油气混输泵混合器不同含气体积分数模拟分析.pdf

一 2 6 一 石 油机械 C H I N A P E T R O L E U M M A C H I N E R Y 2 0 1 0年 第 3 8卷第6期 ． _ 设计计算 油气 混输泵混合器不 同含气体积分数模 拟分析 马希金 周贯五 袁亚飞 兰州理 工大学能源与动 力工程 学院 摘要 鉴于油气混输泵试验时所采用 的同心管混合器，在泵入 口含 气体 积分数较高甚至为 1 0 0 ％ 时，由于气水的密度相差较大，易出现空气在管道上面，水在下面的分层现象 ，且高含 气体 积分数下雾化效果不好等问题 ，在该混合器的基础上设计 出新型喷管式混合器。为 了确保 新型混 合器在含气体积分数大范围内变化时，得到均化 良好的两相流体 ，运用 C F D流场模拟软件 ，对新 型混合器做 了性能预测。模拟结果表 明，新混合器在入 口含气体积分数从 0～1范围内变化时，能 满足油气混输泵性能测试 的要求；气液混合程度还与进气压力大小有关，从 而可 以对气液相的压 力匹配 问题进行定量把握 ，确保设计的正确性。 关键词 油气混输泵 喷管式混合器 性能预测 数值模拟 含 气体积分数 0 引 言 随着人们对石油需求量的不断增加 ，老油井的 大量注水开发 ，这些油井的产量下降了，而含水体 积分数和气油比却增加了。这就使混输泵输送的油 气中含天然气比率变化范围很大 ，有时是 0 ，有时 泵要处于长时间的输送纯气体状态 ，即段塞流。严 重 的段塞流会给混输设备造成水力冲击和瞬态大液 塞灌入引起严重的气液分离。随着对油气混输泵工 作机理研究的不断深入 ，人们发现 ，混输泵进 口气 液混合状况对泵的增压能力有重大影 响，气液紊乱 的人流状态可使泵失去增压能力 ；泵 的增压能力又 与人 口压力成正比，人 口压力愈大 ，愈有利于提高 泵的增压能力。油气混输泵的人 口混合器是保证泵 在多变的油气进 口条件下能稳定工作不可缺少的配 套装置⋯。气液混合均匀的混合器能在相同的流 量和含气体积分数下改善泵 的工作性能，减少因段 塞流而导致泵工作时所产生的振动。但 由于气液两 相流动的复杂性 ，混合器的气液混合状态诸如相间 速度 、相浓 度 、流型 等参 数 的测量 难度 较大 ， 而且在进气 口压力变化时，气液的压力匹配问题难 以把握。 目前 ，国内对混输泵人 口混合器内部流动模拟 工作开展得不多，相关的文献报道也不多。加之现 阶段对两相流泵 的数值模拟研究 ，总是假定气液相 为无相间滑移速度 的单一速度人流条件 ，这与实际 流体流动状况明显不符 ，尤其 在高含气体积分数 下 ，不能反应出滑移速度大小对泵扬程的影响。因 此，有必要通过对混合器进行模拟来获得不同含气 体积分数下各 自的速度大小。 1 喷管式混合器的设计和结构特点 1 ． 1 喷管式混合器的设计 课题组研究的油气混输泵试验时采用同心管混 合器 J 。在泵人 口含气体积分数较高甚至为 1 0 0 ％ 时，由于气水的密度相差较大 ，该混合器易出现空 气在管道上面 ，水在管道下面的分层现象 ，且高含 气体积分数 下雾化效果 不好 等问题 。为此 ，笔 者在该混合器的基础上设计出新 型喷管式混合器 ， 结构如图 1 所示。图中 D 为管道通径。设计思想 是使设计的混合器能够满足泵人 口含气体积分数从 0～1 范围内变化时，为泵提供均相流体人 口条件。 在设计过程中，对进气 口距进水 口断面位置的选取 运用 C F D进行了优化，最终确定了本设计的进气 口位置 ，确保压缩空气在进入喷管前 的冲击损失最 小。鉴于 目前两相和多相流体的流动参数测量技术 基金项 目甘肃省科技攻关项 目 “ 轴流式油气混输泵研制” K G 9 5 431 1 。 2 0 1 0年 第3 8卷 第 6期 马希金等 油气混输 泵混合器不 同含 气体积 分数模 拟分析 一 2 7一 尚不成熟 ，笔者运用 C F D商业 软件对 混合器混合 效果进行 了预测 ，这 为混合器设 计 的正确 性提 供 了参考依据。 L J 2 『 ／ ～ ／ I I T l ／ 甘f L L I 混 合 流一 l ’ ￡ 体 几 图 1 喷管式混合 器结构简 图 1 ． 2 结构 特 点 与同心管混合器_车 H 比，喷管式混合器的结构将 压缩空气进气管改为 1 个人 口，将 内同心气管改为 喷管 。乐缩空气 南进气 口进入内外同心管所组成的 腔体 内，为了增大混合面，在 该腔体 内内 卣管上均 布有 3排且相距一定距离的喷管． ．为了减小射流锥 的覆盖 面币 便于加一 厂，喷管孔径 d2 m m。位于巾 间截面的喷管与其他 2截面的喷管在嘲周方向上相 错 3 0 。 。喷管孔的总面积之和略大 于进 管的通流 截面积。与 同心管 混合器相 比 陔混合 器具有如下 特点 1 f _} 1 于喷管 的外表面积小 于前者 内同心管 面积 ，后者对来流水的阻力和绕流影响均 比较小 ， 减少 了水力损失。 2 相邻截面 在 刷方 卡 H 错 3 O 。 的布置形 式 ，使下游的喷管对 上游喷管 喷射气流 的影响减 小 ，有效地减小了射流锥覆盖面 ，从而使气液均化 程度 更 好 。 3 各排喷管 『 H J 的空 位 置 ，为气水 的充分 混合提供 了 f 1 由 间， 含气体 积分数 逐渐提 高 时 ，避免 r冈水量的减小而造成的层状流 ，使雾化 效果 好 。 2 C F D求解模 型建 立 j H u ； 维造 软件将 r } 1 C A D设 汁的喷管式 混合器二维陶形建成能够划分网格 的实体模型 ． 』 _{ { I C E M软什刈‘ 模型划分 网格 。划分后 的网格模 型如 图 2所 示 。 进 进气 r 1 流 口 2 混 合 器 网 格 模 型 为了能够清楚地表明内部结构 ，陔网格模型采 崩 了透 明化处理。根 据流场 特性和 S t o k e s数选 州 mi x t u r e两相流体模 型 ，计算时采 用标准 ， 一 湍流 模型。为了便于与试验结果做比较 ，模拟时液相用 水代替油 ，气相为空气 。南于存混合过程中空气密 度是不断变化的，考虑到求解精度 ，选用非稳态时 间二阶隐式离散格式 。在边界条件的选取 上，进气 L 『 用质量人 口条件 ，『天 l 在一定压力下质量流速大小 随着含气体积分数的不同而变化 ，所 以需先川理想 气体状态方程求 出该 力下的空气密度 ，再由通流 截面积和含气体积分数大小求m质量流速；进水 口 速度入 口，大小也与含气体积分数有天。水相速 度大小为 u ， Q 1 一 ／ A - D 1 ＼ ／ 式巾u ， 水相速度 ，m ／ s ； Q 泵体积流量 ，I n ／ s ； D混合器通流截面直径 ，m； 截面含气体积分数。 混合器m | ] 用压力H 1 F 1 条件 ，出L J 力为 1 个 标准大 气压_ 6 力速度 耦 合 方式 采用 P I S O格 式。压力离散川二阶格式 。其他离散格式干 欠松弛 l大 1 子采用默认设置 。 。为了与数值模拟 的混合密 度值做对 比， E x c e l 数学 汁算功能计算 厂不同含 气体积分数下的混合密度 。汁算公式为 P 0 1一 P ， 2 式 I { l p 混合密度 ，k g ／ m ； P 、P l 气相 、水相密度 ，k g ／ m 。 3 模 拟结果 分析 对所建市 的求解模 型，住 从 0～1范同内变 化时分别进行了数值模拟。笔 在进 压 力为 0 ． 4 MP a的条件下 ，埘 气体积分数 分刖 为0、 0 ． 1 、 0 ． 5、0 ． 9干 1 ． 0时的模 拟结果进 了分 析。通过 模拟得j 0 ． 5时喷管界_函 f 处气水的混 合速度矢 一 2 8一 石 油机械 2 0 1 0年第 3 8卷第6期 量图如图3所示 ； 0 、0 ． 5和 1 ． 0时的出口截 面 速度矢量 图如图 4所示 ； 0 ． 1 、0 ． 5 、0 ． 9时 的 出口截面处各 自的气相 体积分数散点图如 图 5所 示。图中横坐标为出口面各点位置，纵坐标表示气 相体积分数 ； 从 0～1 变化 时出口截面处数值模 拟的平均密度与计算密度比较，见表 1 。 表 1 从 0～1 变化时 出口平均 密 度模拟值与 计算 值比较 k g 1 ／ 1 。 1 0 2 0 4 0 5 0 6 0 8 0 9 0 模拟值8 9 8 ． 4 6 7 9 8 8 0 5 9 9 4 2 4 9 9 ． 7 3 3 9 9 ． 9 9 2 0 0 ． 6 3 1 0 0 ． 9 3 计算值8 9 8 ． 5 0 7 9 8 ． 8 1 5 9 9 ． 4 1 4 9 9 ． 7 l 4 0 0 ． 0 2 2 0 0 ． 6 2 1 0 0 ． 9 2 图 3 喷 管界 面处气水 的混合速度 矢量 图 d 0 ． 5 由图 3可以看出，该混合器喷管界面处气水混 合均匀 ，同一排喷管射流锥覆盖面很小 ，排与排问 的喷管出口处几乎没有速度冲击。这在含气体积分 数高时有利于提高气水混合的雾化效果。 2 2 4 e 1 I 3 c 6 3 8 c 佩 位 图 4 不 同含 气体 积 分数 下 出 口截 面速 度 矢量 图 由图4可 以看出 ，该混合器的出口面混合速度 随着含气体积分数 的增加逐渐减小 ，在纯水时最 大 ，纯气时最小。这是因为在体积流量一定时 ，由 式 1 知水相的速度随着含气体积分数的增加而 减小 ，而水的动量就小，这样混合后的速度就小 。 由图还可以知道 ，出口面的速度沿着截面半径方 向 分布均匀 ，几乎没有回流出现 。说明喷管对主流的 阻力较小 ，没有造成大的绕流损失 。 由图 5可知 ，不同含气体积分数下混合器出口 截面的气相体积分数散点图分布都较均匀 。各相的 体积分数都集 中分布在与含气体积分数相对应的纵 坐标数值处。这表明含气体积分数变化时 ，在混合 器的出口截面上没有造成明显的气液分离。 0 8 e一0l 0 6 e一0l 04 e--Ol 0 2 e一0l OO e一0l 8 0e一0 2 60 e 一 0 2 4 0e 一 0 2 2 0e 一 0 2 一 ● 一 ． 一 ． I L ． 。 一 。． ～一 一 一 一 一一 ． 一一 I l l I I I l 0 0 8 一 O 0 6 0 ． 0 4 一O O 2 0 0 ． 02 0 0 4 0 0 6 0 0 8 ⅢJ J 截 面处点 伸馁／ m a 0． 】 m j 截 fff『 处 点位 ／ m b 0 ． 5 图 5 不 同含 气体 积 分数 出 口截 ‘ 面处气相体积分数散 点图 以上分析表明，该混合器可以在不 同含气体积 分数下为混输泵进 口提供均相流人流条件 ，这有利 于泵的稳定运行 ，而且使测出的泵性能 曲线能更好 地反应出不 同含气率对泵性能的影响。排除了因人 流不均匀对泵性能测试造成的误差 。 通过对不同含气体积分数下的混合器出口截面 混合密度的模拟值与计算值相 比较 ，可知模拟的混 合密度值与计算出的混合密度值相差很小，相对差 值最大不超过 0 ． 0 5 ，进一步说 明了混合器设计 的 合理性 4 结 论 1 设计的混合器在入 口含气体积分数从 0 1变化时 ，能满足油气混输泵性能测试的要求 ，确 0 O 0 0 O 0 O O 0 O 一 一 一 一 一 一 一 一 一 e e e e e e e e e e 5 0 5 0 5 0 5 O 5 0 0 O 9 9 8 8 7 7 6 6 一5 4 4 4 4 4 4 4 4 释电 幂 2 2 2 2 l l _ _ _ 1 l 1 I l l l l J 0 2 S 0 O 0 O O 0 0 0 0 0 0 O 0 0 0 0 0 0 0 0 V 一 e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e 8 37 8 9 9O {3 46 6 7 89 6 l t ● 1 00 4 8 27 53 75 9 3 7 9 O F ● 1 9 88 7 7 65 5 43 2 2 i 銎●■■霾曩l _ 蕊 0 0 O 0 O 0 O 0 0 一 一 一 一 一 一 一 一 e e e e e e e e e 0 8 5 3 0 8 5 3 0 0 0 0 0 9 9 9 9 Y 。 一 l蓦 m m ∞ 加 肼 m m m 麓●■■■■■●■■黧 ￡ 单 ；i；i f -{-__I 0 0 0 0 0 O 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 十 一 l- C C e e C C C e C C e C C C C C e C e C B 跎 帅 驰 ∞” 咒州 以位 {ji 5 4 3 {7 6 ● 龋■●■■●■●曩 溪。 。 2 0 1 0年 第 3 8卷第 6期 马希金 等 油气混输泵混合 器不 同含 气体积分数模拟分析 保 了设计 的正确性 。 2 获得 了不 同含气体 积分数下 的气液相各 自的速度大小 ，可从数值模拟混输泵性能时 ，为吸 人 口的进 口边界条件设置较精确的气液相滑移速度 大小 ，为进一步研究混输泵进 口滑移速度对其性能 的影响提供参考。 3 气液 混合 程度 还 与进气 压力 大 小有 关 ， 从而可对气液相 的压力匹配 问题进行定量把握。 4 由于两相 流动 的复杂性 ，仅 从数值模 拟 上 尚不能解决所有实际问题 ，如能与流场测试相结 合 ，则可以更好地把握混合器流场参数分布状况 。 参考文献 [ 1 ] 赵宏 ，薛敦松 ．多相 泵气 液混合 实验装 置及现 场 用均化器设计 [ J ]．石油机械 ，2 0 0 0 ，2 8 1 0 6 8，26 ． [ 2 ] 陈万鹏 ．两相流流型识别方法研究 [ D]．天津 天津 大学 ，2 0 0 6 ． [ 3 ] 马希金 ，王宏亮 ．油气混输泵进 口气液混合器的设 计 [ J ]．化工机械 ，2 0 0 4 ，3 1 5 2 6 9 2 7 1 ． [ 4 ] Ma n s u r E A，Y e M X，Wa n g Y D，e t a 1 ． A s t a t eo f t h e a r t r e v i e w o f mi x i n g i n mi c r o flu i d i c mi x e r s [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] 第一作者简介见本刊2 0 1 0年第 5期。 收稿 日期 2 0 0 90 9 2 1 本文编辑赵连禄 上接第 3页 射孔枪 中相邻 2弹起爆时间间隔缩短 ，于是上位射 孔弹爆轰引起 的冲击波对延后爆轰 的射孔弹的作用 时间缩短 j ，即相 遇 的冲击 波叠加 时 问较短 ，从 而使弹间干扰作用降低。 4 结束语 运用大型有限元软件做前处理 ，利用通用显式 动力分析程序对石油射孔弹顺序起爆后 ，弹问爆轰 冲击波干扰 的过程 分别进行 了二 维和三 维数值模 拟 。这样可以在 不引入其 他干扰 因素 的理想情 况 下 ，对弹问干扰进行计算 ，得到可视化图形文件 ， 遇到特殊点还可以任意跟踪和放大观察 ，从而得到 现场试验无法得到的数据。数值计算结果符合试验 所得物理现象和规律 ，虽然存在一定程度的误差 ， 但在工程允许 范围之 内。该模型对减小或消除石油 射孔 弹问干扰有借鉴作用 。 实际上 ，石油射孔弹问爆轰波的干扰 中弹体是 非常重要 的，它可以用来调节爆轰波形。另外 ，在 聚能装药 中或相邻射孔 弹之间设置一定形状和材质 的隔板来获得破 甲最有利的爆轰波形 ，笔者没有考 虑这些 因素。因此为了更真实地模拟弹问干扰这一 过程 ，还需要做进一步 的研究。 参考文献 恽寿榕，赵衡 阳 ．爆炸力学 [ M]．北京国防工 业 出版社 ，2 0 0 5 8 0 8 9 ． 史 党 勇 ，李 裕春 ，张 胜 民 ．基 于 A N S Y S ／ L SD Y N A 8 ． 1 进行显式动力分析 [ M]．北京清华大学 出版社 ，2 0 0 5 2 5 02 8 1 ． 张 宝 ，张庆 明，黄风雷 ．爆 轰物 理学[ M]．北 京 兵器工业 出版社 ，2 0 0 1 1 9 5 2 0 5 ． 李东传，金成福，刘亚芬，等 ．射孑 L 弹问干扰消除 方法初 探[ J ]．测井 技术 ，2 0 0 6 ，3 0 5 4 7 6 4 78 ． 石前，姜伟华 ，刘丽敏，等 ． HS D 8 9型深穿透射 孑 L 器研制 [ J ]．测井技术，2 0 0 7 ，3 1 1 7 6 7 9． 第一作者简介曹丽娜 ，女 ，生于 1 9 8 2年 ，在读硕十 研究生 ，研究 方向为有 限元法 的工程 应用 。地址 1 3 0 0 1 2 吉林省长 春市 。E ma i l i a m c a o l i n a 8 2 7 1 2 6 ． c o rn。 收稿 日期 2 0 0 91 2 2 4 本文编辑刘锋 ～ m 一 一 ～ 一 一一 一一一一一 一一一一一 一 一一 一一一一～ 一一一一一 一 一一一一一一一一 ～一一一一 卟 ．垂 清 ⋯ ． 一 ～～一～一一一一一一一一一～一 1J ]●J ] J ]J ]J 1 2 3 4 5