趙佳樂，任連城，金 鑫，邱正陽，謝 帥 ，魏長吉，曾繁榮，蔡少輝

(1.重慶科技學(xué)院，重慶 401331； 2.中國石油化工股份有限公司 臨汾煤層氣分公司，山西 臨汾 041000)

引射器作為一種流體負壓抽吸裝置，由于其結(jié)構(gòu)簡單，無運動構(gòu)件，以及低能耗等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用。在天然氣開采過程中，各氣井之間存在明顯的壓力不均，集輸管匯在高壓氣井的作用下，其壓力值高于串聯(lián)低壓氣井的壓力，抑制了低壓井產(chǎn)氣。為解決上述問題，本文擬將引射器的抽吸原理應(yīng)用于低壓天然氣井的輔助采氣，并提出了一種旋流式天然氣引產(chǎn)工藝，利用高壓井天然氣對低壓井進行引產(chǎn)作業(yè)。該裝置采用以氣引氣的方式，在增加產(chǎn)氣量的同時降低了開采成本，具有非常高的經(jīng)濟價值。為了提高引射器的引射性能，廖達雄等人采用試驗的方式探究了常規(guī)圓錐噴嘴和增強混合噴嘴對引射性能的影響規(guī)律[1]。王海渠等人采用試驗的方法探究了不同面積比下有旋引射器和無旋引射器的工作性能差異[2-3]。王紅霞采用數(shù)值模擬的方法分析了工況參數(shù)及結(jié)構(gòu)參數(shù)對引射器引射性能的影響規(guī)律[4]。陳偉雄等采用試驗的方式探究了喉嘴距對噴射器性能影響規(guī)律[5]。熊至宜等采用數(shù)值模擬的方法，研究了低壓氣井排水采氣噴射器工作性能[6]；劉雙全等對低壓天然氣井高效開采噴射引流技術(shù)進行了深入的探究[7]。

本文將通過流場分析軟件對旋流式引射器的內(nèi)部流場進行模擬和分析。由于影響引射器性能的因素有很多，包括工況參數(shù)的影響，以及結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響。本文將重點討論旋流式引射器中螺旋葉片結(jié)構(gòu)參數(shù)對引射性能的影響規(guī)律。

1 數(shù)值模型

1.1 幾何模型建立

圖1為有旋引射器的整體結(jié)構(gòu)，主要由高壓入射直管、引射管、螺旋葉片、引射腔、噴嘴、喉管、擴散管組成。其工作原理為：高壓天然氣通過螺旋葉片及噴嘴形成高速柱狀螺旋流，使得引射腔內(nèi)的壓力降低，使被引氣體被卷吸入引射腔內(nèi)，這兩部分氣體發(fā)生質(zhì)量、動量及能量的交換。在喉管中充分混合后經(jīng)擴散管排出。其結(jié)構(gòu)尺寸如表1所示。

圖1 引射器結(jié)構(gòu)

表1 引射器流道結(jié)構(gòu)尺寸 mm

1.2 數(shù)值模型建立

采用專用軟件對流道進行網(wǎng)格劃分，為了保證計算結(jié)果的準確性，需要對網(wǎng)格數(shù)量進行無關(guān)性驗證，驗證結(jié)果如圖2所示。當網(wǎng)格數(shù)目增長至49 000之后，進一步增加網(wǎng)格數(shù)目，出口速度值趨于平緩。因此，后續(xù)數(shù)值模擬的網(wǎng)格數(shù)目設(shè)置為49 000，網(wǎng)格模型如圖3所示。

圖2 網(wǎng)格無關(guān)性驗證結(jié)果

圖3 引射器網(wǎng)格劃分

數(shù)值模擬計算中，采用流場模擬軟件作為求解器，選取壓力與速度耦合的方式進行求解，質(zhì)量、動量和能量控制方程的離散采用軟件默認格式，計算收斂條件為殘差值小于1×10-6。工作流體和引射流體都設(shè)置為甲烷理想氣體。邊界條件：工作流體和引射流體均設(shè)置為壓力進口，噴射器出口設(shè)置壓力出口，壁面選擇無滑移絕熱壁面。

1.3 模型驗證

為驗證數(shù)值模型的正確性，利用上述模擬方法及文獻[2]中的工況參數(shù)對文獻[2]的引射器結(jié)構(gòu)進行模擬。圖4為模擬數(shù)據(jù)與文獻[2]試驗數(shù)據(jù)的對比結(jié)果。從圖4中可以看出，數(shù)值模擬結(jié)果與試驗結(jié)果變化趨勢相同，且數(shù)據(jù)之間差異較小。說明本次建立的數(shù)值模型能夠準確反映引射器的內(nèi)部流場分布，其模擬結(jié)果是準確可靠的。

圖4 數(shù)值模型驗證結(jié)果

2 有旋引射器內(nèi)部流場特性分析

將有旋引射器的螺旋葉片布置在噴嘴入射前的直線軸段，數(shù)量為3，設(shè)置工作壓力201.3 kPa，引射壓力101.3 kPa，出口背壓130.0 kPa，計算得出有旋引射器的內(nèi)部流場分布，如圖5所示。從圖5c中可以看出，有旋引射器在工作過程中，其工作區(qū)域可以劃分為4個：

1) 起始區(qū)域。為噴嘴所在軸段，該軸段包含了螺旋葉片。引射器工作時，高壓流體流經(jīng)葉片，螺旋加速形成一定強度的螺旋流后進入噴嘴收縮段，在噴嘴節(jié)流降壓作用下使得出口速度大幅提高。在此區(qū)域內(nèi)，流體的壓力能先后轉(zhuǎn)化成為了周向的動能(螺旋流)以及軸向的動能。

2) 引射腔所在軸段。主要為噴嘴與喉管之間的間隙。經(jīng)螺旋葉片和噴嘴組合加速后的螺旋流從噴嘴高速流出，其通流面積瞬間擴大，壓力進一步衰減，速度再次提高，此時引射腔內(nèi)的壓力值小于引射口壓力，故引射口的流體將會被吸入引射腔內(nèi)，以高速螺旋流流出噴口后呈發(fā)散狀態(tài)，極大地增加了工作流體的卷吸能力。

3) 混合腔所在軸段。卷吸進來的被吸流體與工作流體相融合，流體的動能將再次轉(zhuǎn)化成壓力能。從圖5a和圖5b可以看出，引射器喉管段沿流動方向的速度在衰減，壓力在升高。

4) 擴散管所在軸段。該軸段主要起著連接喉管與輸出管匯的作用，其次還能實現(xiàn)動能到壓力能的轉(zhuǎn)化，使引射器出口壓力始終高于管匯背壓。

a 有旋引射器速度分布云圖

b 有旋引射器壓力分布云圖

c 有旋引射器軸線上壓力及速度分布規(guī)律

3 螺旋葉片結(jié)構(gòu)參數(shù)對引射性能的影響

為了量化有旋引射器的引射性能，引用了引射系數(shù)這個概念，表征單位時間內(nèi)，單位質(zhì)量的工作流體能夠引射的被引流體的量[8]。本文以引射系數(shù)作為引射器性能的主要評價指標，將對引射器中螺旋葉片的結(jié)構(gòu)參數(shù)對引射性能影響展開研究。

3.1 螺旋葉片數(shù)量對引射性能的影響

保持有旋引射器邊界條件不變，借鑒前人的經(jīng)驗，初步將螺旋葉片截面的形狀定為4 mm×10 mm的矩形；螺旋葉片軸向長度為100 mm；螺旋葉片導(dǎo)程為300 mm[3，9-10]。在此基礎(chǔ)上探究并得出螺旋葉片數(shù)量對引射性能的影響曲線，如圖6～7所示。隨著螺旋葉片數(shù)量的增加，引射系數(shù)呈現(xiàn)出先增后趨于平穩(wěn)的趨勢，從圖6的速度變化曲線和圖8的湍動能云圖及速度變化云圖可以看出，螺旋葉片數(shù)量的增加具有一定的旋流加速效果，而流體流出噴口的速度上升必然導(dǎo)致引射腔內(nèi)的壓力降低，進而使得引射器卷吸能力增強、引射系數(shù)提高。繼續(xù)增加螺旋葉片數(shù)量，從圖6及圖8b中的速度云圖可以看出速度不再有明顯增加，引射系數(shù)也趨于穩(wěn)定。從圖8a的湍動能云圖可以看出，螺旋葉片數(shù)量為3時，湍動能最大，混合效果最好，引射系數(shù)出現(xiàn)峰值。超過該值后，湍動能開始衰減，混合效果減弱，進而造成引射系數(shù)降低。

圖6 螺旋葉片數(shù)量對引射性能及最大速度影響曲線

圖7 螺旋葉片數(shù)量對軸線上速度影響曲線

從圖7的軸線速度變化曲線可以看出，在引射器的混合段的速度值以3-4-2(螺旋葉片數(shù)量)趨勢遞減，可見在喉管至出口段，螺旋葉片數(shù)量為3時，速度最大，壓力最低，引射效果最好。

a 湍動能云圖

b 速度云圖

3.2 螺旋葉片導(dǎo)程對引射性能的影響

在上述研究的基礎(chǔ)上，采用3葉片引射器作為后續(xù)研究的基礎(chǔ)，在保證引射器結(jié)構(gòu)參數(shù)和工況參數(shù)不變的情況下，只改變螺旋葉片導(dǎo)程值，得到螺旋葉片導(dǎo)程對引射性能的影響規(guī)律，如圖9所示。

圖9 螺旋葉片導(dǎo)程對引射性能及引射器最大速度影響曲線

隨著螺旋葉片導(dǎo)程值的增加，引射系數(shù)呈現(xiàn)先增后減再趨于平穩(wěn)的變化趨勢。導(dǎo)程過小時，流動過程的能量損失大，噴嘴的引射性能不好；導(dǎo)程過大時，旋流強度小，引射性能也較差[8]。如圖9的速度變化曲線可以發(fā)現(xiàn)，螺旋葉片的旋流加速作用隨著葉片導(dǎo)程的增加逐漸發(fā)育起來，從圖10的湍動能云圖可以看出湍動能峰值出現(xiàn)在200 mm導(dǎo)程位置，該值對應(yīng)圖9中最大速度以及引射系數(shù)曲線的拐點位置。以引射系數(shù)取得最大值為標準對螺旋葉片導(dǎo)程值進行優(yōu)化，確定螺旋葉片導(dǎo)程最優(yōu)值為200 mm。

圖10 不同螺旋葉片導(dǎo)程下的湍動能云圖

3.3 螺旋葉片徑向厚度對引射性能的影響

圖11為不同螺旋葉片徑向厚度(10、15、20、25、30 mm)，在工作壓力201.3 kPa，引射壓力101.3 kPa，出口背壓130.0 kPa下有旋引射器的引射系數(shù)和最大速度的變化曲線。從圖11可以看出，隨著螺旋葉片徑向厚度值的增加，引射系數(shù)值呈先增后減的變化趨勢。

圖11 螺旋葉片厚度對引射系數(shù)及 引射器最大速度影響曲線

從圖11的速度曲線可以看出，隨著徑向厚度值的增加，有旋引射器的最大速度先增加后平穩(wěn)，可見徑向厚度值的增加導(dǎo)致的速度波動對引射系數(shù)并未造成直接影響。通過圖12的速度云圖和湍動能可以看出，隨著螺旋葉片徑向厚度值的增加，引射器射流核心區(qū)域長度在徑向厚度值為10 mm和15 mm時沒出現(xiàn)明顯變化，當徑向厚度值大于15 mm后，射流核心區(qū)域的長度逐漸減小，并且螺旋葉片徑向厚度值越大。其旋流強度越強，由于旋流離心力的作用，射流核心區(qū)域尾部的發(fā)散現(xiàn)象逐漸變得嚴重，而射流核心區(qū)域縮短將導(dǎo)致工作流體與被吸流體的混合效果變差，進而引起引射性能下降。

a 速度云圖 b 湍動能云圖

3.4 變工況參數(shù)對引射性能的影響

通過前面對螺旋葉片數(shù)量、導(dǎo)程以及徑向厚度3個結(jié)構(gòu)參數(shù)進行模擬發(fā)現(xiàn)，3個結(jié)構(gòu)參數(shù)的改變對有旋引射器的引射性能并沒有較大的改變。為進一步確定有旋引射器的有效適用范圍。在上述研究的基礎(chǔ)上(螺旋葉片數(shù)量3，導(dǎo)程200 mm，徑向厚度20 mm)，改變有旋引射器的工況參數(shù)對其進一步研究，得到圖13的變化曲線。由圖13可以看出，引射系數(shù)值隨高壓入口壓力值的變化呈現(xiàn)出先增后趨于平緩的趨勢。原因在于，高壓入口壓力由小逐漸增加時，從圖14的速度分布云圖可以看出，其對應(yīng)的速度值在逐漸增加，因此引射系數(shù)同樣為增長趨勢，而高壓入口壓力值達到221 kPa以后，從圖14的速度變化云圖可以看出，引射核心區(qū)域已經(jīng)延伸至擴散管處，高速流體在擴散管處將不利于擴散管降速增壓作用的發(fā)揮，最終導(dǎo)致擴散管出口壓力與管匯壓力之間的壓差較小，進而引起引射系數(shù)增長趨勢衰減，但引射系數(shù)仍然存在緩慢增加。最終在高壓入口壓力為281.3 kPa時引射系數(shù)取得最大值0.558。

圖13 高壓入口壓力變化對引射系數(shù)的影響曲線

圖14 不同高壓入口壓力下的速度云圖

4 結(jié)論

1) 以引射系數(shù)作為判斷旋流式引射器性能的一個重要指標，采用數(shù)值模擬方法對旋流式引射器的結(jié)構(gòu)參數(shù)及內(nèi)部流場進行了分析。

2) 在給定的工況參數(shù)下，3葉片的旋流式引射器引射效果最好，最大引射系數(shù)值為0.431。螺旋葉片導(dǎo)程為200 mm時，引射系數(shù)達到峰值0.433。螺旋葉片徑向厚度值為20 mm時引射系數(shù)達到最佳值0.436。

3) 在給定的工況參數(shù)下，改變有旋引射器螺旋葉片的結(jié)構(gòu)參數(shù)對引射系數(shù)的影響并不大。改變高壓入口壓力值對有旋引射器的引射性能存在較大的影響，最終分析得出，高壓入口壓力值在221.3～281.3 kPa時，引射系數(shù)較好，其中高壓入口壓力值為281.3 kPa時，引射系數(shù)達到最大值0.558。

4) 螺旋葉片數(shù)量、導(dǎo)程以及徑向厚度值對有旋引射器的旋流強度存在直接影響，增加螺旋葉片數(shù)量、導(dǎo)程以及徑向厚度值具有強化旋流強度的作用。但螺旋葉片數(shù)量過多，導(dǎo)程值和徑向厚度值過大或者過小都將導(dǎo)致流動過程的能量損失增大，進而造成引射系數(shù)降低。