文 豪

（西安石油大學(xué)，機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710065）

煤層氣，又稱煤層瓦斯。我國的煤儲(chǔ)層具有壓力高、孔隙小、低滲透性及高吸附性的特點(diǎn)，使得大多數(shù)煤層氣井表現(xiàn)為產(chǎn)氣量低、產(chǎn)氣時(shí)間短的現(xiàn)狀[1-2]。利用高壓水射流切割煤層技術(shù)在現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用已經(jīng)比較成熟，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用較為廣泛[3]。李曉紅等就提高煤層氣采收率這一問題，提出了通過水射流產(chǎn)生空化效應(yīng)形成聲場(chǎng)來促進(jìn)解吸的方法[4]。葛兆龍等研究發(fā)現(xiàn)煤樣中氣體經(jīng)過空化聲場(chǎng)處理后的解吸時(shí)間明顯減少，滲流速度明顯增大[5]。

G Peng等[6]通過數(shù)值分析，發(fā)現(xiàn)空化發(fā)生在噴管喉部入口處，氣泡云沿邊界層向下游流動(dòng)時(shí)膨脹發(fā)展。國內(nèi)學(xué)者在此基礎(chǔ)上通過建立噴嘴模型進(jìn)行數(shù)值模擬以及試驗(yàn)的方法研究了不同噴嘴結(jié)構(gòu)[7]，不同空化模型[8]對(duì)空化性能的影響關(guān)系，以及不同壓力比值條件下,空化數(shù)、流量系數(shù)、含氣率和氣相質(zhì)量交換率變化及分布情況[9]。

1 空化數(shù)值模擬方法

1.1 數(shù)學(xué)模型建立

本次模擬采用Mixture模型[10]。

1） 連續(xù)性方程

式中：t為時(shí)間，s；ρm為混合密度，kg/m3；νm為質(zhì)量平均速度，m/s；ρk為第k相密度，kg/m3；m為由于空穴或者用戶自定義的質(zhì)量源產(chǎn)生的質(zhì)量傳遞，kg；αk為第k的體積分?jǐn)?shù)，通常來說設(shè)水為第一相，水蒸氣為第二相。

2） 能量方程

式中：keff為有效熱傳導(dǎo)率；SE為包含全部的體積熱源。

第二相p相對(duì)于主相q存在的滑移速度vqp為：

第二相p體積分?jǐn)?shù)方程為：

1.2 幾何模型建立

本文以赫姆霍茲空化噴嘴為基礎(chǔ)進(jìn)行模型建立，自激脈沖噴嘴由自激腔體、上噴嘴、下噴嘴及碰撞壁組成。由于噴嘴的結(jié)構(gòu)為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，所以在進(jìn)行模型建立的時(shí)候，僅僅對(duì)上半部分進(jìn)行建模即可。另外在此基礎(chǔ)上，不同的區(qū)域?qū)鹊囊蟛煌?，因此?duì)入口段以及近壁面等部位進(jìn)行網(wǎng)格加密。模型建立及網(wǎng)格劃分如圖1所示。

圖1 模型建立及網(wǎng)格劃分Fig.1 Model establishment and mesh division

2 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

2.1 入口流速對(duì)空化性能的影響

入口流速是影響空化產(chǎn)生的重要因素之一，它的大小直接影響到振蕩腔內(nèi)剪切層的強(qiáng)度及穩(wěn)定性。分別對(duì)上噴嘴入口流速V=25m/s、V=30m/s 、V=35m/s、V=40m/s、V=45m/s、V=50m/s、V=55m/s、V=60m/s進(jìn)行8組模擬，對(duì)比各個(gè)流速下水蒸氣體積分?jǐn)?shù)折線圖。見圖2。

圖2 不同入口流速下水蒸氣體積分?jǐn)?shù)變化Fig.2 Variation of water vapor volume fraction at different inlet flow rates

由圖2中看出，當(dāng)入口流速較低時(shí)難以產(chǎn)生有效的氣相區(qū)域，且氣相區(qū)不易擴(kuò)散，主要集中在下噴嘴靠近碰撞壁面，隨著流速的不斷增大振蕩腔內(nèi)產(chǎn)生的空化效果增強(qiáng)，氣相區(qū)開始向振蕩腔內(nèi)擴(kuò)散。當(dāng)入口流速達(dá)到40m/s時(shí)，空化能力顯著增強(qiáng)，且在振蕩腔內(nèi)能夠產(chǎn)生理想的氣相區(qū)域，隨著入口流速的繼續(xù)增大，氣相區(qū)域擴(kuò)張的速度放緩，并慢慢趨于穩(wěn)定。

2.2 出口圍壓對(duì)空化性能的影響

出口圍壓設(shè)置為0MPa、0.05MPa、0.1MPa、0.15MPa、0.2MPa、0.25MPa進(jìn)行6個(gè)工況下的模擬，同時(shí)對(duì)比入口流速為45m/s、50m/s、55m/s三個(gè)流速下的空化性能并繪制水蒸氣體積分?jǐn)?shù)折線圖。見圖3。

圖3 不同圍壓下各入口流速水蒸氣體積分?jǐn)?shù)變化Fig.3 Variation of water vapor volume fraction at each inlet flow velocity under different confining pressures

由圖3中看出，當(dāng)圍壓為0時(shí)的空化能力最強(qiáng)，隨著出口圍壓的不斷增大，空化能力降低，當(dāng)圍壓達(dá)到0.25MPa時(shí)，三種入口流速下均難以產(chǎn)生有效空化。在入口流速為45m/s時(shí)，圍壓從0.05MPa提高到0.1MPa時(shí)抑制能力瞬間變大，而在入口流速為50m/s和55m/s時(shí)，抑制能力瞬間變大是在圍壓從0.05MPa提高到0.1MPa時(shí)，對(duì)比三種流速，可以看出適當(dāng)?shù)奶岣呷肟诹魉倏梢越档统隹趪鷫簩?duì)振蕩腔空化能力的抑制作用。

3 結(jié)論

1）在對(duì)入口流速進(jìn)行數(shù)值模擬的情況下發(fā)現(xiàn)，隨著入口流速的增大，空化能力不斷提高，在入口流速為40m/s時(shí)空化能力瞬間增強(qiáng)，繼續(xù)增大流速，空化性能變化不大，因此得出最佳入口流速為40m/s。

2）通過對(duì)出口圍壓的模擬發(fā)現(xiàn)，隨著出口圍壓的增大空化效果不斷降低直至無法產(chǎn)生空化，當(dāng)適當(dāng)提高入口流速時(shí)，圍壓的抑制效果將被漸弱。