蔡 萌，張晶明，李 朦

(大慶油田有限責(zé)任公司 采油工程研究院，黑龍江 大慶163453)

大慶油田三元復(fù)合驅(qū)驅(qū)替對象已轉(zhuǎn)向滲透率更低、層間差異更大的二、三類油層，采用籠統(tǒng)注入方式，嚴(yán)重影響三元復(fù)合驅(qū)的開發(fā)效果。為改善三元復(fù)合驅(qū)效果，逐步發(fā)展了適應(yīng)油田不同類型油層三元復(fù)合驅(qū)開發(fā)需要的分層注入技術(shù)，利用偏心配注器產(chǎn)生壓降，實現(xiàn)注入量的控制，而技術(shù)關(guān)鍵就是偏心配注器結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化。三元復(fù)合溶液在偏心配注器中的流動可視為冪律流體在梭形內(nèi)管環(huán)空中的流動，研究該流動的流場對偏心配注器結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計提供了理論依據(jù)。

關(guān)于流體在內(nèi)管帶有環(huán)槽的環(huán)空中的流動，有不少學(xué)者［1-3］對其進(jìn)行了研究。本文將應(yīng)用CFD 軟件FLUENT 對冪律流體在梭形內(nèi)管環(huán)空中流動的流場進(jìn)行數(shù)值計算，分析其速度、壓力和視粘度分布。

1 流道模型的建立及網(wǎng)格的劃分

1.1 流道模型的建立

圖1、圖2分別是帶梭形內(nèi)管的偏心配注器剖面、結(jié)構(gòu)參數(shù)圖。其中R1為內(nèi)管內(nèi)徑，R2為內(nèi)管外徑，L為槽距，a 為槽間角。

圖1 帶梭形內(nèi)管的偏心配注器剖面圖

圖2 結(jié)構(gòu)參數(shù)圖

1.2 網(wǎng)格的劃分

使用FLUENT 中的前處理程序GAMBIT 生成計算域，由于結(jié)構(gòu)不規(guī)則，采用區(qū)域離散化，分區(qū)域生成結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，且使得網(wǎng)格分布與計算域的幾何形狀相一致，從而得到圖1的計算域網(wǎng)格圖(如圖3所示)。

圖3 計算域網(wǎng)格圖

2 數(shù)學(xué)模型

2.1 本構(gòu)方程

冪律模式常被用來描述擬塑性流體和膨脹性流體，其本構(gòu)方程為:

其中，τ—剪切應(yīng)力，N·m-2;

k—稠度系數(shù)，Pa·sn，;

n—流性指數(shù)，(n＜1);

2.2 連續(xù)性方程

2.3 動量方程

湍動能k 方程:

其中

湍動能耗散率ε 的方程:

式中ρ—流體密度，kg·m-3;

p—壓力，pa;

u、v、w —x、y、z 方向的速度，m·s-1;

μt、μ—湍流黏性系數(shù)、動力粘性系數(shù)，m·s-2;

k—單位質(zhì)量湍動能;

ε—單位質(zhì)量能量耗散率;

ν—流體的分子粘性系數(shù);

Γ—廣義擴(kuò)散系數(shù);Cμ=0.09，C1=1.44，C2=1.92，σk=1.0，σε=1.3。

2.4 邊界條件方程

2.4.1 入口條件

入口條件如式(9)所示，由3 個式子組成。

2.4.2 出口條件

出口按照充分發(fā)展處理，在該面上所有變量(壓力除外)梯度為零，并取相對于外界的壓力為零。

式中:N 出口面的法向向量，l 為環(huán)空長度，p0為出口相對外界壓力。

2.4.3 固壁邊界條件壁面為無滑移邊界條件，us=0，默認(rèn)壁面粗糙度為0.5，采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法處理邊界湍流［45］。

3 數(shù)值模擬方法

利用FLUENT 對冪律流體在梭形內(nèi)管環(huán)空中流動的流場進(jìn)行數(shù)值模擬:將網(wǎng)格文件調(diào)入到FLUENT中，采用分離式求解器(SEGREGATED SOLVER)、隱式(IMPLICIT)算法;黏性模型選用標(biāo)準(zhǔn)k=ε 湍流模型;求解控制中用SIMPLES 算法解決速度與壓力的耦合問題;選取相應(yīng)的差分格式為常規(guī)QUICK 格式，壓力插補(bǔ)格式為PRESTO 格式［6-8］。

4 數(shù)值模擬結(jié)果與流場分析

梭形內(nèi)管槽數(shù)N=8，槽距L=7mm，傾角a=20°;三元復(fù)合流體密度ρ=998.2Kg·m-3，流性指數(shù)n=0.3600，稠度系數(shù)k=0.3930Pa·s0.3600，流量Q=20m3·d-1。

4.1 速度場分布

圖4 速度分布圖

圖5 速度沿軸向分布圖

圖4、圖5表明:流體在最小流道處速度達(dá)到最大值，產(chǎn)生強(qiáng)烈射流;在過流斷面擴(kuò)大區(qū)域速度陡然減小，由于流道形狀呈周期性變化，所以速度的分布也呈周期性變化，且在每個周期上具有相似性。

4.2 壓力分布圖

圖6 壓力分布圖

圖7 壓力沿軸向分布圖

圖6、圖7表明:壓力也是隨著流道的過流斷面的周期性變化而呈周期性變化;每個周期上最小流道處壓力驟然縮小，隨著流道擴(kuò)大壓力逐漸增大。在一個周期內(nèi)速度逐漸達(dá)到最高點的過程正是壓力達(dá)到最低點的過程，由于流道的縮小，流速逐漸增大，導(dǎo)致壓力損失增加。

4.3 視粘度分布

圖8表明:視粘度在每個周期上有兩處峰值，第一峰值在最小過流斷面處，由于流道驟然縮小，產(chǎn)生強(qiáng)烈的射流，此時的速度達(dá)到最大且速度梯度最小，所以視粘度達(dá)到峰值;第二處峰值在過流斷面最大處，由于此時的速度達(dá)到最小，速度梯度也比較小，所以視粘度達(dá)到峰值。

圖8 視粘度分布圖

5 室內(nèi)實驗

為了驗證利用FLUNET 數(shù)值求解冪律流體在梭形內(nèi)管環(huán)空中流動的速度分壓、壓力分布及視粘度分布的正確性，進(jìn)行了利用該方法計算得到的理論壓降與試驗測得的實際壓降的對比。

可以得到:模擬壓降與實驗壓降平均相對誤差率為6.81%，因此利用該方法數(shù)值計算冪律流體在梭形內(nèi)管環(huán)空中流動的速度分壓、壓力分布及視粘度分布的方法是正確的。

6 結(jié)語

(1)建立了可視為冪律流體的三元復(fù)合流體在梭形內(nèi)管環(huán)空偏心配注器中流動的數(shù)學(xué)模型。

(2)利用CFD 軟件FLUENT 對該流動進(jìn)行數(shù)值模擬，分析了三元復(fù)合流體在梭形內(nèi)管環(huán)空分層配注器中流動的速度、壓力及視粘度分布，分析結(jié)果為配注器結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化提供了理論依據(jù)。

［1］崔海清，宋興良，裴曉含，等.聚丙烯酰胺水溶液在內(nèi)管帶有等距環(huán)槽的同心環(huán)空中流動的壓降［J］.大慶石油學(xué)院學(xué)報，2006，30(2):38-40.

［2］裴曉含，王野，崔海清，等.流體在內(nèi)管帶環(huán)槽環(huán)空流場的數(shù)值模擬［C］.濟(jì)南:第二十一屆全國水動力學(xué)研討會暨第八屆全國水動力學(xué)學(xué)術(shù)會議暨兩岸船舶與海洋工程水動力學(xué)研討會文集，2008:272-275.

［3］王野.內(nèi)管帶環(huán)槽環(huán)空的配注器內(nèi)流場的數(shù)值模擬［D］.大慶:大慶石油學(xué)院碩士學(xué)位論文，2009:14-20.

［4］王福軍.計算流體力學(xué)分析CFD 軟件原理與應(yīng)用［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2007:18-55.

［5］周光炯，嚴(yán)宗毅，許世雄，等.流體力學(xué)［M］.北京:高等教育出版社，2006:68-107.

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［7］傅德燕，馬延文.計算流體力學(xué)［M］.北京:高等教育出版社，2004:15-28.

［8］王瑞金，張凱，王剛.FLUENT 技術(shù)基礎(chǔ)與應(yīng)用實例［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2007:24-91.