張辛 葛家旺 高嘉寶 孟翔

DOI：10.20031/j.cnki.0254?6094.202403017

摘 要? 針對(duì)海域天然氣水合物水射流破碎開(kāi)采，對(duì)角形噴嘴、亥姆霍茲噴嘴、錐形噴嘴開(kāi)展天然氣水合物儲(chǔ)層條件下空化效果對(duì)比，并深入研究進(jìn)口壓力、出口壓力對(duì)亥姆霍茲噴嘴空化特性的影響。建立噴嘴內(nèi)流場(chǎng)的數(shù)學(xué)模型和物理模型，采用流體仿真軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，以氣含量作為判斷空化效果的主要依據(jù)開(kāi)展研究。模擬結(jié)果表明：天然氣水合物儲(chǔ)層條件下，亥姆霍茲噴嘴空化性能優(yōu)于角形噴嘴和錐形噴嘴，噴嘴內(nèi)部最大氣含量達(dá)到0.95;保持其他條件不變，進(jìn)口壓力越大，亥姆霍茲噴嘴產(chǎn)生的空化效果越好;天然氣水合物儲(chǔ)層的高壓環(huán)境會(huì)產(chǎn)生阻滯作用，降低亥姆霍茲噴嘴空化性能。

關(guān)鍵詞 天然氣水合物 空化射流 數(shù)值模擬 射流破碎

中圖分類(lèi)號(hào) TE95?? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A?? 文章編號(hào) 0254?6094（2024）03?0448?07

Numerical Simulation of the Flow Field in the Cavitation Nozzle for Marine Gas Hydrate

ZHANG Xin， GE Jia?wang， GAO Jia?bao， MENG Xiang

（College of Electromechanical Engineering， China University of Petroleum （East China））

Abstract?? Considering the water jet crushing exploitation of marine gas hydrate， the cavitation effects of angle nozzle， Helmholtz nozzle and conical nozzle under the conditions of natural gas hydrate reservoir were compared， and the influence of both inlet and outlet pressure on cavitation characteristics of Helmholtz nozzle was investigated， including having mathematical model and physical model of the flow field in the nozzle established， and the fluid simulation software adopted for the numerical simulation and the gas content based to judge cavitation effect. The simulation results show that， the cavitation performance of Helmholtz nozzle outperforms that of both angle nozzle and conical nozzle under the condition of natural gas hydrate reservoir. The maximum gas content inside the nozzle reaches 0.95. When other conditions keep unchanged， the greater inlet pressure brings about better cavitation effect produced by Helmholtz nozzle; the high?pressure gas hydrate reservoir produces blocking effect and reduces cavitation performance of Helmholtz nozzle.

Key words?? natural gas hydrate， cavitation jet， numerical simulation， jet crushing

作者簡(jiǎn)介：張辛（1987-），副教授，從事石油機(jī)械工程、非常規(guī)能源裝備、機(jī)械電子工程的研究。

通訊作者：葛家旺（1998-），碩士研究生，從事空化射流技術(shù)的研究，1937731755@qq.com。

引用本文：張辛，葛家旺，高嘉寶，等.海域天然氣水合物空化噴嘴內(nèi)流場(chǎng)數(shù)值模擬[J].化工機(jī)械，2024，51（3）：448-453;476.

天然氣水合物是在低溫高壓條件下形成的籠型固態(tài)化合物，相對(duì)于常規(guī)能源，天然氣水合物分布范圍廣、儲(chǔ)存量大、利用率高，因此，實(shí)現(xiàn)天然氣水合物的高效安全開(kāi)采至關(guān)重要[1，2]。水射流破碎開(kāi)采法是近年來(lái)提出的天然氣水合物開(kāi)采方法，利用噴嘴產(chǎn)生的射流打碎海底水合物儲(chǔ)層，不需要改變儲(chǔ)層的溫度和壓力條件，可以大幅提高開(kāi)采儲(chǔ)層的安全性?？栈窃诰植康蛪簵l件下發(fā)生的液體轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w的現(xiàn)象，如果在水射流中引入空化作用，可以對(duì)天然氣水合物儲(chǔ)層產(chǎn)生射流沖擊和空泡沖蝕的雙重作用[3，4]。

為了提升空化射流的效果，前人對(duì)產(chǎn)生空化射流的關(guān)鍵部件空化噴嘴開(kāi)展了大量研究。向美景等研究了亥姆霍茲上噴嘴出口結(jié)構(gòu)對(duì)空化射流自激振蕩特性的影響，結(jié)果表明，上噴嘴的出口凸出長(zhǎng)度對(duì)自激振蕩特性產(chǎn)生顯著的影響[5]。萬(wàn)春浩等研究了角形噴嘴對(duì)空化射流空化效果的影響，并基于FLUENT流體仿真軟件對(duì)角形噴嘴的內(nèi)外流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果表明，增大噴嘴進(jìn)口壓力可以提高射流空化效果[6]。廖松等采用沖蝕靶材的方法對(duì)新型中心體空化噴嘴進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明，新型中心體空化噴嘴在壓力較低情況下性能較好，在相同泵壓下，沖蝕性能優(yōu)于角形噴嘴[7]。張逸群等研究了旋轉(zhuǎn)空化射流噴嘴對(duì)射流沖擊特性的影響，結(jié)果表明，旋轉(zhuǎn)空化射流的負(fù)壓分布范圍大，具有更強(qiáng)的空蝕效應(yīng)[8]。陳松平等研究了縮放型噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)射流流場(chǎng)的影響，結(jié)果表明，噴嘴擴(kuò)張角對(duì)空化射流影響較大，射流剪切層內(nèi)產(chǎn)生許多漩渦結(jié)構(gòu)[9]。上述研究分析了不同結(jié)構(gòu)空化噴嘴的空化效果及其影響因素，豐富了空化射流相關(guān)理論，但現(xiàn)有針對(duì)空化噴嘴的研究大多局限于常壓條件，針對(duì)天然氣水合物儲(chǔ)層的高圍壓環(huán)境，需要進(jìn)一步探究不同類(lèi)型空化噴嘴的性能優(yōu)劣以及空化性能影響因素。

筆者利用計(jì)算流體力學(xué)對(duì)角形噴嘴、亥姆霍茲噴嘴、錐形噴嘴的內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，以氣含量為判斷空化效果的主要依據(jù)，探究3種空化噴嘴在天然氣水合物儲(chǔ)層條件下的空化效果強(qiáng)弱，針對(duì)亥姆霍茲噴嘴，進(jìn)一步研究了進(jìn)口壓力、出口壓力對(duì)空化射流效果的影響，為空化射流在天然氣水合物開(kāi)采領(lǐng)域的應(yīng)用提供參考。

1 物理模型

1.1 幾何模型

基于前人對(duì)空化噴嘴的研究，建立3種空化噴嘴內(nèi)腔結(jié)構(gòu)（圖1），對(duì)于角形噴嘴，入口段長(zhǎng)7 mm，入口段收縮角13.5°，中間段長(zhǎng)3 mm，中間段直徑2 mm，出口段長(zhǎng)5 mm，出口段擴(kuò)散角60°;對(duì)于亥姆霍茲噴嘴，入口段長(zhǎng)7 mm，入口段直徑3.4 mm，中間段長(zhǎng)3 mm，中間段直徑12 mm，中間段傾斜壁夾角120°，出口段長(zhǎng)5 mm，出口段直徑4 mm;對(duì)于錐形噴嘴，入口段長(zhǎng)7 mm，入口段收縮角25°，出口段長(zhǎng)8 mm，出口段直徑2 mm。

1.2 邊界條件及網(wǎng)格劃分

基于噴嘴的對(duì)稱性，為了節(jié)約計(jì)算資源，采用二維軸對(duì)稱模型進(jìn)行流場(chǎng)計(jì)算[10]。設(shè)置噴嘴入口邊界條件為壓力入口，設(shè)置噴嘴出口邊界條件為壓力出口，為保證流體在噴嘴中正常流動(dòng)，需保證進(jìn)口壓力高于出口壓力。湍流參數(shù)選擇湍流強(qiáng)度與水力直徑，進(jìn)出口湍流參數(shù)均設(shè)置為5%。固體壁面條件滿足無(wú)滑移壁面條件，進(jìn)壁面區(qū)域采用壁面函數(shù)處理[11，12]。流場(chǎng)迭代求解方法選擇Coulped，離散格式選擇QUICK方程。

用DesignModeler軟件進(jìn)行建模后，利用Meshing對(duì)整個(gè)噴嘴進(jìn)行網(wǎng)格劃分。精密的網(wǎng)格可以保證模擬流動(dòng)的真實(shí)性，因此，在噴嘴壁邊界層區(qū)域進(jìn)行局部加密，充分保證網(wǎng)格的質(zhì)量，最終網(wǎng)格的平均質(zhì)量大于0.9。

2 數(shù)學(xué)模型

空化射流涉及液體復(fù)雜的相變過(guò)程，因此，空化射流屬于湍流流動(dòng)，筆者選取混合模型和RNG k湍流模型進(jìn)行計(jì)算。

2.1 混合模型

混合模型允許不同相之間的滲透，計(jì)算精度高，不容易出現(xiàn)發(fā)散現(xiàn)象，可以同時(shí)和空化模型使用求解[13，14]?；旌夏Ｐ偷倪B續(xù)方程為：

（ρ）+▽·（ρ）=0???? （1）

式中 ——質(zhì)量平均密度;

ρ——混合物的密度。

2.2 湍流模型

RNG k模型是一種兩方程湍流模型，不僅在漩渦捕捉方面有很大的優(yōu)勢(shì)，而且對(duì)雷諾數(shù)適應(yīng)性強(qiáng)，具有很高的湍流計(jì)算精度，適合復(fù)雜剪切流，在空化噴嘴的流場(chǎng)模擬中可以產(chǎn)生很好的模擬效果[15]。其k方程和ε方程分別為：

k方程+=（αμ）+G+G-ρε-Y （2）

ε方程+=（αμ）+C×（G+CG）-

Cρ-R? （3）

式中 C、C、C——經(jīng)驗(yàn)常數(shù);

G——浮力影響產(chǎn)生的湍流動(dòng)能;

G——平均速度梯度產(chǎn)生的湍流????????? 動(dòng)能;

k——湍流動(dòng)能;

R——空泡半徑;

Y——總耗散率;

α、α——普朗特常數(shù);

ε——湍流動(dòng)能耗散率;

μ——有效黏度。

3 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

3.1 不同噴嘴空化效果對(duì)比

當(dāng)流域局部壓力低于當(dāng)前環(huán)境溫度下流體飽和蒸氣壓時(shí)，流體會(huì)發(fā)生空化現(xiàn)象。天然氣水合物在低溫高壓環(huán)境下生成，筆者以水為研究對(duì)象，設(shè)置水的飽和蒸氣壓（5 ℃時(shí)）為900 Pa，模擬天然氣水合物儲(chǔ)層低溫環(huán)境，設(shè)置噴嘴出口壓力5 MPa，模擬天然氣水合物儲(chǔ)層的高壓條件，設(shè)置噴嘴進(jìn)口壓力40 MPa，保證流體的正常流動(dòng)。對(duì)于工程應(yīng)用水射流，噴嘴出口速度理論計(jì)算公式如下：

v=44.77?? （4）

式中 p——射流壓力，MPa;

v——射流速度，m/s。

對(duì)3種不同結(jié)構(gòu)的空化噴嘴完成空化射流數(shù)值仿真，提取各噴嘴出口軸線處的速度值，表1為噴嘴出口軸線處速度仿真計(jì)算值與理論計(jì)算值的對(duì)比，由表可見(jiàn)：3種不同結(jié)構(gòu)的空化噴嘴出口軸線處速度仿真計(jì)算值與理論計(jì)算值基本吻合，仿真誤差均在1%以內(nèi)，證明采用的仿真計(jì)算方法合理[16]。

表1 空化噴嘴出口軸線處速度值

[噴嘴類(lèi)型????? 出口軸線處速度/m·s-1????? 誤差/%?? 理論計(jì)算值??? 仿真計(jì)算值??? 角形噴嘴?????? 282.9????? 283.1????? 0.07 亥姆霍茲噴嘴??? 282.9????? 283.0????? 0.04 錐形噴嘴?????? 282.9????? 283.2????? 0.10 ]

圖2為3種不同結(jié)構(gòu)空化噴嘴的空泡分布云圖。由圖可見(jiàn)：3種空化噴嘴內(nèi)部均有空泡析出，其中，錐形噴嘴產(chǎn)生的空泡數(shù)量最少，僅在出口段壁面邊界層附近出現(xiàn)少量空泡，相比之下，角形噴嘴產(chǎn)生的空泡數(shù)量?jī)?yōu)于錐形噴嘴，這是由于角形噴嘴出口段存在擴(kuò)散角，可以為空泡提供足夠的發(fā)展空間。亥姆霍茲噴嘴產(chǎn)生的空泡數(shù)量最多，大量空泡集中在噴嘴中間段，且空泡對(duì)稱分布呈渦旋狀，造成這種現(xiàn)象的主要原因是亥姆霍茲噴嘴中間段存在傾斜壁結(jié)構(gòu)，在傾斜壁拐角處易形成漩渦低壓區(qū)，促進(jìn)空化泡的產(chǎn)生[17，18]。

圖3為3種不同結(jié)構(gòu)空化噴嘴內(nèi)部最大氣含量，由圖可見(jiàn)：不同結(jié)構(gòu)空化噴嘴內(nèi)部最大氣含量有明顯差異，亥姆霍茲噴嘴內(nèi)部最大氣含量達(dá)到0.95，角形噴嘴內(nèi)部最大氣含量達(dá)到0.75，相比之下，錐形噴嘴內(nèi)部最大氣含量?jī)H為0.55，氣含量越大，空化發(fā)生程度越劇烈，由此可見(jiàn)，空泡在亥姆霍茲噴嘴內(nèi)部發(fā)展?fàn)顟B(tài)最佳，可以產(chǎn)生更強(qiáng)的空蝕作用，有利于對(duì)水合物沉積物的沖擊破碎[19，20]。綜合噴嘴空泡分布云圖可以看出，3種不同結(jié)構(gòu)空化噴嘴中亥姆霍茲噴嘴在天然氣水合物儲(chǔ)層條件下空化效果最好。

3.2 進(jìn)口壓力對(duì)亥姆霍茲空化性能影響

空化噴嘴的工作性能受到多重因素的影響，當(dāng)噴嘴結(jié)構(gòu)和出口壓力維持不變時(shí)，進(jìn)口壓力對(duì)空化噴嘴性能產(chǎn)生很大的影響。保持出口壓力為5 MPa、使進(jìn)口壓力分別為30、40、50、60 MPa，分析進(jìn)口壓力對(duì)亥姆霍茲噴嘴氣含量的影響情況。由圖4可見(jiàn)：在不同進(jìn)口壓力作用下，亥姆霍茲噴嘴中間段均產(chǎn)生聚集性空泡，亥姆霍茲噴嘴出口段在壁面邊界層附近產(chǎn)生空泡，空泡在噴嘴內(nèi)部呈對(duì)稱分布，當(dāng)噴嘴進(jìn)口壓力為30 MPa時(shí)，亥姆霍茲噴嘴出口段僅有少量空泡，空泡在噴嘴出口段長(zhǎng)度占比不足二分之一，當(dāng)噴嘴進(jìn)口壓力為40 MPa時(shí)，亥姆霍茲噴嘴出口段空泡數(shù)量增多，空泡在噴嘴出口段長(zhǎng)度占比超過(guò)二分之一，當(dāng)進(jìn)口壓力繼續(xù)上升，空泡發(fā)展至亥姆霍茲噴嘴出口端，空泡在噴嘴出口段長(zhǎng)度占比達(dá)到百分之百。

圖5為不同進(jìn)口壓力作用下亥姆霍茲噴嘴內(nèi)部最大氣含量，由圖可見(jiàn)：亥姆霍茲噴嘴內(nèi)部最大氣含量隨進(jìn)口壓力的增加而上升，綜合不同進(jìn)口壓力下亥姆霍茲噴嘴的空泡分布云圖，可以得出，進(jìn)口壓力越大，亥姆霍茲噴嘴空化效果越好。這是由于進(jìn)口壓力提高，射流剪切層作用變強(qiáng)，容易形成大尺度的漩渦。因此，為了保證天然氣水合物儲(chǔ)層條件下亥姆霍茲噴嘴的空化效果，可以適當(dāng)提高噴嘴進(jìn)口壓力，但過(guò)高的噴嘴進(jìn)口壓力會(huì)造成對(duì)泵壓需求過(guò)大的情況，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，需要考慮噴嘴進(jìn)口壓力與泵壓的平衡。

3.3 出口壓力對(duì)亥姆霍茲空化性能影響

天然氣水合物儲(chǔ)層的高壓環(huán)境會(huì)對(duì)噴嘴空化性能產(chǎn)生很大的影響。因此，保持進(jìn)口壓力為50 MPa，使出口壓力分別為0、5、10、15 MPa，分析出口壓力對(duì)亥姆霍茲噴嘴氣含量的影響情況。由圖6可見(jiàn)：當(dāng)出口壓力為0 MPa時(shí)，亥姆霍茲噴嘴內(nèi)部產(chǎn)生大量空泡，空泡幾乎充滿噴嘴中間段，隨著出口壓力的不斷提高，亥姆霍茲噴嘴內(nèi)部空泡數(shù)量逐漸減少，當(dāng)出口壓力為15 MPa時(shí)，亥姆霍茲噴嘴內(nèi)部幾乎沒(méi)有空泡產(chǎn)生。

圖7所示為不同出口壓力作用下亥姆霍茲噴嘴內(nèi)部最大氣含量，由圖可見(jiàn)：隨著出口壓力的不斷增大，亥姆霍茲噴嘴內(nèi)部最大氣含量不斷降低。當(dāng)出口壓力為0 MPa時(shí)，噴嘴內(nèi)部最大氣含量達(dá)到0.9以上，當(dāng)出口壓力為5 MPa時(shí)，噴嘴內(nèi)部最大氣含量略有下降，但仍達(dá)到0.9以上，當(dāng)出口壓力繼續(xù)提高，噴嘴內(nèi)部最大氣含量下降率增大，出口壓力為15 MPa時(shí)，噴嘴內(nèi)部最大氣含量已經(jīng)低于0.6。綜合不同出口壓力下亥姆霍茲噴嘴的空泡分布云圖，可以得出，較大的出口壓力會(huì)對(duì)亥姆霍茲噴嘴空化產(chǎn)生抑制作用。這主要是由于出口的高壓力會(huì)對(duì)射流速度和空泡發(fā)展產(chǎn)生阻滯作用。

4 結(jié)論

4.1 天然氣水合物儲(chǔ)層條件下，亥姆霍茲噴嘴空化性能優(yōu)于角形噴嘴和錐形噴嘴。亥姆霍茲噴嘴內(nèi)部產(chǎn)生聚集性空泡，空泡對(duì)稱分布呈渦旋狀，空泡潰滅產(chǎn)生壓力波，有利于水合物沉積物的沖蝕破壞。

4.2 當(dāng)噴嘴結(jié)構(gòu)和出口壓力維持不變時(shí)，進(jìn)口壓力對(duì)空化噴嘴性能產(chǎn)生很大的影響。進(jìn)口壓力越大，亥姆霍茲噴嘴產(chǎn)生的空化效果越好。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)高壓泵的工作范圍，可以適當(dāng)提高噴嘴進(jìn)口壓力。

4.3 天然氣水合物儲(chǔ)層的高壓環(huán)境會(huì)降低亥姆霍茲噴嘴空化性能。當(dāng)出口壓力為0 MPa時(shí)，亥姆霍茲噴嘴內(nèi)部最大氣含量達(dá)0.9以上，當(dāng)出口壓力為15 MPa時(shí)，亥姆霍茲噴嘴內(nèi)部最大氣含量低于0.6。出口壓力越小，亥姆霍茲噴嘴產(chǎn)生的空化效果越好。

參 考 文 獻(xiàn)

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（收稿日期：2023-04-17，修回日期：2024-05-13）