可以將模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)誤差減少到5%以?xún)?nèi)。

周凌九等［8］為明確工作流體與吸入流體的摻混過(guò)程，分別利用基于雷諾平均法的不同雙方程湍流模型以及大渦模擬對(duì)射流泵內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬。結(jié)果表明大渦模擬對(duì)射流泵內(nèi)部強(qiáng)湍流流場(chǎng)模擬結(jié)果更為符合實(shí)際，能夠模擬剪切層的漩渦結(jié)構(gòu)，準(zhǔn)確地反映工作流體和吸入流體間的動(dòng)量和能量混合過(guò)程，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好。而基于雷諾平均法的同雙方程湍流模型無(wú)法預(yù)測(cè)渦流結(jié)構(gòu)，在喉管段的高速核心區(qū)摻混過(guò)程中的能量耗散也過(guò)快，大渦模擬可以獲得射流泵能量摻混過(guò)程更為準(zhǔn)確的結(jié)果。

3　結(jié)論

1）CFD數(shù)值模擬方法在分析射流泵流場(chǎng)研究方面已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，通過(guò)數(shù)值模擬，可以詳細(xì)地描述流場(chǎng)分布，可為射流泵的參數(shù)優(yōu)化提供一定的依據(jù)。

2）工程模擬射流泵流場(chǎng)主要采用雷諾平均法，能夠減少計(jì)算量，具有一定實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，但其描述內(nèi)部流場(chǎng)細(xì)節(jié)的能力不如大渦模擬。

3）射流泵的內(nèi)部湍流流場(chǎng)復(fù)雜多變，相與相之間分布不均，并且存在相互作用，使得數(shù)值模擬也存在很大的困難，模擬結(jié)果常常與實(shí)際工況差距較大，因此還需要結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況對(duì)其模擬參數(shù)進(jìn)行調(diào)整擬合，使其結(jié)果符合實(shí)際，從而指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)的優(yōu)化。

［1］ 范海平，曾小林.基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的流量系數(shù)研究［J］.機(jī)電設(shè)備，2007，（2）：9-12.

［2］ 卜長(zhǎng)根.輕型井點(diǎn)降水變參數(shù)射流泵的設(shè)計(jì)［J］.水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2013，（1）：45-47.

［3］ 王小鵬，陳頌英，王小鵬，等.不同湍流模型對(duì)圓射流數(shù)值模擬的討論［J］.工程熱物理學(xué)報(bào)，2008，29（6）；957-959.

［4］ 陳如恒，張來(lái)斌，黃紅梅.采油射流泵內(nèi)流場(chǎng)數(shù)值模擬計(jì)［J］.中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào)，1995，（S1）：169-173.

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［6］ 王常斌，林建忠，石興.射流泵湍流場(chǎng)的數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究［J］.高?；瘜W(xué)工程學(xué)報(bào)，2006，20（2）：175-179.

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［8］ 周凌九，袁玲麗.射流泵內(nèi)部流動(dòng)計(jì)算中不同湍流模擬方法的比較［J］.排灌機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2013，31（1）：25-30.

Status of Jet Pump Internal Flow NumericalSimulation Study

Cheng Wen-hui，Han Qi-qing，Li Shao-pu，Sun Fu-shan，Wang Xin-hong

The water jet pump is oil exploration in an important process of lifting，since it has no moving parts，compact structure，is widely used in mining complex structures and special wells wells.This article summarizes the jet pump principle，internal flow characteristics and internal flow field research methods，discusses the status of the internal flow field of jet pump technology research.In the induction current portion jet pump internal flow numerical simulation study based on the results，we summarized the shortcomings of current research methods exist for the production of jet pump parameter optimization provide theoretical guidance for future research directions.

hydraulic pump；research status；internal flow field numerical simulation

TH38

A

1003-6490（2016）06-0088-02