天然氣水合物風(fēng)琴管噴嘴空化沖擊特性研究

張 辛 葛家旺 高嘉寶 孟 翔

(中國石油大學(xué)(華東)機電工程學(xué)院)

0 引 言

我國南海神狐海域天然氣水合物沉積層具有弱膠結(jié)、滲透性差及非成巖等特點，采用現(xiàn)有的開采方法很難實現(xiàn)效率與經(jīng)濟的均衡，需要進行儲層改造以提升天然氣水合物低滲透儲層的生產(chǎn)性能[1-3]?？栈淞魇墙陙戆l(fā)展起來的新型射流，目前已經(jīng)普遍應(yīng)用于石油領(lǐng)域。當(dāng)流場局部壓力低于當(dāng)前溫度下液體飽和蒸汽壓時，液體中產(chǎn)生空泡的過程被稱為空化?？栈瘹馀莅l(fā)生潰滅，會產(chǎn)生高頻的壓力波，天然氣水合物儲層吸收空化產(chǎn)生的壓力波能量，從而產(chǎn)生微裂紋[4-7]。因此，空化射流技術(shù)作為儲層改造方式，可以提高天然氣水合物儲層的局部滲透率和孔隙度，提高開采效率。

空化射流主要依靠空化噴嘴產(chǎn)生，國內(nèi)外常用的一種噴嘴結(jié)構(gòu)是風(fēng)琴管噴嘴，大量學(xué)者對這種結(jié)構(gòu)噴嘴進行了仿真研究與試驗驗證。趙新澤等[8]對風(fēng)琴管噴嘴的結(jié)構(gòu)進行改進，設(shè)計了圓弧段擴張口徑，并采用流體仿真軟件對噴嘴進行流場分析，結(jié)果表明，風(fēng)琴管噴嘴空化效果顯著。韓健等[9]將打擊試驗與噪聲分析方法相結(jié)合，分析了風(fēng)琴管噴嘴的空化特性，結(jié)果表明，風(fēng)琴管噴嘴能產(chǎn)生高頻壓力振蕩并促進空化射流的產(chǎn)生。孫軍等[10]研究風(fēng)琴管噴嘴出口段內(nèi)表面結(jié)構(gòu)對空化特性的影響，對管道內(nèi)表面凸起結(jié)構(gòu)完成流場壓力分析，結(jié)果表明，凸起的存在對近壁面流場壓力有顯著影響，凸起達到一定數(shù)量時，壓力波動呈現(xiàn)出類似交變變化。張修占等[11]采用數(shù)值模擬與試驗研究相結(jié)合的方法，研究風(fēng)琴管噴嘴射流沖擊特性，結(jié)果表明，合理選擇射流靶距使空泡充分發(fā)展，可以有效增強風(fēng)琴管噴嘴的沖擊性能。于海濤等[12]利用Fluent軟件對風(fēng)琴管噴嘴空化特性展開研究，結(jié)果表明，適當(dāng)增加風(fēng)琴管噴嘴擴散段長度可以增強空化作用。

以上研究表明，風(fēng)琴管噴嘴具有優(yōu)異的空化效果。然而目前對空化射流的研究主要應(yīng)用于高壓清洗和石油鉆采方面，在天然氣水合物開采領(lǐng)域還鮮有提及，針對空化射流在天然氣水合物儲層高圍壓條件下的應(yīng)用，需要進一步研究風(fēng)琴管噴嘴的空化沖擊性能。為此，筆者建立了風(fēng)琴管噴嘴模型，通過Fluent流體仿真軟件開展風(fēng)琴管噴嘴空化的模擬研究，根據(jù)風(fēng)琴管噴嘴的速度分布、壓力分布及氣相體積分數(shù)分布等流場特征，研究圍壓條件下風(fēng)琴管噴嘴的空化性能；搭建空化射流沖擊套管試驗裝置，分析圍壓條件下噴嘴內(nèi)腔結(jié)構(gòu)參數(shù)對風(fēng)琴管噴嘴沖擊效果的影響規(guī)律，以期為天然氣水合物儲層條件下空化射流的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 數(shù)值模型建立

1.1 數(shù)學(xué)模型

空化射流涉及液體相變過程，因此空化射流屬于氣液兩相流，同時也屬于湍流流動，本文選取混合模型和RNGk-ε湍流模型進行計算?；旌夏Ｐ陀嬎憔雀撸諗克俣瓤?，符合空化特性的計算要求[13-14]。RNGk-ε湍流模型不但在漩渦計算方面精度高，而且可以很好地模擬空化噴嘴近壁區(qū)域的空化現(xiàn)象[15-17]，所以選擇RNGk-ε湍流模型完成空化現(xiàn)象的仿真運算。混合模型的連續(xù)方程為：

(1)

1.2 噴嘴幾何參數(shù)

依據(jù)瞬態(tài)流理論對風(fēng)琴管噴嘴進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，噴嘴主要結(jié)構(gòu)尺寸如圖1所示，入口段直徑D1=26 mm，入口段長度L1=8 mm；諧振腔直徑D2=8 mm，諧振腔長度L2=21 mm；圓柱段直徑D3=4 mm，圓柱段長度L3=7 mm；擴散段長度L4=14 mm，擴散段角度α=60°。流體在入口段流入，經(jīng)過諧振腔時產(chǎn)生共振，促進大結(jié)構(gòu)分離環(huán)狀渦流的產(chǎn)生，增強空化作用。

圖1 噴嘴主要結(jié)構(gòu)尺寸示意圖Fig.1 Main structure and dimension of nozzle

1.3 邊界條件

圖2 噴嘴計算域Fig.2 Calculation domain of nozzle

設(shè)置噴嘴出口為壓力出口，研究圍壓作用下流體的空化特性。為保證流體能夠從出口正常流出，需要保證進出口存在一定的壓力差，設(shè)置噴嘴入口為壓力入口。進出口的射流湍流強度均設(shè)為5%。選擇壓力-速度耦合求解算法為SIMPLEC，采用二階迎風(fēng)離散格式，壓力方程采用PRESTO！，近壁面區(qū)域采用壁面函數(shù)法處理[19-20]。

1.4 網(wǎng)格劃分

采用Meshing對計算域進行網(wǎng)格劃分，生成面網(wǎng)格最小尺寸為0.1 mm。為了提高計算效率，對流體重要流動區(qū)域的網(wǎng)格局部加密[21]。網(wǎng)格單元質(zhì)量數(shù)值范圍為0～1，數(shù)值越接近于1，網(wǎng)格單元質(zhì)量越高。通過網(wǎng)格無關(guān)性分析，計算域劃分網(wǎng)格單元質(zhì)量均大于0.9，網(wǎng)格單元質(zhì)量優(yōu)異，滿足運算要求。

2 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

2.1 風(fēng)琴管噴嘴空化特性

圖3為入口壓力30 MPa、圍壓5 MPa時風(fēng)琴管噴嘴速度分布云圖。由圖3可見，流體速度在噴嘴的圓柱段達到較高水平，后經(jīng)噴嘴擴散段形成高速射流。在流體噴出圓柱段的初始階段，存在噴嘴軸線速度保持不變的核心區(qū)，隨著高速射流的逐漸擴張，射流能量逐漸衰減，等速核心區(qū)消失。等速核心區(qū)內(nèi)保持較大的軸向速度，有利于射流完成沖擊破碎[22]；同時根據(jù)伯努利方程，具有高流速的等速核心區(qū)內(nèi)壓力較低，有利于空化泡的產(chǎn)生。

圖3 風(fēng)琴管噴嘴速度分布云圖Fig.3 Nephogram for velocity distribution of organ-pipe nozzle

圖3中局部放大部分為外流場初始階段流體速度矢量。由圖3可見，在擴張段出口處存在回流現(xiàn)象，這是由于高速射流與外流場靜止流體發(fā)生剪切作用，從而在流體作用區(qū)域形成漩渦。漩渦中心的壓力低于周圍壓力，在促進空化泡生長的同時，有利于空化泡在外流場的運輸，使空化泡在更遠距離潰滅，增強空化泡的沖蝕作用。

空化現(xiàn)象產(chǎn)生的前提是存在局部低壓區(qū)，因此對圍壓條件下風(fēng)琴管噴嘴形成的壓力場進行分析。圖4為入口壓力30 MPa、圍壓5 MPa時風(fēng)琴管噴嘴壓力分布云圖。由圖4可見，在風(fēng)琴管噴嘴內(nèi)部存在明顯的低壓區(qū)域，且均集中在圓柱段，圓柱段大部分區(qū)域的壓力都處于負壓狀態(tài)，形成“負壓區(qū)”。圓柱段內(nèi)“負壓區(qū)”對于空化非常關(guān)鍵，“負壓區(qū)”內(nèi)流體局部絕對壓力小于當(dāng)前溫度下飽和蒸汽壓，流體中的氣核在“負壓區(qū)”迅速膨脹，在流體內(nèi)部形成含有水蒸氣的空化泡[23]。產(chǎn)生“負壓區(qū)”是由于圓柱段的突縮結(jié)構(gòu)，使圓柱段流速迅速升高，從而產(chǎn)生壓降。

圖4 風(fēng)琴管噴嘴壓力云圖Fig.4 Nephogram for pressure of organ-pipe nozzle

2.2 不同圍壓對空化特性的影響

由壓力分布云圖可知，風(fēng)琴管噴嘴內(nèi)部負壓值是空化產(chǎn)生的關(guān)鍵因素，所以保持入口壓力30 MPa，使圍壓分別為0、5、10及15 MPa，分析圍壓對風(fēng)琴管噴嘴內(nèi)部負壓值的影響。圖5為不同圍壓下風(fēng)琴管噴嘴內(nèi)部產(chǎn)生的最小負壓值。由圖5可見：隨著圍壓的增大，風(fēng)琴管噴嘴內(nèi)部產(chǎn)生的最小負壓值逐漸上升，且圍壓達到的水平越高，最小負壓值隨圍壓變化的范圍越明顯；當(dāng)圍壓從0提高至5 MPa時最小負壓值僅上升0.04 MPa，而圍壓從10 MPa提高至15 MPa時最小負壓值上升0.38 MPa，“負壓區(qū)”中負壓值越小，流體中越容易形成大尺寸的空泡。因此，在一定的圍壓范圍內(nèi)，風(fēng)琴管噴嘴內(nèi)部能產(chǎn)生負壓，從而實現(xiàn)空化泡的初生；但是高圍壓條件在一定程度上會抑制風(fēng)琴管噴嘴空化“負壓區(qū)”的極值。

圖5 風(fēng)琴管噴嘴內(nèi)部最小負壓值Fig.5 Minimum negative pressure inside organ-pipe nozzle

空化現(xiàn)象一旦發(fā)生，流體就會變成氣液兩相流，所以通過氣相云圖可以觀察空化區(qū)域的大小。圖6為同一時刻風(fēng)琴管噴嘴在不同圍壓下的氣相體積分數(shù)分布云圖。云圖顏色越深，表明這個區(qū)域的含氣體積分數(shù)越大[24]。由圖6可見：在不同圍壓作用下，內(nèi)流場和外流場均產(chǎn)生大量氣體，產(chǎn)生的氣體沿軸心線呈對稱分布；隨著圍壓的提升，同一時刻外流場產(chǎn)生的氣體區(qū)域面積逐漸減小，這意味著隨水射流到達沖擊目標(biāo)的空泡數(shù)目減少，空泡潰滅產(chǎn)生的能量衰減。造成這種現(xiàn)象主要有以下2個原因：一是噴嘴出口高圍壓的擾動，空化泡在風(fēng)琴管噴嘴內(nèi)部的初生受到限制，從而在風(fēng)管琴噴嘴內(nèi)部產(chǎn)生的空泡數(shù)量較少，隨水射流到達外流場的空泡數(shù)目便相對減少；二是外部環(huán)境較高的壓力，使空化泡不能充分流動發(fā)展，大量空化泡在外流場的初始階段便因為高壓作用而潰滅。因此，針對高圍壓條件下的空化射流，可以合理控制射流靶距。

圖6 同一時刻不同圍壓下噴嘴氣相體積分數(shù)分布云圖Fig.6 Nephogram for gas phase volume fraction distribution of nozzle under different confining pressures at the same time

2.3 不同諧振腔直徑對空化特性的影響

風(fēng)琴管噴嘴的諧振腔對于空化泡初生起關(guān)鍵性作用。保持入口壓力30 MPa、圍壓5 MPa，使諧振腔直徑分別為8、10、12和14 mm，分析諧振腔直徑對風(fēng)琴管噴嘴氣相分布的影響。圖7為不同諧振腔直徑噴嘴在外流場產(chǎn)生空泡的最大軸向長度和最大徑向長度。由圖7可見，在不同時刻，噴嘴在外流場產(chǎn)生的空泡數(shù)量明顯不同，T=2 ms時外流場中空泡的最大軸向長度和最大徑向長度均大于T=1 ms時。這主要是由于空化泡的形成、發(fā)展、破裂需要一定的時間。隨著諧振腔直徑不斷變大，同一時刻外流場產(chǎn)生的空泡數(shù)量呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，當(dāng)諧振腔直徑為10 mm時，外流場中產(chǎn)生的空泡數(shù)量最多。由此可見，諧振腔直徑在一定范圍內(nèi)存在最優(yōu)值，此時風(fēng)琴管噴嘴有更優(yōu)異的空化性能。

圖7 外流場空泡長度Fig.7 Cavitation bubble length in external flow field

3 空化射流沖擊套管試驗

為了驗證圍壓下風(fēng)琴管噴嘴的空化沖擊效果，以套管為沖擊靶物搭建試驗裝置，對不同諧振腔直徑的風(fēng)琴管噴嘴開展沖擊套管試驗。

3.1 試驗裝置

圖8為圍壓條件下風(fēng)琴管噴嘴沖擊套管試驗裝置流程圖。由圖8可見，混砂車完成磨料和清水的混合，泵車加壓將射流介質(zhì)送至高壓管線，最后進入空化噴嘴完成射流切割內(nèi)套管。多組噴嘴均勻地布置在噴槍上，同時射流沖擊內(nèi)套管。試壓泵的主要作用是將液體注入內(nèi)外套管形成的環(huán)空間隙，為內(nèi)套管提供圍壓，其上安裝有壓力表，可以觀察并確保圍壓準確；內(nèi)套管如果被射流沖穿，壓力表數(shù)值變動；快速接頭與排氣閥的主要作用是排除內(nèi)外套管形成的環(huán)空間隙中的氣體。內(nèi)套管采用N80石油鋼管，壁厚14.27 mm。

圖8 試驗裝置流程圖Fig.8 Flow chart of test device

3.2 試驗結(jié)果與分析

保持試驗條件不變，以相同時間內(nèi)射流對內(nèi)套管的沖擊坑深度為判斷依據(jù)，對不同諧振腔直徑的風(fēng)琴管噴嘴沖擊性能進行評估，諧振腔直徑分別為8、10、12和14 mm。

圖9為相同時間內(nèi)不同諧振腔直徑風(fēng)琴管噴嘴對套管的沖擊形貌。

圖9 不同沖擊坑形貌Fig.9 Morphologies of different impact pits

由圖9可見，不同諧振腔直徑的風(fēng)琴管噴嘴產(chǎn)生的沖擊坑大小明顯不同，諧振腔直徑為10 mm的噴嘴形成的沖擊坑最大，諧振腔直徑為8 mm的噴嘴形成的沖擊坑最小。由此得出，諧振腔直徑會對風(fēng)琴管噴嘴的空化沖擊效果產(chǎn)生顯著影響。

對不同噴嘴產(chǎn)生沖擊坑的深度進行測量，圖10為不同諧振腔直徑風(fēng)琴管噴嘴產(chǎn)生的沖擊坑深度變化曲線。

圖10 不同沖擊坑深度變化曲線Fig.10 Variation of different impact pit depths

由圖10可見：諧振腔直徑8 mm的風(fēng)琴管噴嘴產(chǎn)生的沖擊坑深度最小，沖擊坑的深度僅為7.4 mm；諧振腔直徑10 mm的風(fēng)琴管噴嘴產(chǎn)生的沖擊坑深度最大，沖擊坑的深度達到11.0 mm。相比之下，兩者形成的沖擊坑深度存在很大差值，相對于諧振腔直徑8 mm噴嘴，諧振腔直徑10 mm噴嘴產(chǎn)生的沖擊坑深度增加了48.6%。這與數(shù)值模擬結(jié)果一致，驗證了仿真結(jié)果的準確性。

4 結(jié) 論

(1)圍壓條件下風(fēng)琴管噴嘴在內(nèi)流場產(chǎn)生明顯的“負壓區(qū)”，有利于空化泡的初生，在外流場產(chǎn)生漩渦低壓區(qū)，可以促進空化泡的生長擴散，從而產(chǎn)生更強的射流沖擊力。

(2)高圍壓在一定程度上會抑制風(fēng)琴管噴嘴空化“負壓區(qū)”的極值，保持其他條件不變的情況下，圍壓值越大，外流場中產(chǎn)生的空泡數(shù)量越少。由于外部環(huán)境較高的壓力，存在空化泡在外流場的初始階段便因為高壓作用而潰滅，所以針對高圍壓條件下的空化射流，可以合理控制射流靶距，減少未到達沖擊目標(biāo)而破裂的空泡數(shù)目，形成沖蝕能力更強的空化射流。

(3)風(fēng)琴管噴嘴的諧振腔直徑明顯影響噴嘴的射流沖擊能力。在一定范圍內(nèi)，隨著諧振腔直徑變大，同一時刻外流場產(chǎn)生的空泡數(shù)量呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。與諧振腔直徑8 mm的噴嘴相比，相同時間內(nèi)諧振腔直徑為10 mm的噴嘴對套管產(chǎn)生的沖擊坑深度增加48.6%。