左娟莉 楊泓 魏炳乾 侯精明 張凱

(西安理工大學(xué), 西北旱區(qū)生態(tài)水利工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 西安710048)

(2019 年 11 月 15日收到; 2019 年 12 月 24日收到修改稿)

污水處理、油田采油、液態(tài)金屬冷卻反應(yīng)堆和磁流體動(dòng)力轉(zhuǎn)換器等領(lǐng)域采用氣力提升系統(tǒng)有其顯著優(yōu)勢(shì). 由于不同液體介質(zhì)與氣體介質(zhì)密度對(duì)氣力提升系統(tǒng)性能影響較大, 因此本文基于Fluent仿真軟件, 采用歐拉模型、k-w剪切應(yīng)力輸運(yùn)湍流模型數(shù)值模擬了氮?dú)?水、氮?dú)?煤油、氮?dú)?水銀及空氣-水、氬氣-水、氮?dú)?水下氣力提升系統(tǒng)內(nèi)氣液兩相流動(dòng)行為, 分析了系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)提升立管內(nèi)氣相體積分?jǐn)?shù)、提升液體流量、提升效率、提升管出口處液體徑向速度的變化規(guī)律. 研究結(jié)果表明: 1)氮?dú)?水、氮?dú)?煤油、氮?dú)?水銀系統(tǒng)中, 提升管內(nèi)液體介質(zhì)密度越大, 提升管內(nèi)氣相體積分?jǐn)?shù)越小、提升液體流量越大、提升效率越高; 2)空氣-水、氬氣-水、氮?dú)?水系統(tǒng)中, 提升管內(nèi)氣體介質(zhì)密度越大, 提升管內(nèi)氣相體積分?jǐn)?shù)越小、提升液體流量越大、提升效率峰值越小; 3)提升管出口處提升液體徑向速度隨氣體充入量的不斷增加而整體波動(dòng)升高, 最終管軸中心附近液體速度較大, 管壁附近液體速度較小. 本文研究成果為污水處理、氣舉采油、液態(tài)重金屬冷卻核反應(yīng)堆和磁流體動(dòng)力轉(zhuǎn)換器等應(yīng)用領(lǐng)域的氣力提升技術(shù)的優(yōu)化提供科學(xué)的理論基礎(chǔ).

1 引言

氣力提升裝置原理是通過向提升管內(nèi)注入壓縮空氣, 通過管內(nèi)外產(chǎn)生的壓差來(lái)提升液體. 與傳統(tǒng)機(jī)械泵相比, 其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)機(jī)械傳動(dòng)部件、無(wú)系統(tǒng)磨損; 提升技術(shù)易實(shí)現(xiàn)、耗能低、驅(qū)動(dòng)能源來(lái)源廣泛; 可在高溫、高壓、真空、放射性、腐蝕性的環(huán)境中使用, 也可在不規(guī)則形狀的井中使用, 故研究氣力提升系統(tǒng)具有重要的科學(xué)價(jià)值[1?3]. 目前,由于氣力提升系統(tǒng)的維護(hù)成本較低、可靠性較高,其在污水處理、抽吸海水、港口疏浚、油田采油、液態(tài)金屬冷卻反應(yīng)堆和液態(tài)金屬磁流體轉(zhuǎn)換器等眾多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[4?10].

氣力提升系統(tǒng)因其與傳統(tǒng)機(jī)械泵相比有著無(wú)可比擬的優(yōu)越性, 從二十世紀(jì)五六十年代以來(lái), 國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了大量的研究. 1963年, Nicklin[11]研究了影響小管徑氣力提升裝置提升性能的影響因素. 1965年, Futer[12]發(fā)明了一種用于提升固體的氣提裝置. 1975年, 日本的 Kato 等[13]實(shí)驗(yàn)研究了氣力提升管中的多相流. 1985年, Kouremenos和Staicos[14]實(shí)驗(yàn)研究了不同的提升管長(zhǎng)度和浸沒比對(duì)提升管內(nèi)流型轉(zhuǎn)變的影響. 1996年, Kajishima和Saito[15]運(yùn)用漂移流動(dòng)模型模擬了深海采礦下大尺度氣力提升系統(tǒng)內(nèi)兩相流流動(dòng)情況. 1999年,Khalil等[16]研究九種浸沒比和三種提升管長(zhǎng)度對(duì)氣力提升系統(tǒng)提升性能的影響. 2000年之后,Furukawa和Fukano[17]實(shí)驗(yàn)研究了氣力提升系統(tǒng)內(nèi)三種不同黏度的液體對(duì)提升性能的影響.Pougatch和Salcudean[18]采用多流體歐拉方法,將水作為連續(xù)相, 氣泡和固體顆粒作為離散相開展了二維數(shù)值模擬計(jì)算, 模擬數(shù)據(jù)與試驗(yàn)結(jié)果符合.Moisidis和Kastrinakis[19]對(duì)短氣力提升系統(tǒng)內(nèi)的兩相流動(dòng)行為和流型轉(zhuǎn)化進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究. 高嵩等[20]對(duì)氣液混輸管線與立管系統(tǒng)嚴(yán)重段塞流問題進(jìn)行了數(shù)值模擬, 深入分析了內(nèi)部流動(dòng)規(guī)律和流動(dòng)特性. 李洪偉等[21]對(duì)毫米級(jí)小矩形通道內(nèi)氮?dú)?水氣液兩相流流型特性進(jìn)行了研究, 發(fā)現(xiàn)四種典型流型三譜切片差異明顯, 環(huán)狀流較泡狀流與段塞流更為復(fù)雜. 胡東等[22]為揭示氣力提升技術(shù)進(jìn)氣方式對(duì)其特性的作用機(jī)理及過程, 研究了氣孔數(shù)量對(duì)排液量、排沙量以及提升效率的影響. Tighzert等[23]通過實(shí)驗(yàn)研究探討氣力提升系統(tǒng)提升效率隨浸沒比和注入空氣量的變化趨勢(shì). Fan等[24]在千島湖四個(gè)不同位置同一水下深度, 改變噴射噴嘴設(shè)計(jì)和不同空氣流量, 研究其對(duì)氣力提升系統(tǒng)整體性能的影響. Wahba等[25]基于流體體積模型和大渦模擬了提升管內(nèi)兩相流型特征及其變化. Zuo等[26,27]對(duì)帶有氣力提升系統(tǒng)的加速器驅(qū)動(dòng)次臨界反應(yīng)堆進(jìn)行深入研究, 探討了氣力提升系統(tǒng)對(duì)整個(gè)冷卻回路自然循環(huán)能力的影響; 此外還建立了適用于不同進(jìn)氣方式的氣力提升模型[28], 通過改變進(jìn)氣面積與氣孔分布方式對(duì)泵的水力特性進(jìn)行試驗(yàn)研究.

綜上所述, 目前對(duì)氣力提升裝置研究多集中在提升管內(nèi)主要結(jié)構(gòu)參數(shù), 如浸沒率、充氣量、壓力、提升管管徑等對(duì)氣力提升性能影響, 以及提升管內(nèi)多相流流動(dòng)特性與流型轉(zhuǎn)化的研究. 但對(duì)于不同介質(zhì)下, 介質(zhì)密度對(duì)氣力提升系統(tǒng)水力特性影響研究較少. 然而, 在實(shí)際工程中, 例如污水處理和抽吸海底高養(yǎng)分海水時(shí), 會(huì)用到氣水兩相流的氣力提升系統(tǒng); 石油開采時(shí), 會(huì)用到氣油兩相流的氣力提升系統(tǒng); 加速器驅(qū)動(dòng)次臨界反應(yīng)堆和液態(tài)金屬磁流體動(dòng)力轉(zhuǎn)換器中, 會(huì)用到惰性氣體和高密度的液態(tài)金屬氣力提升系統(tǒng). 因此, 本文基于Fluent軟件對(duì)不同液體介質(zhì)(氮?dú)?水、氮?dú)?煤油、氮?dú)?水銀)的氣力提升系統(tǒng)以及不同氣體介質(zhì)(空氣-水、氬氣-水、氮?dú)?水)的氣力提升系統(tǒng)的提升性能進(jìn)行了較詳細(xì)的數(shù)值模擬研究, 分析了不同工況下提升液體能力及提升效率的變化規(guī)律, 為污水處理、抽吸海底高養(yǎng)分海水、氣舉采油、液態(tài)重金屬冷卻核反應(yīng)堆和磁流體動(dòng)力轉(zhuǎn)換器等應(yīng)用領(lǐng)域的氣力提升技術(shù)的優(yōu)化提供科學(xué)的理論基礎(chǔ).

圖1 氣力提升系統(tǒng)模型圖(a) 氣力提升裝置示意簡(jiǎn)圖; (b) 模型及網(wǎng)格劃分Fig. 1. Model diagram of gas lift system: (a) Schematic diagram of gas lift system; (b) model and grid generation.

2 計(jì)算模型

2.1 模型建立及網(wǎng)格劃分

根據(jù)氣力提升裝置原理可將其裝置簡(jiǎn)化為圖1(a), 將一根豎直提升管插入蓄水池內(nèi), 由注氣管線通過噴嘴注入提升管內(nèi)(因注氣管線尺寸太小, 忽略其影響), 不斷充氣, 使提升管內(nèi)形成復(fù)雜的氣液兩相流動(dòng), 液相連續(xù)相為主相, 氣相分散相為次相. 因氣力提升裝置一般均為圓柱形結(jié)構(gòu), 提升管外部蓄水池直徑遠(yuǎn)大于提升管直徑, 且蓄水池直徑對(duì)氣力提升系統(tǒng)提升性能影響不大, 只要保證計(jì)算過程中蓄水池水位保持不變, 即可將其簡(jiǎn)化為如圖1(b)所示的二維軸對(duì)稱結(jié)構(gòu), 圖1(b)上部圖形為計(jì)算模型結(jié)構(gòu)圖, 其下面為對(duì)其進(jìn)行的網(wǎng)格劃分圖. 圖中提升管管長(zhǎng)為 2 m, 管徑為 30 mm, 噴嘴截面面積為 197.92 mm2, 浸沒比為 0.5. 本次網(wǎng)格劃分采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格, 蓄水池較提升管內(nèi)網(wǎng)格劃分更為稀疏, 經(jīng)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性分析, 當(dāng)網(wǎng)格總數(shù)為169600, 最小網(wǎng)格尺寸為 0.5 mm 時(shí), 誤差最小, 模擬效果最好. 本次模擬計(jì)算過程中, 選擇Phase Coupled SIMPLE算法, 基于壓力求解器進(jìn)行求解. 初始條件下, 假設(shè)蓄水池充滿液體, 由于蓄水池與提升管是聯(lián)通的, 提升管內(nèi)液位與蓄水池持平, 蓄水池頂部與空氣接觸, 液體進(jìn)口邊界條件為壓力入口, 進(jìn)氣口設(shè)置為速度進(jìn)口, 其值為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓; 提升段出口與大氣連通, 邊界條件為壓力出口邊界, 壓力值為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓. 為保證計(jì)算精度,采用高精度離散格式對(duì)各變量在時(shí)間和空間上進(jìn)行離散, 體積份額及湍流強(qiáng)度采用QUICK離散格式, 時(shí)間項(xiàng)采用二階隱式離散格式, 其余保持默認(rèn)設(shè)置.

2.2 控制方程[29,30]

本文選用Eulerian多相流模型, 湍流模型采用k-w剪切應(yīng)力輸運(yùn) (shear stress transport, SST)模型研究氣力提升系統(tǒng)中的多相流動(dòng).

質(zhì)量守恒方程:

流體q相的動(dòng)量守恒方程為

式中dp是p相氣泡的直徑;為顆粒弛豫時(shí)間;f為曳力函數(shù);Ai為相界面密度;CD為曳力系數(shù);μq為液相分子黏性;ag表示氣相空泡份額, 也稱截面含氣率, 代表兩相混合物流經(jīng)任一截面時(shí)氣相所占的面積與通道截面積之比.

相間滑移速度v是因?yàn)闅庀嗯c液相之間的速度不同, 兩相之間存在相對(duì)速度:

基于均相湍流處理方法的k–wSST模型[31]的控制方程如下:

式中rm為混合物密度;vm為混合物速度;μm為混合物分子黏度;μt,m為混合物湍流黏性;sk,sw為湍流普朗特?cái)?shù);Gk,m,Gw,m為湍流產(chǎn)生項(xiàng);Yk, m,Yw,m為k和w因湍動(dòng)產(chǎn)生的耗散相;Ψk,m,Ψw,m為氣液相相互作用導(dǎo)致的湍動(dòng)能增量;Sk,Sw為湍動(dòng)能源項(xiàng).

提升效率是評(píng)測(cè)氣力提升系統(tǒng)性能的關(guān)鍵指標(biāo), 本文效率公式使用Oueslati和Megriche[32]文中的效率公式:

3 模型驗(yàn)證

Oueslati和Megriche[32]設(shè)置了一個(gè)氣力提升實(shí)驗(yàn)系統(tǒng), 用來(lái)研究在不同浸沒比下液體溫度對(duì)氣力提升系統(tǒng)的影響. 裝置如圖2所示, 主要由供氣裝置、給水裝置、加熱裝置及氣液兩相流發(fā)生裝置構(gòu)成. 提升管長(zhǎng)為 2 m, 管徑為 30 mm. 液體通過加熱裝置和溫度計(jì)控制液體溫度, 由給水罐及下降管調(diào)節(jié)提升管內(nèi)的液面初始高度, 從而控制浸沒比. 壓縮機(jī)產(chǎn)生的空氣通過管路系統(tǒng)傳輸?shù)教嵘軆?nèi), 提升管的上端與蓄水槽相連, 被提升的液體通過提升管排入蓄水槽, 空氣從蓄水槽中逸出, 被提升到蓄水槽中的水又通過管道流入給水罐, 其氣體流量由氣體流量計(jì)測(cè)量, 提升的液體流量通過液體流量計(jì)來(lái)測(cè)量, 整個(gè)實(shí)驗(yàn)構(gòu)成了一個(gè)循環(huán)系統(tǒng).

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置圖 [32]Fig. 2. Experimental apparatus system[32].

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果的對(duì)比Table 1. Comparison of experimental and simulation results.

本文以O(shè)ueslati和Megriche[32]所做的提升管管徑為 30 mm, 浸沒比為 0.5, 液體溫度為 60 ℃空氣-水氣力提升系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為依據(jù), 驗(yàn)證本文數(shù)值模擬模型的準(zhǔn)確性, 表1列出了提升液體流量實(shí)驗(yàn)值與模擬值QL的對(duì)比結(jié)果, 由表1可知實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)符合較好, 故此模型可應(yīng)用于氣力提升系統(tǒng)數(shù)值模擬研究.

4 結(jié)果與分析

氣力提升系統(tǒng)內(nèi)氣液兩相流動(dòng)特性與氣液物性參數(shù)有關(guān), 在出口邊界設(shè)置適當(dāng)?shù)幕亓飨禂?shù), 本文是在常溫常壓下, 當(dāng)提升管管長(zhǎng)為2 m、管徑為30 mm, 浸沒比為 0.5時(shí), 分別對(duì)不同液體介質(zhì) (氮?dú)?水銀, 氮?dú)?水, 氮?dú)?煤油)、不同氣體介質(zhì) (氮?dú)?水, 空氣-水, 氬氣-水)多種氣力提升系統(tǒng)內(nèi)的氣液兩相流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬研究, 探討氣體注入量對(duì)提升管內(nèi)氣相體積分?jǐn)?shù)、提升液體體積流量、出口處提升液體速度、提升效率的影響. 表2列出了相關(guān)變量的物性參數(shù).

表2 物性參數(shù)表Table 2. Physical parameters table.

4.1 氣相體積分?jǐn)?shù)變化趨勢(shì)

圖3描繪了不同液體和氣體介質(zhì)下, 提升系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí), 提升管內(nèi)氣相體積分?jǐn)?shù)b與充氣量QG之間的變化規(guī)律. 由圖3可知, 隨著充氣量不斷增加,氣相體積分?jǐn)?shù)先快速增加后增加緩慢, 這是因?yàn)樵跉饬枯^低時(shí), 管內(nèi)主要以小氣泡形式存在, 相界面密度較大, 相間曳力較大, 相間滑移速度減小, 管內(nèi)氣相體積分?jǐn)?shù)隨充氣量的增加而迅速增大. 當(dāng)氣體注入流量不斷增加時(shí), 小氣泡逐漸凝聚, 形成彈狀流、攪混流、環(huán)狀流, 相界面密度變小, 相間曳力變小, 相間滑移速度增大, 管內(nèi)氣相體積分?jǐn)?shù)的增加速率變緩. 圖3(a)描述了煤油、水、水銀三種不同液體介質(zhì)時(shí), 提升立管內(nèi)氣相體積分?jǐn)?shù)隨氮?dú)饬髁康淖兓P(guān)系. 由圖3(a)可知, 煤油的氣相體積分?jǐn)?shù)最大, 水次之, 水銀最大. 說明在相同氣流量下,液體介質(zhì)密度越大, 氣液兩相間曳力越大、相滑移速度越小、管內(nèi)氣相體積分?jǐn)?shù)越小. 圖3(b)描述了當(dāng)氣體介質(zhì)為氮?dú)狻⒖諝?、氬氣?lái)提升液體水時(shí),提升立管內(nèi)氣相體積分?jǐn)?shù)隨氣流量的變化. 由圖3(b)可知, 在低充氣量下, 提升管內(nèi)三種不同氣體介質(zhì)下的氣相體積分?jǐn)?shù)相差不大, 然而當(dāng)充氣量超過1.6327 m3/h時(shí), 管內(nèi)氣相體積分?jǐn)?shù)發(fā)生較大差異, 氮?dú)鈿庀囿w積分?jǐn)?shù)最大, 而氬氣最小. 說明在相同氣流量下氣體介質(zhì)密度越大, 相間曳力越大、相滑移速度越小、管內(nèi)氣相體積分?jǐn)?shù)越小.

圖3 提升管內(nèi)氣相體積分?jǐn)?shù)隨充氣量的變化(a) 不同液體介質(zhì); (b) 不同氣體介質(zhì)Fig. 3. Change of gas volume fraction with gas volume flow rate in lifting pipe: (a) Different liquid mediums; (b) different gas mediums.

4.2 液體提升過程隨時(shí)間演變規(guī)律

氣力提升系統(tǒng)依靠向提升管內(nèi)注入壓縮氣體產(chǎn)生提升壓頭, 使提升段內(nèi)液體流動(dòng), 產(chǎn)生流量.圖4反映了不同液體介質(zhì)和氣體介質(zhì)下, 當(dāng)充入氮?dú)饬繛?.0816 m3/h時(shí), 提升液體流量QL隨時(shí)間t的變化. 圖5描繪了當(dāng)充入氮?dú)饬繛?.0816 m3/h時(shí)液態(tài)水提升過程的相位圖. 圖5中, 初始時(shí)刻提升管內(nèi)液體液位與蓄水池液位持平, 氣體經(jīng)噴嘴注入到提升管段, 氣泡在液體中上升, 0—0.4 s 管內(nèi)小氣泡立刻聚集, 形成彈狀氣泡, 提升管內(nèi)液體出現(xiàn)流動(dòng), 此時(shí)并未有液體從出口處排出, 0.9 s時(shí)刻當(dāng)彈狀氣泡聚集足夠大時(shí), 管內(nèi)又重新開始聚集新的彈狀氣泡. 初始時(shí)間段內(nèi)因管內(nèi)氣量較少, 液柱較重, 氣體從提升管下側(cè)逸出, 隨著時(shí)間推移, 提升管內(nèi)氣體體積分?jǐn)?shù)逐漸增大, 提升管內(nèi)形成氣體通道, 氣體不再向外逸出. 由圖4可看出, 1.5 s左右液體逐漸從提升管內(nèi)排出. 之后, 由圖5可知,管內(nèi)氣體占比越來(lái)越多, 在1.4—4.4 s提升管內(nèi)主要為彈狀流與攪混流, 10 s之后提升管氣泡逐漸連通, 流型逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榄h(huán)狀流.

圖4 提升液體流量隨時(shí)間的變化(a) 不同液體介質(zhì);(b) 不同氣體介質(zhì)Fig. 4. Change of liquid volume flow rate with time: (a) Different liquid mediums; (b) different gas mediums.

圖5 液體提升過程相位圖Fig. 5. Phase diagram of liquid lifting process.

4.3 提升液體體積流量變化趨勢(shì)

圖6 為提升系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí), 不同液體介質(zhì)和氣體介質(zhì)下, 液體提升流量QL隨氣流量QG的變化關(guān)系圖. 由圖6(a)可知, 氮?dú)?水銀, 氮?dú)?水, 氮?dú)?煤油三種不同工況下, 提升液體流量隨充氣量的增加先迅速升高, 當(dāng)氣流量為 3.2653 m3/h時(shí), 水銀提升流量達(dá)到峰值, 當(dāng)充氣量為4 m3/h附近時(shí),煤油及水提升流量達(dá)到峰值, 這是因?yàn)? 隨著充氣量的繼續(xù)增加, 提升管內(nèi)混合相密度越來(lái)越小, 蓄水池與提升管間的驅(qū)動(dòng)力增大, 提升液體流量就越多. 繼續(xù)增大充氣量, 整個(gè)提升管內(nèi)氣相份額變大,液相份額變小, 提升流量小幅度緩慢下降. 同一充氣量下, 水銀提升流量最大, 水次之, 煤油最小, 結(jié)合圖7(a)不同液體介質(zhì)提升管內(nèi)總壓降p隨充氣量QG變化圖, 反映出液體密度越大, 提升管進(jìn)出口總壓降越大, 則越易提升液體, 提升流量越大.

由圖6(b) 可知, 氮?dú)?水, 空氣-水, 氬氣-水三種不同工況下, 氣流量較低時(shí), 向提升管內(nèi)水中充入不同密度的氣體對(duì)提升液體流量的影響不大, 當(dāng)充氣量大于0.8 m3/h時(shí), 三種氣體提升的液體流量產(chǎn)生較大差異, 氬氣提升流量最大, 空氣次之,氮?dú)庾钚? 由圖7(b)不同氣體介質(zhì)提升管內(nèi)總壓降p隨充氣量QG變化圖可知, 氬氣提升水提升管內(nèi)總壓降最大, 則其驅(qū)動(dòng)力最大, 氮?dú)庾钚? 驅(qū)動(dòng)力最小. 說明氣力提升系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)氣體密度越大,液體越易提升.

圖7 提升管總壓降隨充氣量的變化(a) 不同液體介質(zhì);(b) 不同氣體介質(zhì)Fig. 7. Change of total pressure drop with gas volume flow rate in lifting pipe: (a) Different liquid mediums; (b) different gas mediums.

4.4 提升液體速度變化趨勢(shì)

圖8 為系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)不同液體和氣體介質(zhì)下, 氣流量由低到高過程中提升管出口處提升液體速度沿徑向分布圖. 由圖8(a)可知, 氮?dú)?水銀、氮?dú)?水、氮?dú)?煤油三種不同工況下, 管軸中心附近的液體速度較大, 管壁附近的液體速度較小. 這是因?yàn)閲娮煳挥诠茌S中心, 致使氣流量推動(dòng)管軸中心液體向上流動(dòng), 而管壁是靜止?fàn)顟B(tài), 故引起管軸中心液體速度最大, 管壁最小. 當(dāng)充氣量小于0.8163 m3/h時(shí)三種液體出口速度相當(dāng); 充氣量大于0.8163 m3/h時(shí)三種液體速度差異變大, 隨著氣流量增大, 提升管出口處三種液體的速度整體升高, 且徑向速度出現(xiàn)較大波動(dòng), 由圖6可知, 此現(xiàn)象是因?yàn)樵诘统錃饬肯? 不同液體對(duì)提升流量影響較小, 進(jìn)而提升管出口斷面提升液體速度相當(dāng), 隨充氣量的增大,不同液體間提升流量差值增大, 徑向速度差值增大. 由圖8(b)可知, 三種不同氣體氮?dú)?、空氣、氬氣提升液體水時(shí), 管軸中心附近的液體速度較大, 管壁附近的液體速度較小. 當(dāng)充氣量低于2.4490 m3/h時(shí), 提升管出口處, 三種氣體提升的液體速度相當(dāng), 當(dāng)充氣量大于 2.4490 m3/h時(shí), 三種氣體提升的液體速度差異變大, 隨著氣流量增大, 液體速度整體趨勢(shì)增大, 且三種不同氣體提升液體的徑向速度出現(xiàn)波動(dòng), 惰性氣體氮?dú)?、氬氣提升液體的速度增長(zhǎng)幅度高于空氣.

圖8 不同充氣量下提升管出口處液體速度徑向分布(a) 不同液體介質(zhì); (b) 不同氣體介質(zhì)Fig. 8. Liquid radial velocity at lifting pipe outlet under different gas volume flow rates: (a) Different liquid mediums; (b) different gas mediums.

4.5 提升效率變化趨勢(shì)

圖9 描述了不同液體介質(zhì)和不同氣體介質(zhì)氣力提升系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí), 液體提升效率h隨充入氣體質(zhì)量流量mG的變化趨勢(shì). 圖9(a)為氮?dú)?煤油、氮?dú)?水、氮?dú)?水銀三種工況下氣力提升效率變化圖,由于煤油、水與水銀密度差值較大, 故將其放大圖置于該圖右上角. 由圖9(a)可知, 三種液體介質(zhì)下, 提升效率均先升高后降低, 這是因?yàn)? 隨著提升管內(nèi)流型逐漸由泡狀流過渡到彈狀流, 氣相體積分?jǐn)?shù)越來(lái)越大, 液體提升量迅速升高, 提升效率增加, 后隨著充氣量不斷增大, 提升管內(nèi)液體提升速度變緩, 提升效率逐漸降低. 當(dāng)液體介質(zhì)為水銀時(shí),提升效率明顯大于液體介質(zhì)為水和煤油, 說明液體密度越高, 提升效率越大. 圖9(b)為氮?dú)?水、空氣-水、氬氣-水三種工況下氣力提升效率變化圖,由圖9(b)可知, 三種氣體介質(zhì)下, 提升效率均先升高后降低, 但效率數(shù)值接近, 當(dāng)氣體質(zhì)量流量mG分別為 0.4865, 0.5237 和 0.4625 kg/h時(shí), 氮?dú)?水、空氣-水、氬氣-水效率達(dá)到峰值, 其中氮?dú)?水氣力提升系統(tǒng)效率峰值點(diǎn)最高, 氬氣-水最低, 這主要因?yàn)橄嗤瑲怏w體積流量下, 氣體介質(zhì)密度不同, 氣體質(zhì)量流量不同, 故計(jì)算提升效率時(shí)氣體密度越小, 對(duì)其效率影響越大, 計(jì)算結(jié)果反而越大.隨充氣量的增大, 空氣-水氣力提升系統(tǒng)提升效率逐漸超過氮?dú)?水, 繼續(xù)增大充氣量, 氬氣-水氣力提升系統(tǒng)的效率反超空氣-水、氮?dú)?水, 此后, 氬氣-水提升效率最大, 氮?dú)?水最小. 氣體介質(zhì)為氮?dú)鈺r(shí)提升效率峰值點(diǎn)最大, 空氣次之, 氬氣最小,說明氣體介質(zhì)密度越大, 提升效率峰值點(diǎn)越小.

圖9 提升液體效率隨充氣量的人變化(a) 不同液體介質(zhì); (b) 不同氣體介質(zhì)Fig. 9. Change of lifting efficiency with gas mass flow rate:(a) Different liquid mediums; (b) different gas mediums.

5 總結(jié)

本文通過Fluent軟件對(duì)浸沒比為0.5, 提升管徑為30 mm, 在常溫常壓下三種不同液體介質(zhì)氮?dú)?水、氮?dú)?水銀、氮?dú)?煤油與三種不同氣體介質(zhì)氮?dú)?水、空氣-水、氬氣-水的氣力提升系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)值模擬, 探討介質(zhì)密度對(duì)氣力提升系統(tǒng)提升性能影響, 結(jié)論如下:

1)同一介質(zhì)下, 提升管內(nèi)氣相體積分?jǐn)?shù)隨充氣量的升高先快速增加后增加速率變緩. 在相同氣流量下, 液體介質(zhì)密度越大, 氣體介質(zhì)密度越大,管內(nèi)氣相體積分?jǐn)?shù)越小;

2)同一介質(zhì)下, 液體提升流量隨注氣量的增加先快速增多, 后增加緩慢, 到達(dá)最大值后又緩慢下降. 同一充氣量下, 液體提升流量隨液體密度和氣體密度的增大而增大;

3)提升管出口處提升液體徑向速度隨氣體充入量的不斷增加而整體波動(dòng)升高, 最終管軸中心附近液體速度較大, 管壁附近液體速度較小;

4)同一介質(zhì)下, 隨著充氣量的增加, 提升效率先顯著增加到達(dá)峰值后又降低; 同一充氣量下, 液體介質(zhì)密度越大, 提升效率越高; 氣體介質(zhì)密度越小, 提升效率峰值點(diǎn)越高.