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喷嘴流量计的流场数值模拟与取压位置优化

发布时间:2019-04-16 17:00:17 浏览:

我国稠油资源丰富, 常规的开采方法很难开采稠油油藏, 稠油热采主要运用一些工艺措施使稠油油层温度升高, 也就是需要向地底下注入湿饱和蒸汽。[1]用干度一词来表征湿饱和蒸汽的性质, 干度影响着稠油采出效率, 因此实时在线监测蒸汽干度十分必要。在计算蒸汽干度的过程中, 压差的获取十分重要。将喷嘴流量计运用到稠油注汽测量过程中, 在线实时监测蒸汽干度及蒸汽压力等参数的变化, 实现蒸汽干度的连续测量。近些年来, 孔板流量计因其技术成熟, 结构简单等原因而被长期广泛应用在油田, 但是孔板流量计测量范围窄, 压力损失大, 价格昂贵, 并且流体流经孔板时在中心突然收缩, 这些造成了孔板流量计的精度不高[2]。而喷嘴流量计由于能克服标准孔板在测量中的问题而正逐渐受到越来越多的应用, 流体流经喷嘴时不是像孔板那样突然改变流体的流动状态, 在管道内放置一个开孔直径比管道内径还小的喷嘴, 当管道内充满流体且流体流经喷嘴时会造成流速在喷嘴板附近局部收缩, 使喷嘴上下游之间产生静压力差, 利用该静压力差可对流体的流量进行实时在线监测。此外, 喷嘴的阻力降小, 压差大, 使用喷嘴流量计可使流体的流动更加稳定, 这使得喷嘴越来越受欢迎, 其可替代孔板在油田开采时进行应用。喷嘴的结构性能很大程度上受到内部结构以及流场分布影响。

1 建立数学模型

与其它节流元件一样, 喷嘴流量计是建立在流动连续性方程与伯努利方程的基础上, 通过测量流体流经节流元件时产生的压差而进行流量的测量, 喷嘴流量计的结构原理图如图1所示。

流体从左方流入, 喷嘴流量计同样基于伯努利方程与流体连续性方程, 既遵守以下事实规律[3,4]:流体流经节流体时被加速, 动能增加, 同时根据能量守恒定律, 在流体被加速时, 静压力会降低一个相对应的值, 且压力降的大小与流体的流量有一定的函数关系, 压力降与流体体积流量呈线性增长关系, 流量的公式如下所示。

 

式中:qv—工况条件下的体积流量;

D—工况下测量管外直径;

d—测量管内直径;

C—流出系数, 无量纲;

ε—被测介质的可膨胀系数, 对于不可压缩流体ε=1, 气体和蒸汽均为可压缩流体, ε<1, 本文中, ε=1;

△p=PA-PB;

ρ—工况下节流体上游处的密度, kg/m3;

βr—节流体的直径比, 即节流体开口直径与管道内经之比。

式 (1) 参数△p为流体流经喷嘴后的压力降, 即喷嘴节流元件上下游的压力差, 为实现压力差的在线监测, 需在与喷嘴相接的前后管道适当位置开取压口, 而实践表明, 流体在流经喷嘴流量计时, 由于与管道内径尺寸的不同会出现回流, 从而造成在喷嘴出口附近的压力和速度的不稳定, 而想要获得稳定的压差, 需要寻找合适的高低压取压口。同时, 目前油田使用的喷嘴与管道配合的尺寸类型有三种, 而不同种类的管道所产生的回流强度并不相同, 因而所取的低压取压口的位置也各不相同。为实现上述目的, 本文对管道在不同流速下利用Fluent进行流体仿真, 寻求合适的取压口。

图1 喷嘴流量计Fig.1 Nozzle flowmeter

图1 喷嘴流量计Fig.1 Nozzle flowmeter   下载原图

流体力学的连续性方程:连续性方向即质量守恒方程[5]:

 

式中:ux、uy、uz—沿x、y、z三个方向的速度分量, m/s;

t—时间, s;

ρ—密度, kg/m3

动量方程的本质是满足牛顿第二定律。

 

式中:P为流体微元体上的压强, Pa;

τxx、τxy、τxz——等实在微元体表面上的粘性应力τ的分量, Pa;

fx、fy、fz——三个方向的单位质量, m2/s。

2 几何模型与网格划分

整个检测段分别由高压段筒体、低压段筒体、喷嘴三部分组成。喷嘴流量计总长392 mm, 外直径Ф89 mm, 内直径φ65 mm。高压段筒体与低压段筒体之间靠喷嘴流量计连接。流体从高压段筒体流进, 流经喷嘴流量计, 从低压段筒体流出。在模拟过程中, 由于喷嘴流量计为轴对称模型, 故进行了简化处理 (计算域选取一半) , 图2仅给出了模型计算域的局部网格划分图。为了模拟实际流动状态, 利用meshing生成了结构化网格[6,7,8], 于喷嘴附近流场变化剧烈, 在喷嘴附近将网格进行局部加密, 边界采用膨胀层, 有助于改善网格质量, 为保持网格的光滑度、避免因邻近单元面积的快速变化而导致大的截断误差和节省计算时间等目的, 使skewness中的数值小于0.9。入口边界设置为沿管道轴向均匀速度入口, 出口为压力出口, 各求解变量收敛残差值设置为1×10-3, 求解器为瞬态求解, 壁面无滑移。

图2 局部网格Fig.2 Local grid of nozzle flowmeter

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3 边界条件设置及结果分析

喷嘴流量计内部流动的介质为湿蒸汽, 属于气液两相流。其工况性质如表1所示。入口边界设置为沿管道轴向均匀速度入口。出口为压力出口, 流体从管道左侧流入, 右侧流出。

表1 工作流体的工况Table 1 Working condition of working fluid     下载原表

表1 工作流体的工况Table 1 Working condition of working fluid

3.1 压力分布

图3、图4和图5别为5、10和16 MPa下流道内部截面压力云图, 从图中可以明显的看出:流体从左侧进入管道, 压力较均匀, 随着流体流通面积变窄, 每个喷嘴流量计的后方都出现了旋流, 且旋流的大体趋势相近, 此即为漩流分离现象。流体从喷嘴喉部处两侧脱离产生旋流, 流体流过喷嘴后, 旋流强度由强变弱, 最后慢慢趋于稳定。随着环境的不断变化, 喷嘴与管道之间的缝隙处的旋流程度不断变化。相应的, 压力也都是在旋流发声体附近较弱, 达到一个最低值, 向下游的同时压力也会逐渐加强, 随后压力又随着流道的扩张而逐渐恢复。

图3 5 MPa下压力云图Fig.3 5 MPa pressure cloud

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图4 10 MPa下压力云图Fig.4 10 MPa pressure cloud

图4 10 MPa下压力云图Fig.4 10 MPa pressure cloud   下载原图

图5 16 MPa下压力云图Fig.5 16 MPa pressure cloud

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3.2 速度分布

图6、图7和图8分别为5、10a和16 MPa下的速度云图, 图9、图10和图11分别为5、10和16 MPa下的速度矢量图。从速度矢量图能够清晰地看到旋流, 这是因为根据流量守恒的要求, 流体流过管道时, 流入的量和流出的量相等, 则通道窄、过流面积小时, 流速较大。因此, 速度在喷嘴处突然变大, 在, 流体会不同程度的流往喷嘴下游与管道内壁缝隙处, 因此在喷嘴尾部会产生漩流, 流过喷嘴后下降并逐渐趋于稳定。

图12给出了速度在喷嘴下游低压区外轮廓与管道内壁的中间轴线处的分布曲线。由图可知, 由于与壁面的摩擦, 流体进入管道产生能量损失, 压力缓慢下降, 根据能量守恒, 速度会有所提升。随着流体不断靠近节流喷嘴, 通流面积逐渐减小, 速度在节流体处变化较大。流体在喷嘴出口处形成旋流, 并不同程度的向内蔓延。旋流主要体现在喷嘴后方一定范围, 同时在喷嘴与管道内壁夹缝的最里端则会形成相反方向的旋流。如速度矢量图所示, 对应曲线276 mm处也会产生相应的波动。并且随着压力的增大, 速度在此处也会增加的越快, 随着流体离喷嘴越来越远, 速度又逐渐达到平衡。

4 取压位置的优化

根据模拟结果, 高压段筒体内流体的压力分布和速度分布比较均匀, 同时高压取压管嘴的焊接位置与喷嘴入口端面应保持一定距离, 两者不要离的太近, 否则安装不方便。因此高压取压口取在距离喷嘴入口端面不低于1.6D处。选取低压取压口位置时, 由于低压取压口处在喷嘴下游, 在喷嘴喉部外表面与管道内壁间靠近出口端面处流体会产生旋流, 如图8、图9和图10流场速度矢量图所示, 使得低压取压腔体内局部压力发生变化, 为避免漩流, 以获得稳定的压差, 低压取压开口位置应选择在低压取压腔内压力相对稳定的地方。以喷嘴流量计流体入口断面为起点, 出口断面为终点, 如表2所示选取低压取压腔体内不同位置在5、10、16 MPa三种不同工况压力条件下低压端压力分布值, 由此可以看出, 低压取压腔体内266 mm位置至喷嘴末端面270 mm位置在三种工况条件下压力降低变化都很明显, 这是因为喷嘴末端旋流导致。因此, 低压取压口轴线应选择在距离喷嘴出口断面逆着流体流动方向不小于0.09D处。

图6 5 MPa下速度云图Fig.6 5 MPa speed cloud

图6 5 MPa下速度云图Fig.6 5 MPa speed cloud   下载原图

图7 10 MPa下速度云图Fig.7 10 MPa speed cloud

图7 10 MPa下速度云图Fig.7 10 MPa speed cloud   下载原图

图8 16 MPa下速度云图Fig.8 16 MPa speed cloud

图8 16 MPa下速度云图Fig.8 16 MPa speed cloud   下载原图

图9 5 MPa下速度矢量图Fig.9 5 MPa speed vector map

图9 5 MPa下速度矢量图Fig.9 5 MPa speed vector map   下载原图

图1 0 10 MPa下速度矢量图Fig.10 10 MPa speed vector map

图1 0 10 MPa下速度矢量图Fig.10 10 MPa speed vector map   下载原图

图1 1 16 MPa下速度矢量图Fig.11 16 MPa speed vector map

图1 1 16 MPa下速度矢量图Fig.11 16 MPa speed vector map   下载原图

图1 2 速度分布Fig.12 Velocity distribution of working medium

图1 2 速度分布Fig.12 Velocity distribution of working medium   下载原图

5 结论

以流体力学为理论研究基础, 利用FLUENT仿真软件对65 mm口径不同工况压力下喷嘴流量计进行数值模拟, 得出结论:喷嘴附近流体压力场以及速度场变化复杂, 在喷嘴喉部末端压力急速下降, 速度急剧上升, 产生旋流分离现象, 造成低压取压腔体内压力不稳, 因此选取低压取压口位置时应避免旋流, 同时取压管嘴的焊接位置与喷嘴入口端面应保持一定距离, 两者不要离的太近, 否则会加大安装难度。根据模拟结果分析, 高压取压口应取在距离喷嘴入口端面不低于1.6D处, 低压取压口轴线应选择在距离喷嘴出口断面逆着流体流动方向不小于0.09D处。

表2 低压取压腔内压力随位置变化Table 2 Pressure change with position in the low-pressure pressure-tapping intracavity     下载原表

表2 低压取压腔内压力随位置变化Table 2 Pressure change with position in the low-pressure pressure-tapping intracavity

虽然采用流场数值模拟与实际测量压差一样存在着误差, 但应用本文所建立的流场数值模拟模型可以对喷嘴流量计流场分布规律进行具体形象的研究, 并可根据具体的应用场合计算出相应的参数, 仿真结果与理论推导相符合。