時(shí)鳳霞，趙健，孫曉光，尹海亮

(1.中國(guó)石油大學(xué)勝利學(xué)院油氣工程學(xué)院，山東東營(yíng)，257061；2.中國(guó)石油大學(xué)(華東)東營(yíng)科學(xué)技術(shù)研究院，山東東營(yíng)，257061；3.中石油煤層氣有限責(zé)任公司忻州分公司，山西太原，030000)

油管是油氣資源開(kāi)采必不可少裝備之一，在油氣開(kāi)采過(guò)程中起著非常重要的作用，用量多，成本高。油田經(jīng)過(guò)一段時(shí)間開(kāi)發(fā)之后，油管在高溫高壓環(huán)境中容易形成污垢，如油垢、水垢、焦炭狀物質(zhì)和沉積物等，導(dǎo)致油管可流動(dòng)面積減小，流動(dòng)損耗增加，油氣開(kāi)采效率降低，甚至?xí)蛲耆氯鴮?dǎo)致停產(chǎn)，嚴(yán)重影響著油氣開(kāi)采的整體效益[1-2]。油管清洗技術(shù)可有效實(shí)現(xiàn)油管的重復(fù)再利用，已成為油田油管處理工藝中的重要環(huán)節(jié)，因此，高效油管清洗技術(shù)研究尤為重要。

高壓水射流技術(shù)以其高效和環(huán)保等優(yōu)勢(shì)，在破巖和清洗等方面的應(yīng)用較廣[3-4]，汪紅祥等[5]模擬研究高壓水射流沖擊損傷破巖和裂紋擴(kuò)展過(guò)程；ZHAO 等[6]研究高壓粒子水射流破巖機(jī)理和影響參數(shù)；郭琦等[7]利用高壓水射流清洗技術(shù)對(duì)涂層及不同硬度工件進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，得到工件涂層去除及表面粗糙度變化情況；魯軍波等[8]基于水射流分布特征和清洗機(jī)理，提出入射角、壓力、噴嘴、靶距和平移速度等參數(shù)選擇方法。而高壓水射流技術(shù)因其工作壓力較高，極易引發(fā)安全事故，而空化射流更安全和節(jié)能[9-10]，因此，近年來(lái)在清洗去污、水處理和油氣工程等領(lǐng)域研究空化射流技術(shù)較多，麻斌等[11-12]基于空化理論提出一種針對(duì)噴嘴孔內(nèi)空化模型，并對(duì)空化模型進(jìn)行可視化試驗(yàn)驗(yàn)證；汪朝暉等[13-16]考慮剪切力和湍動(dòng)能產(chǎn)生的壓力脈動(dòng)等因素對(duì)空化影響，提出修正空化模型；管金發(fā)等[17-20]利用Fluent 軟件對(duì)角型噴嘴內(nèi)部空化射流流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，驗(yàn)證角型空化噴嘴模型的優(yōu)越性?？栈淞鳟a(chǎn)生的氣泡在破滅瞬時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大能量，清洗效果較好，但是對(duì)空化射流發(fā)生噴嘴結(jié)構(gòu)要求較高，而且自發(fā)空化會(huì)耗費(fèi)部分射流能量，影響清洗效果。

因此，本文作者開(kāi)展氣液兩相射流表面清洗研究，將氣體加入到水射流中，利用VOF 模型(volume of fluent model)模擬研究氣液兩相流的流場(chǎng)特性和射流參數(shù)對(duì)清洗效果的影響規(guī)律，并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，研究結(jié)果為兩相射流清洗技術(shù)的推廣應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。

1 數(shù)值模型建立

VOF 模型是在兩相或多相流體互不相溶前提下，建立在固定歐拉網(wǎng)格下的表面跟蹤方法，不同流體組分共用一套動(dòng)量方程，通過(guò)相體積分?jǐn)?shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)計(jì)算單元相界面的追蹤。在每個(gè)控制容積內(nèi)，所有相體積分?jǐn)?shù)總和為1。為研究氣液兩相射流流場(chǎng)變化，采用Fluent 中的VOF 模型進(jìn)行數(shù)值模擬，選擇水為液相，空氣為氣相。

1.1 控制方程

流體運(yùn)動(dòng)過(guò)程遵循連續(xù)性方程、能量方程和動(dòng)量方程[21-24]。

1)連續(xù)性方程

式中：u為速度矢量；ρ為流體密度；t為時(shí)間。

2)能量方程

在本文氣液兩相射流模擬研究中，能量交換較少，可暫不考慮。

3)動(dòng)量方程

式中：p為壓力；μ為流體黏度；g為重力體積力；F為外部體積力。

4)體積分?jǐn)?shù)方程

對(duì)第q相：

主相的體積分?jǐn)?shù)計(jì)算基于以下約束：

式中：αq為第q相流體體積分?jǐn)?shù)；sαq為質(zhì)量源項(xiàng)。

流體流動(dòng)選擇湍流模型中的k-ε標(biāo)準(zhǔn)模型[25-26]：

式中：x為張量形式的空間坐標(biāo)；k為湍動(dòng)能；Gk為平均速度梯度引起的湍動(dòng)能的產(chǎn)生項(xiàng)；σk為k方程的湍流普朗特?cái)?shù)，取1.0；ε為湍動(dòng)耗散率；μt=Cμ ρk2/ε，為湍動(dòng)黏度；C1ε，C2ε，Cμ和σε為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。

1.2 物理模型及網(wǎng)格劃分

根據(jù)水射流清洗現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)，建立氣液兩相射流表面清洗物理模型，如圖1(a)所示。本文主要研究氣液兩相射流表面清洗效果，將管道表面局部簡(jiǎn)化為平面。設(shè)定噴嘴直徑d為2 mm，噴嘴高度為h為4 mm，高壓管內(nèi)流道長(zhǎng)度為15 cm。利用Gambit 軟件建立氣液兩相流動(dòng)幾何模型，并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格數(shù)為53 866，如圖1(b)所示。

圖1 氣液兩相射流沖擊物理模型及網(wǎng)格劃分模型Fig.1 Physical and meshing model of gas-liquid twophase jet impact

1.3 求解設(shè)置

采用VOF 模型，選擇顯式算法，瞬態(tài)流動(dòng)，基于壓力進(jìn)行求解。湍流模型選擇k-ε標(biāo)準(zhǔn)模型，近壁面選擇標(biāo)準(zhǔn)壁面方程，C1ε=1.44，C2ε=1.92，Cμ=0.09，σε=1.00。設(shè)定出口壓力為0，湍流參數(shù)選擇湍流強(qiáng)度為5%，湍流黏度比為10。

2 模擬過(guò)程及結(jié)果

2.1 氣液兩相射流與純水射流對(duì)比

氣體體積分?jǐn)?shù)為7.4%、噴射速度為265 m/s時(shí)(下同)，純水射流和氣液兩相流噴射效果對(duì)比如圖2所示，其中，氣體體積分?jǐn)?shù)為入口處氣體在射流中的體積分?jǐn)?shù)，噴射速度為噴嘴出口處速度。由圖2可見(jiàn)：純水射流產(chǎn)生的最大速度為330 m/s，氣液兩相流產(chǎn)生的最大速度為377 m/s(較純水射流提高14.2%)，當(dāng)氣體通過(guò)噴嘴時(shí)，產(chǎn)生的最大速度能達(dá)到1 060 m/s(較純水射流提高221%)，說(shuō)明氣液兩相流的噴射效果要遠(yuǎn)高于純水射流。當(dāng)液體中加入氣體后，在通過(guò)噴嘴時(shí)，速度增大，壓強(qiáng)降低，會(huì)在射流中產(chǎn)生一系列空泡，空泡不斷地經(jīng)歷膨脹、壓縮甚至潰滅的反復(fù)過(guò)程[27-29]，空泡潰滅對(duì)周圍流體會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)推動(dòng)力，使射流速度瞬時(shí)增大。

2.2 氣液兩相流流場(chǎng)

2.2.1 壓力場(chǎng)

氣液兩相射流壓力場(chǎng)分布如圖3所示。由圖3可見(jiàn)：氣液兩相射流從噴嘴噴出后，射流壓力逐漸降低，射流壓能逐漸轉(zhuǎn)換為氣液兩相射流動(dòng)能。在距離壁面約1/7噴距處，壓力開(kāi)始以球形向內(nèi)逐漸增大，在壁面駐點(diǎn)處達(dá)到極大值，此時(shí)射流沖擊到壁面速度降為零，射流的動(dòng)能全部轉(zhuǎn)換為壓能，與伯努利原理相符[30-31]。

流場(chǎng)內(nèi)最大壓力隨時(shí)間變化如圖4(a)所示。氣液兩相流體從入口開(kāi)始，最大壓力都維持在69 MPa左右，直到32.8 ms 時(shí)，有氣體通過(guò)噴嘴，最大壓力減小到52.5 MPa，之后到33.5 ms，當(dāng)氣體再次通過(guò)噴嘴時(shí)，最大壓力迅速減小到47.1 MPa，說(shuō)明流場(chǎng)內(nèi)氣體的存在，在噴嘴處形成空化作用，引起壓力減小。

圖2 氣體加入對(duì)射流速度的影響Fig.2 Influence of gas addition on jet velocity

圖3 氣液兩相射流流場(chǎng)分布Fig.3 Flow field distribution of gas-liquid two-phase jet

2.2.2 速度場(chǎng)

由圖3(c)可見(jiàn)：氣液兩相射流由噴嘴加速噴射后，速度迅速增大到最大值，并出現(xiàn)“等速核”形狀；從等速核逐漸向外擴(kuò)展，速度逐漸減低。流場(chǎng)內(nèi)最大速度隨時(shí)間變化如圖4(b)所示，氣液兩相流體從入口開(kāi)始，最大速度都維持在377 m/s，直到32.8 ms 時(shí)，氣泡通過(guò)噴嘴瞬時(shí)，速度增大到1 060 m/s，之后到33.5 ms，當(dāng)氣泡再次通過(guò)噴嘴時(shí)，最大速度增大到1 420 m/s，相比氣流未通過(guò)噴嘴時(shí)，速度增幅較大，說(shuō)明氣體加入后，空泡產(chǎn)生和潰滅對(duì)射流加速的增強(qiáng)作用，引起噴射速度突增。

2.2.3 氣體運(yùn)動(dòng)規(guī)律

氣液兩相射流中氣體的流動(dòng)規(guī)律如圖5所示。從圖5可見(jiàn)：隨著時(shí)間推移，氣體以段塞形式逐漸向噴嘴移動(dòng)，并且運(yùn)動(dòng)前緣氣體體積分?jǐn)?shù)高，越靠近后端氣體體積分?jǐn)?shù)越低；氣流間歇性通過(guò)噴嘴，形成氣液兩相射流。

3 影響因素分析

3.1 噴嘴錐度

噴嘴錐度(1.2～5.5)對(duì)流場(chǎng)內(nèi)最大速度和等速核長(zhǎng)度影響規(guī)律如圖6(a)所示。噴嘴錐度是指噴嘴收縮段進(jìn)口與出口兩底圓的直徑差與錐臺(tái)高度之比。同等條件下，隨噴嘴錐度增大，流場(chǎng)中最大速度近似于線性增加。噴嘴錐度越大，噴嘴收縮程度越大，射流從噴嘴入口到出口的匯聚性能增強(qiáng)[30]，因此，流場(chǎng)中的最大速度不斷增加。隨噴嘴錐度增大，噴嘴等速核長(zhǎng)度先增大后減小，噴嘴錐度為3.5時(shí)，射流等速核最長(zhǎng)。錐度較小時(shí)，隨著錐度增加，射流的匯聚性逐漸增加，因此等速核長(zhǎng)度逐漸增加。當(dāng)錐度超過(guò)3.5時(shí)，噴嘴收縮程度過(guò)高，流體開(kāi)始沖擊噴嘴表面，噴嘴對(duì)流體運(yùn)動(dòng)阻力顯著增大，造成大量射流能量損耗，因此，等速核長(zhǎng)度開(kāi)始減小。綜合考慮，噴嘴錐度為3.5時(shí)，噴射效果較好。

圖4 流場(chǎng)內(nèi)最大壓力和速度隨時(shí)間變化Fig.4 Variation of the maximum pressure and velocity in the flow field as a function of time

圖5 氣體兩相射流中氣體運(yùn)動(dòng)規(guī)律Fig.5 Law of gas movement of gas-liquid two-phase jet

3.2 氣體體積分?jǐn)?shù)

氣體體積分?jǐn)?shù)(2.0%～9.1%)對(duì)流場(chǎng)內(nèi)最大速度和等速核長(zhǎng)度影響規(guī)律如圖6(b)所示。由圖6(b)可見(jiàn)：隨著氣體體積分?jǐn)?shù)增加，流場(chǎng)中最大速度逐漸增大。這是因?yàn)闅怏w體積分?jǐn)?shù)增大，射流中空泡量增加，空泡的產(chǎn)生、變形和潰滅對(duì)射流增強(qiáng)作用增加[27]，因此流場(chǎng)中的最大速度逐漸增加。氣體體積分?jǐn)?shù)增大時(shí)，射流等速核長(zhǎng)度先不斷增加，當(dāng)氣體體積分?jǐn)?shù)超過(guò)7.4%時(shí)，等速核長(zhǎng)度基本不變。氣體體積分?jǐn)?shù)較小時(shí)，氣體體積分?jǐn)?shù)增加，射流中空泡數(shù)量增多，對(duì)射流的增強(qiáng)作用加強(qiáng)，因此等速核長(zhǎng)度逐漸增加。當(dāng)氣體體積分?jǐn)?shù)超過(guò)7.4%時(shí)，射流中氣泡過(guò)多，氣泡之間開(kāi)始碰撞影響，影響了射流能量的充分利用，射流等速核基本不變。

3.3 噴射速度

噴射速度(83～265 m/s)對(duì)流場(chǎng)內(nèi)最大速度和等速核長(zhǎng)度影響規(guī)律如圖6(c)所示。由圖6(c)可見(jiàn)：隨著噴嘴噴射速度增大，流場(chǎng)內(nèi)最高速度呈直線增加。噴射速度越大，射流的能量越高[5]，流場(chǎng)內(nèi)形成射流最大速度也越大，因此，最大速度顯著增加。隨著噴射速度增加，射流等速核長(zhǎng)度略有增大。噴射速度增加，射流沖擊能量越高，射流速度保持的距離更大，因此，等速核越長(zhǎng)。在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行的情況下，應(yīng)當(dāng)盡量增加射流噴射速度，提高清洗效率。

3.4 噴距

噴射速度為265 m/s時(shí)，噴距(0.5～2.0 cm)對(duì)噴射壁面沖擊壓力的影響規(guī)律如圖7所示。由圖7可見(jiàn)：隨著噴距增大，射流沖擊壁面壓力逐漸減小，當(dāng)噴距大于1 cm(5 倍噴嘴直徑)時(shí)，射流對(duì)壁面沖擊力迅速降低。當(dāng)噴距小于1 cm 時(shí)，壁面在等速核的作用范圍內(nèi)，射流動(dòng)能能夠有效轉(zhuǎn)化為壓能，因此，對(duì)壁面的沖擊力較大[29]；當(dāng)噴距大于1 cm時(shí)，壁面在等速核范圍之外，射流難以高速?zèng)_擊到壁面，使射流沖擊到壁面壓力迅速減小。因此，噴距小于5倍噴嘴直徑時(shí)，沖擊壁面的效果較好。

圖6 噴嘴錐度、氣體體積分?jǐn)?shù)和噴射速度對(duì)流場(chǎng)內(nèi)最大速度和等速核長(zhǎng)度影響Fig.6 Maximum velocity and potential kernel length with the function of nozzle taper,gas volume fraction and jet velocity

圖7 不同噴距下射流沖擊壁面壓力Fig.7 Wall pressure of jet impingement with different spray distances

4 氣液兩相射流清洗試驗(yàn)

為驗(yàn)證氣液兩相射流清洗效果和模擬結(jié)果，開(kāi)展氣液兩相射流表面清洗的地面試驗(yàn)。

4.1 試驗(yàn)流程和參數(shù)

圖8 氣液兩相射流清洗實(shí)驗(yàn)裝置Fig.8 Experimental equipment of gas-liquid two-phase jet cleaning

氣液兩相射流清洗實(shí)驗(yàn)裝置如圖8所示，由圖8可見(jiàn)：裝置主要包括水罐、高壓泵、空氣壓縮機(jī)、氣罐、清洗試驗(yàn)架、控制系統(tǒng)、閥門、流量計(jì)和壓力表等。氣體采用前混式注入，高壓泵將水增壓后，輸送至氣罐底部；經(jīng)過(guò)空壓機(jī)壓縮后的氣體進(jìn)入氣罐中，經(jīng)過(guò)調(diào)壓閥控制，與高壓水混合，再繼續(xù)經(jīng)過(guò)高壓管線輸送至清洗試驗(yàn)架，從噴嘴噴出形成氣液兩相氣體射流清洗靶物表面。氣液兩相射流清洗和純水射流清洗實(shí)驗(yàn)參數(shù)表1所示。

4.2 結(jié)果分析

純水射流和氣液兩相射流表面清洗效果的對(duì)比如圖9所示，從圖9可見(jiàn)：氣液兩相射流清洗可覆蓋整個(gè)噴嘴底面，氣液兩相射流作用面積為4.74 cm2，而純水射流作用面積為3.80 cm2，氣液兩相射流的清洗作用面積提高了24.7%，氣液兩相射流表面清洗效果要明顯好于純水射流的清洗效果。試驗(yàn)結(jié)果表明氣液兩相射流可顯著提高靶物表面的清洗效率。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)Table 1 Experimental parameters

圖9 2種射流清洗效果對(duì)比Fig.9 Comparison of two kinds of jet cleaning effect

5 結(jié)論

1)氣體體積分?jǐn)?shù)為7.4%、噴射速度為265 m/s時(shí)，氣液兩相射流比純水射流最大速度提高14.2%；氣體通過(guò)噴嘴瞬時(shí)，射流最大速度相較純水射流提高221%；由于空泡對(duì)射流加速增強(qiáng)作用，使射流速度瞬時(shí)增大。

2)隨著噴嘴錐度增大，流場(chǎng)內(nèi)最大速度逐漸增大，等速核長(zhǎng)度先增大后減小，綜合考慮，噴嘴錐度為3.5時(shí)，噴射效果較好。隨著氣體體積分?jǐn)?shù)增加，噴射速度逐漸增大，等速核略微增大，當(dāng)氣體體積分?jǐn)?shù)超過(guò)7.4%時(shí)，等速核長(zhǎng)度變化更加緩慢。

3)隨噴距增大，射流沖擊壁面壓力逐漸減小，噴距小于5 倍噴嘴直徑時(shí)，沖擊壁面的效果較好。隨著噴嘴噴射速度增大，流場(chǎng)內(nèi)最大速度迅速增加，等速核長(zhǎng)度略有增加，現(xiàn)場(chǎng)條件允許時(shí)，應(yīng)盡可能提高噴嘴噴射速度。

4)同等條件下，相對(duì)于純水射流，氣液兩相射流清洗可覆蓋整個(gè)噴嘴底面，清洗作用面積提高了24.7%，清洗效率高。