張 衡，李明星，張宏瑜

（西安石油大學(xué)石油工程學(xué)院，陜西 西安 716500）

我國的經(jīng)濟發(fā)展和社會進步使得對石油等能源的需求不斷增加，但能源的儲量和再生產(chǎn)能力有限，為此必須深入地下，開采更多的油氣資源，以維護我國能源戰(zhàn)略的安全。我國獨特的深層油田地質(zhì)條件，導(dǎo)致石油開發(fā)中存在許多不利因素和亟待解決的工程問題。

在油氣田的生產(chǎn)中，水力壓裂等開采方式導(dǎo)致反排的開采液處于高壓狀態(tài)，給安全生產(chǎn)帶來威脅，因此要對管道內(nèi)的流體進行降壓處理。管道消能是通過改變流體的流通面積，使流體發(fā)生紊流，動能變成熱能，以實現(xiàn)能量耗散，其目的是消耗能量，降低壓力，變化的流通面積會引起流體的剪切效應(yīng)，從而在管道內(nèi)部產(chǎn)生渦流進行耗散。目前，管道內(nèi)消能結(jié)構(gòu)通常包括旋流式、突擴突縮式和新內(nèi)效能結(jié)構(gòu)等3 種類型。

1 突擴突縮內(nèi)消能結(jié)構(gòu)

突擴突縮式通過驟然變化的管道半徑，使流體在不連續(xù)的管道內(nèi)界面改變運動方向，流體發(fā)生相互碰撞而形成紊流，又可細分為孔板式、洞塞式和齒墩式。

1.1 孔板式內(nèi)消能

隨著突擴突縮式內(nèi)消能工研究的發(fā)展，為了減輕含砂原油因沖蝕而損壞管壁、造成設(shè)備空蝕的危險性，學(xué)者們提出了一種新型的孔板式消能結(jié)構(gòu)?？装迨较芙Y(jié)構(gòu)將管道斷面半徑突然收縮為孔板處半徑，使得管內(nèi)流體大部分無法通過，經(jīng)過孔板的擠壓和碰撞后，水流的能量部分轉(zhuǎn)化為動能并發(fā)生相互碰撞，從而達到消能的目的。

根據(jù)孔板數(shù)目，孔板式結(jié)構(gòu)可分為單級孔板和多級孔板。從實驗研究和工程實踐發(fā)現(xiàn)，多級孔板的降壓效果更優(yōu)。小浪底水利樞紐[1]作為當(dāng)時世界上采用孔板消能技術(shù)的最大的泄洪洞，研究者對孔板消能效果、水流空化、脈沖破壞、空腔負壓等問題進行了現(xiàn)場測試，為孔板消能技術(shù)提供了大量實驗數(shù)據(jù)，并從結(jié)果驗證了正確的模型理論。哈煥文及其團隊[2]在碧口水電站的排沙洞中對兩級孔板結(jié)構(gòu)進行了試驗比較，結(jié)果顯示，這種結(jié)構(gòu)在消能效率和抗空化性方面均表現(xiàn)得更出色?？装逯g擴散室的長度稱為孔板間距，趙慧琴[3]強調(diào)了合理選擇孔板間距的重要性，因為不合理的孔板間距會導(dǎo)致工程浪費。如果孔板間距小于水流恢復(fù)長度，則無法實現(xiàn)真正的消能，只有孔板間距基本等于水流恢復(fù)長度時，才能實現(xiàn)經(jīng)濟合理。此外，需要對多級孔板進行不同孔徑比的優(yōu)化組合，以滿足消能、保證流量、減小脈沖和防止空蝕等方面的要求。

孔板式結(jié)構(gòu)的加工難度低，結(jié)構(gòu)簡單，具有優(yōu)良的消能效率。何寧和趙振興通過模型試驗和物理模型的補充，討論并驗證了k-ω 紊流模型用于孔板消能的流場研究是可行的，并深入研究了消能機理，發(fā)現(xiàn)消能系數(shù)K隨孔徑比的變化而發(fā)生劇烈變化，孔徑比越小，消能系數(shù)K越大，消能效果越好[4]?？装搴蠡亓鲄^(qū)長度也是消能工重點關(guān)注的流體參數(shù)之一。艾萬政、周琦等人通過理論計算和建模模擬，總結(jié)出了孔板回流區(qū)長度的經(jīng)驗表達式，并確定了影響回流區(qū)長度的因素及其與水頭損失的聯(lián)系。研究結(jié)果表明，雷諾數(shù)大于105 時，回流區(qū)長度幾乎不變化；當(dāng)孔板厚度和雷諾數(shù)保持一定時，減小孔徑比，回流區(qū)長度反而增長；當(dāng)雷諾數(shù)恒定且孔徑比固定時，減小孔板厚度，回流區(qū)長度增加。隨著回流區(qū)長度的增加，孔板的能量損失系數(shù)隨之增大[5]。

高廣合、劉亮對坡度為5%的陡槽溢洪道孔板消能工的消能率進行了分析與研究。研究結(jié)果表明，陡槽中的流態(tài)得到了顯著的改善，高壓激流的減速效果可觀；同時，孔板消能工的消能效果也非常顯著，消能率在74.30%～77.36%之間。整個消能過程沒有出現(xiàn)負壓現(xiàn)象，也沒有發(fā)生空蝕破壞[6]。這項研究表明，孔板消能工可用于管道中高能水頭的降壓降速。相比傳統(tǒng)的消能形式，孔板式內(nèi)消能工不僅高效實現(xiàn)了消能減壓，且制造工藝簡單，易安裝和拆卸，可大幅度降低流體流速，避免水擊現(xiàn)象帶來的沖擊損傷。

1.2 洞塞式內(nèi)消能

作為經(jīng)典的突擴突縮型結(jié)構(gòu)之一，洞塞式消能工的結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，流動參數(shù)相對穩(wěn)定，消能效果好。同時，空化特性也比孔板式更優(yōu)良[7]。與孔板式相比，洞塞式可減少水流出口位置的通過面積，洞塞前段區(qū)間的靜水壓很高，然后到突然收縮的洞塞段進行消能減壓。為了保持良好的抗空化性能，應(yīng)該確保洞塞厚度與塞內(nèi)壓力相匹配，防止產(chǎn)生負壓[8]。

最近幾年，研究者們對洞塞消能結(jié)構(gòu)的研究積累了大量的理論和實驗數(shù)據(jù)以及工程建設(shè)經(jīng)驗。隨著計算機的進步，計算能力的提高突飛猛進，學(xué)者們相繼開展了模擬計算。尹則高等人[9]建立了三維k-ω 紊流數(shù)學(xué)模型和物理模型。從驗證后的模型計算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在洞塞漸縮段相對長度一定的情況下，隨著漸擴段相對長度的增加，水頭損失系數(shù)會減小，最小空化數(shù)會增加。此外還初步探討了漸縮漸擴洞塞的幾何體型參數(shù)的優(yōu)化方法，提出了最優(yōu)的幾何參數(shù)。

余挺和田忠[10]研究了收縮式洞塞泄洪洞的消能特性和空化特性。減壓實驗表明，洞塞體型的精細優(yōu)化可以避免泄洪洞在有壓段發(fā)生空化，且洞塞本身就具備一定的抗空化能力。數(shù)值模擬揭示了泄洪洞有壓段的流速場和壓力場特性，顯示出洞塞的突縮突擴作用形成了大體積的水流紊動，從而實現(xiàn)了消能。

洞塞式消能工是一種結(jié)構(gòu)簡單、效果好的消能裝置，對豎井尺寸無特殊要求，因此在設(shè)計高壓管道時，可以通過加大管材厚度或直接提高剛度來安裝洞塞式消能裝置的入口前段，從而實現(xiàn)消能。與孔板式相比，在洞塞式的管道內(nèi)，流體流動出口處于淹沒狀態(tài)，其空化特性與洞塞面積比有關(guān)[11]。高壓流體沖擊管道各部位及各級洞塞時，壓力變化較平穩(wěn)，脈動壓力不大。

1.3 齒墩式內(nèi)消能

齒墩式消能結(jié)構(gòu)是能兼顧過流量問題的新型消能工，它是部分變形的洞塞式和孔板式結(jié)構(gòu)，具有高效環(huán)保的優(yōu)點。田淳為了解決消能裝置在過流量和消能率之間的矛盾，設(shè)計了齒墩式消能結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)在孔洞基礎(chǔ)上增加了梯形的過流空隙，從而增加了總斷面流通面積，同時確保了高消能率和強過流力。改良收縮斷面，采用齒狀設(shè)計，可確保結(jié)構(gòu)具備高消能率和強過流力，從而顯著增大過流量。經(jīng)過多年的研究，齒墎式內(nèi)消能結(jié)構(gòu)已經(jīng)取得了許多成果。

李維玉[12]對不同齒墩間距的二級齒墩式消能工進行了全面的分析計算，分析了紊動能分布規(guī)律，發(fā)現(xiàn)二級齒墩的最大時均流速要大于一級齒墩。此外，隨著流量增加，齒墩后方回流區(qū)的范圍會變得更大。齒墩出口回流區(qū)的剪切層是變化最明顯的區(qū)域，二級齒墩后的軸向和徑向脈動強度均高于一級齒墩。隨著齒墩間距增大，紊動能增加。這項研究對于完善二級齒墩式消能工具有重要意義。

張婷等人[13]基于k-ω 數(shù)學(xué)模型，分析了齒墩內(nèi)表面分別為平面和圓曲面時，對2 種體型的消能工的水力參數(shù)的影響。結(jié)果表明，相同流速下，齒墩內(nèi)表面為曲面時，降低壓強的效果更優(yōu)。紊動能的突變區(qū)域出現(xiàn)在消能工出口后，齒墩內(nèi)表面由平面變?yōu)榍妫瑫p小該區(qū)域的紊動能及范圍。齒墩內(nèi)表面由平面變?yōu)榍?，消能工的消能率減小，流量系數(shù)加大，并與其水力半徑密切相關(guān)。分析結(jié)果表明，將齒墩內(nèi)表面優(yōu)化為曲面，可為齒墩式內(nèi)消能工做出新的優(yōu)化結(jié)構(gòu)。

張博杭等人[14]基于k-ω 數(shù)學(xué)模型，通過控制不同的齒墩相對長度，發(fā)現(xiàn)不同相對長度的齒墩式內(nèi)消能工，其中心軸流速的分布規(guī)律基本一致。除η 等于0.1 外，各方案的中心軸峰值流速出現(xiàn)的位置相同，均在齒墩進口后0.38d 處，且不隨相對長度的變化而變化。綜合分析后可知，相對長度為0.2～0.9 的齒墩長度較優(yōu)，結(jié)果可為齒墩式內(nèi)消能工的體型優(yōu)化提供依據(jù)。

考慮到齒墩式結(jié)構(gòu)的內(nèi)部多樣性和流體流動的復(fù)雜性，齒墩式結(jié)構(gòu)的研究成果還存在一些問題。但學(xué)者們對齒墩式結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和流體實驗的研究結(jié)果，為后續(xù)消能工的研究提供了豐富的資料和依據(jù)。

2 旋流式內(nèi)消能

旋流式內(nèi)消能裝置通常包括進水短管、內(nèi)管、套管、消能裝置和孔口等。管壁流體從孔口進水，在管內(nèi)形成一定強度的渦流，并與來水主流疊加后，形成旋流特性的流場，從而使通過消能裝置的水流能量被耗散，壓力得到有效降低，保護了沿線設(shè)備免受沖擊磨損[15]。

螺旋式對沖消能工的消能效率高，結(jié)構(gòu)可靠性高，布置緊湊。劉道樺[16]設(shè)計了泄洪消能的結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)包括螺旋內(nèi)消能、動態(tài)對沖消能、消能池等。洪水進入螺旋消能管道進行一次消能，再通過在壩下鋪設(shè)的有壓對沖管道，以一定的角度產(chǎn)生水流，與經(jīng)過一次消能的水流進行對沖，并在消能池內(nèi)使回射水流實現(xiàn)第3 次消能，由此達到提高消能效率的目的。其中，對沖管道部分將根據(jù)最終效果來反饋調(diào)節(jié)對沖管道閥門的開合程度，通過控制流量流速來實現(xiàn)動態(tài)消能，以達到最佳的消能效果。此方案可用于緊急事故時迅速泄壓的高壓管道，可縮短泄壓時間，避免事故發(fā)生。

茍超等人[17]采用改變折流坎折角和消力井井深的方式，借助水工模型試驗，研究了不同連接體形下的水流流態(tài)及相關(guān)的水力要素，得出結(jié)論：折流角的變化對消力井側(cè)壁及底板壓強的影響不大，消力井的邊壁及底板均不會出現(xiàn)負壓；增加流量會降低消能率，增大折流角和消力井深度可提高消能率。雖然消能率隨消力井深度的增加而增加，但增加幅度隨井深的增加而逐漸變緩。在螺旋消能后再加入對沖，可有效提高消能效果。

3 新的內(nèi)消能結(jié)構(gòu)

目前在多個領(lǐng)域應(yīng)用的是20 世紀物理學(xué)家尼古拉·特斯拉發(fā)明的特斯拉閥。該裝置具有鑄造便利、性能穩(wěn)定、無需能源等優(yōu)點，同時具有單向?qū)ㄐ?，流體的慣性使得流體的正向流動比反向流動更加容易，從而控制流體流速，因此在生物、化學(xué)、微流體控制、微電子機械等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。對沖式消能裝置可以改變流體的流動方向，使得流體因相撞而產(chǎn)生紊流，減慢流體速度，降低流體壓力[18]。

鐘震[19]利用特斯拉閥的反向應(yīng)用，制作了新的調(diào)壓系統(tǒng)，實現(xiàn)了高壓至中低壓的直接調(diào)壓，驗證了特斯拉閥的反向流通具有顯著的降壓特性，為特斯拉閥的反向應(yīng)用提供了應(yīng)用實例。王衍[20]嘗試將特斯拉閥的結(jié)構(gòu)從平面流動擴展至三維管狀通道形式的新型密封結(jié)構(gòu)，通過Fluent 流體仿真計算軟件，建立了三維新型密封結(jié)構(gòu)，并對不同工況和幾何參數(shù)下的密封性能進行了系統(tǒng)分析，得到了新型密封結(jié)構(gòu)的性能特性及最優(yōu)參數(shù)。

錢錦遠等人[21]針對特斯拉閥型微通道熱沉的強化換熱進行了模擬研究。他們改變了特斯拉閥型通道的級數(shù)、特斯拉閥弧形通道的外側(cè)半徑以及特斯拉閥的設(shè)置方向，研究了不同幾何參數(shù)下，特斯拉閥型微通道熱沉底面的溫度分布、平均溫度和冷卻流體的進出口壓降，以探究其換熱特性和流動特性。蔣聰[22]將特斯拉閥作為一種降壓閥，應(yīng)用于航空空氣渦輪起動機后的內(nèi)外介質(zhì)交換機構(gòu)。這種閥門能夠有效降低介質(zhì)交換機構(gòu)的內(nèi)部壓力，減少出口混合介質(zhì)的含油量，避免油氣污染機艙蓋的內(nèi)外介質(zhì)交換機構(gòu)。

周潤中和喬宇杰[23]通過COMSOL 軟件模擬，研究了閥門單向流通性的影響因素。研究結(jié)果顯示，正向閥門適用于低黏度、高密度的流體。王濤[24]基于流場仿真軟件Fluent，選擇標準湍流模型，針對特斯拉閥的角度、圓的半徑、出半圓后的直流管長度這3 個參數(shù)，采用有效空化面積，對水力空化的影響進行了數(shù)值分析。結(jié)果表明，角度和圓的半徑、出半圓后的直流道長度與整體的空化效果呈負相關(guān)。

利用ANSYS 中的3 個分析軟件，王寧寧[25]進行了單向流固耦合仿真，以分析流體為壓裂返排液時，該消能設(shè)備在設(shè)定范圍內(nèi)的高壓和管徑的降壓效率。流體分析結(jié)果表明，隨著進口總壓增高，對沖式消能器的消能效率在70%附近波動。模態(tài)分析結(jié)果顯示，新型消能器的固有頻率隨著模態(tài)振型階數(shù)的增大而增大，不隨進口總壓的改變而改變。由于對沖產(chǎn)生渦流自耗，新型消能器的排出流速未出現(xiàn)突然增加。

Porwala[26]在微型和微流體應(yīng)用研究中，使用特斯拉閥進行流量控制和整流。采用三維計算流體動力學(xué)方法和數(shù)值分析方法，研究了進口雷諾數(shù)(25～200)對單個特斯拉閥和多級特斯拉閥MSTV（最多10 級）的整流和熱增強能力的影響?；诜抡娼Y(jié)果，推導(dǎo)并給出了MSTV 的設(shè)計與性能，以及在努塞爾數(shù)、達西摩擦系數(shù)、壓力二極管和熱二極管等方面的冪律相關(guān)關(guān)系，發(fā)現(xiàn)特斯拉閥結(jié)構(gòu)在反向流動時的換熱強化，是由流動分岔、停滯和混合機制引起的。雷諾數(shù)等于200 時，平均努塞爾數(shù)高達7.1。

4 結(jié)語

管道內(nèi)消能工可為因油田開采能量過高而引起的安全問題提供解決方案。未來新型消能器的發(fā)展方向，應(yīng)該是為了獲得降壓效果，對結(jié)構(gòu)構(gòu)件進行復(fù)合和改良。在對特斯拉閥或?qū)_式閥門進行改良時，流道沖蝕是高效降壓的發(fā)展方向，其良好的密封性和易于鑄造是較大的優(yōu)勢。從經(jīng)濟角度考慮，將對沖式、螺旋式、突擴突縮式組合成多級消能裝置，已有成熟實例可以借鑒。