王寧寧，陳 卓

(西安石油大學石油工程學院，陜西西安 710065)

0 引言

石油行業(yè)中，從井口出來的壓裂返排液絕大多數(shù)情況下都屬于高壓流體或超高壓流體，這就對后續(xù)返排液處理設備的承壓有了更高的要求。所以，應在后端設備前安裝消能設備。目前，現(xiàn)有的消能裝置多采用節(jié)流式、旋流式或者兩者結合的方式進行管道消能；對沖式消能裝置研究較少。本文通過ANSYS軟件中的Fluent、Static Structural和Modal進行了單向流固耦合仿真，分析了該消能裝置在一定高壓范圍和管徑范圍內(nèi)的消能效率以及固有頻率變化情況。

1 管道消能方式

節(jié)流式消能裝置是一種通過縮小流通橫截面積的消能裝置。例如，文獻[1]中所提到的對順直式、臺階式和組合式等孔板式消能結構以及節(jié)流管匯中使用的節(jié)流閥式(固定式節(jié)流閥、針形節(jié)流閥和楔形節(jié)流閥等)消能結構。

旋流式消能裝置是一種通過機械結構使流體產(chǎn)生切向速度的消能裝置。例如，側向進水螺旋消能裝置是利用不同內(nèi)外管徑組成的圓管斜開口、管壁外接切向引水管以及螺旋形導流葉片實現(xiàn)消能。

組合式消能裝置是一種將節(jié)流和旋流功能結合的消能裝置。文獻[2]提出一種管道孔板消能裝置,利用孔板扭轉形成階梯螺旋孔口使水流強制扭轉,形成螺旋流從而起到一定的消能作用。文獻[3]提出了一種組合節(jié)流片與突擴突縮管結合的外圓筒式消能裝置。

本文研究的對沖式消能裝置是通過改變流體流動方向，使流體對沖自耗，同時能夠在對沖位置產(chǎn)生一定的渦流，從而起到消能減速的作用；還可以根據(jù)實際情況改變進出管段的直徑來達到預期目標。此外，對沖式消能裝置結構簡單，易于鑄造，成本低。

2 對沖消能分析

2.1 模型建立

流體部分采用液固兩相流：以密度為1 280 kg/m3、動力黏度為20.853 mPa·s的非牛頓胍膠壓裂液作為液相部分，以密度為2 600 kg/m3、顆粒粒徑為40/70目石英砂作為固相顆粒[4]。

固體材料采用結構鋼，其物性參數(shù)由ANSYS工程數(shù)據(jù)提供：密度為7.8×10-6kg/mm3、彈性模量為2×105MPa、泊松比為0.3、體積模量為1.67×105MPa、剪切模量為76 923 MPa、拉伸極限強度為460 MPa、拉伸或壓縮屈服強度為250 MPa。

圖1為對沖式消能器帶有網(wǎng)格的流體幾何模型，利用Meshing軟件中的四面體網(wǎng)格和膨脹層劃分方法對其進行網(wǎng)格劃分，其網(wǎng)格單元質量(無量綱量)均在0.4以上，偏度(無量綱量)均在0.7以下，符合Fluent有限元計算要求。

圖1 對沖式消能器帶網(wǎng)格的流體幾何模型

2.2 消能效率分析

黏度模型采用RNG模型[5]：

(1)

(2)

式中：Gk為由平均速度梯度產(chǎn)生的湍流動能；Gb為由浮力產(chǎn)生的湍流動能；YM為可壓縮湍流中脈動膨脹對整體耗散率的貢獻；αk和αε分別為k和ε的有效普朗特數(shù)的倒數(shù)；Sk和Sε為用戶自定義的源項。

從圖2中可以看出，隨著進口總壓的不斷增大，出口總壓增長成近似線性趨勢；出口速度比進口速度略高，沒有發(fā)生速度突增，造成這一現(xiàn)象的原因很可能是對沖之后形成渦流將部分能量消耗。

圖2 出口總壓及進出口速度隨進口總壓變化圖

如圖3所示，該結構消能效率隨進口總壓變化不大，基本穩(wěn)定在70%。總的來說，對沖式消能器在消耗壓能的同時還能夠防止速度的突增。

圖3 消能效率隨進口總壓變化圖

2.3 模態(tài)分析

模態(tài)分析主要是用來確定結構的振動特性，即固有頻率、主振型；它能使結構避免發(fā)生共振，清楚地展示結構對不同類型動力載荷的響應。

由經(jīng)典力學理論可知物體的動力學通用方程為[6]

(3)

式中：[M]為質量矩陣；[C]為阻尼矩陣；[K]為剛度系數(shù)矩陣；{x}為位移矢量；{F}為力矢量。

在線性靜力學結構分析中，與時間相關的量均為0；此外，[K]必須是連續(xù)的，材料需要滿足線彈性材料和小變形理論；上述假設滿足之后，得到：

[K]{x}={F}

(4)

由動力學相關理論得到自由振動頻率(即固有頻率)[5]：

(5)

式中：i為自由度數(shù)目；ωi為簡諧振動頻率。

從圖4中看出，隨著進口總壓增大，最大等效應力與最大總變形量都不斷升高，在50 MPa時，10 mm壁厚下結構鋼的最大等效應力小于其壓縮和拉伸屈服強度，能夠保證消能器安全工作。

圖4 等效應力與變形隨進口總壓變化圖

通過不同壓力下的仿真計算，厚度為10 mm的對沖消能器固有頻率不隨進口總壓改變而改變，具體數(shù)值見表1；隨著模態(tài)振型階數(shù)的增大，固有頻率隨之增大，呈正相關。

表1 10 mm厚度下的消能器固有頻率 Hz

該消能器固有頻率越高時，如果流體沖擊產(chǎn)生的振動頻率與該消能器固有頻率一致，就會發(fā)生共振，且該結構產(chǎn)生的變形量就越大，造成的危害越大。流體沖擊是由于主管段來流后，在類似于阻尼器的前端球形緩沖池位置處強制分流，進入支管后，又在后端球形緩沖池位置處匯流，兩股強烈水流撞擊，會對結構產(chǎn)生一定的激勵，有可能造成共振。結構的固有頻率越低，越容易被外界激勵[5]，越容易發(fā)生共振。

為降低對沖式消能器發(fā)生共振的概率，本文采取增加消能器壁厚的方法，提高該結構的最低固有頻率，從而降低該結構被激勵的可能性。該仿真是通過ANSYS工作平臺進行參數(shù)化設置，在進口總壓為50 MPa的邊界條件下，對結構厚度在10～20 mm范圍內(nèi)的不同模態(tài)下的固有頻率和最大總變形量進行計算。

如圖5所示，隨著對沖式消能器壁面厚度的增加，其固有頻率明顯增高，呈正相關，同時其最大總變形量逐漸下降，呈負相關。

圖5 50 MPa時固有頻率和最大總變形隨厚度變化圖

如圖6所示，在50 MPa入口壓力下，隨著振型階數(shù)的增加，該對沖式消能器的變形程度會有著明顯提高。

(a)1階總變形云圖

3 結論

(1)在20～50 MPa范圍內(nèi)，10 mm對沖式消能器的消能效率受進口總壓的影響較小，且消能效率基本穩(wěn)定在70%；對沖式消能器的出口速度相對于入口速度，不會發(fā)生突增；凸顯了對沖消能器在消能的同時不會產(chǎn)生高流速的優(yōu)勢。

(2)以10 mm厚度的結構鋼為鑄造材料的對沖消能器的最大等效應力與最大總變形量會隨著進口總壓的增加而不斷升高；適當增加壁厚，其最大總變形量會隨之減小，而最低固有頻率(即1階固有頻率)會隨之增大，從而降低了流體對結構激勵下的不良影響。