多孔介质内油水流动阻力系数实验分析

吴国忠, 邢永强, 吕　妍, 齐晗兵, 李　栋

(1. 东北石油大学 土木建筑工程学院, 黑龙江 大庆　163318;2. 大庆石化公司 信息技术中心, 黑龙江 大庆　163318)



多孔介质内油水流动阻力系数实验分析

吴国忠1, 邢永强1, 吕妍2, 齐晗兵1, 李栋1

(1. 东北石油大学 土木建筑工程学院, 黑龙江 大庆163318;2. 大庆石化公司 信息技术中心, 黑龙江 大庆163318)

基于多孔介质油水迁移的阻力系数测量装置,以水和油为工质,测量了其在近似均匀、混合粒径玻璃球通道内的流动阻力特性,并拟合了速度-压降的曲线关系表达式,计算得到了黏性、惯性阻力系数。研究结果表明:单相介质在通过均匀粒径多孔介质区域时受到的惯性阻力影响比通过混合粒径时受到的惯性阻力影响明显小；黏性阻力影响比通过混合粒径时受到的黏性阻力影响明显大;多相介质在通过均匀粒径多孔介质区域时受到的惯性、黏性阻力影响均比通过混合粒径时小;在粒径条件相同时,单相介质受到的惯性阻力影响明显比多相介质小,其黏性阻力影响明显比多相介质大。

多孔介质； 油水迁移； 阻力系数实验

在研究输油管道泄漏污染物迁移、油田驱油过程、污染土壤冲洗修复等问题时,液体在土壤、砂石、地层等多孔介质中的迁移特性是进行相关研究的基础[1-3],液体在多孔介质流动的黏性阻力系数和惯性阻力系数是进行其迁移特性数值分析的关键参数。

目前,很多学者已对多孔介质中的阻力系数进行了研究[4-7],并提出了相应的计算模型。刘双科等[8]发展了弯曲流道的颗粒堆积型多孔介质内流体流动的毛细管束模型,分析了低雷诺数、低孔隙率范围内颗粒多孔介质渗透率、阻力特性；刘学强等[9]通过实验研究高雷诺数条件下多孔介质内单相流阻力特性,获得了相应的阻力关系式；于立章等[10]应用相似理论减小多孔介质通道的尺寸,建立颗粒填充多孔介质的通道模型,对模型中的单相水绝热流动阻力特性进行了数值模拟。张楠和孙中宁[11]以水和空气为工质,用玻璃球模拟多孔介质对气-液两相流动阻力特性进行了实验研究；杨晓明等[12]通过高速摄影仪研究多孔介质通道内气液两相流体垂直向上流动的流型,对分相模型阻力关系式和均相模型阻力关系式进行了拟合；窦智等[13]利用标准砂，及纯净水、汽油组成多孔介质油水两相系统,测定了相对渗透率与饱和度的关系曲线；施小清等[14]基于地下水随机理论构建渗透率随机场,采用蒙特卡罗方法探讨了泄露速度对非均质饱和介质中重非水相污染物运移的影响。上述文献表明,多孔介质内流动介质对其阻力特性影响显著,而目前关于颗粒多孔介质内油水阻力系数研究甚少。

本文以输油管道泄漏油水污染物在颗粒多孔介质内流动阻力特性为研究背景,以油水为实验工质,设计了多孔介质油水迁移的阻力系数测量装置,测量了其在颗粒多孔介质通道内的流动阻力特性,拟合了其速度-压降表达式,得到了其黏性和惯性阻力系数。

1　实验方法

图1为实验装置示意图,该装置由进液管段、实验管段、循环液体管段、固定支撑托架等部分组成。实验测量管段由长度1 500 mm、内径50 mm的不锈钢管制成,水平安装在实验台上。实验段内可填充直径为0.8～0.9 mm的均匀粒径玻璃球，或直径为0.8～0.9 mm与0.9～1.18 mm、按照体积比1:1混合的混合粒径玻璃球,形成不同粒径参数的多孔介质通道。实验段内安装不锈钢隔离筛网防止玻璃球流出。实验工质为水和油,其中油是32#白油,油水体积比为1∶2。室温时32#白油密度小于水,油水混合时会发生分层现象,加热温度至60 ℃时呈现良好的混合状态,适合实验操作,因此实验温度控制在60 ℃。

实验工质由入液管进入储液罐,经加热和搅拌到一定温度后,由泵将其从储液罐抽进实验测量管段,然后实验工质经循环管回到储液罐。介质压降通过差压变送器测量,流量由流量变送器测量,由压降和流量关系确定多孔介质内油水迁移的黏性阻力系数和惯性阻力系数。

图1　实验装置示意图

实验管段中多孔介质内流体的流速和压降满足一定的联系,其速度-压降关系表达式如下[15-16]:

ΔP=Av+Bv2

(1)

式中,A与B为拟合系数；ΔP为压降,Pa；v为流速,m/s。

通过实验数据确定A与B,然后可得到实验管段中多孔介质内流体的黏性阻力系数和惯性阻力系数,其计算公式为：

(2)

(3)

2　实验结果及分析

图2为在均匀粒径和混合粒径条件下水通过实验管段的速度-压降数据及其拟合结果。由图2可见：保证通道入口流速相同时,单相介质水通过均匀粒径多孔介质实验管段的压降大于混合粒径,而且随着通道入口流速增加,这种趋势更加明显；当流速超过0.04 m/s时,实验数据明显偏离拟合曲线,说明速度-压降关系表达式中的惯性项发挥了显著的作用。

图2　单相介质的速度-压降曲线

图3为多相介质的速度-压降曲线。由图3可见,保证通道入口流速相同时,多相介质油水通过均匀粒径多孔介质实验管段的压降小于混合粒径,而且通道入口流速增加其趋势更明显；但当流速超过0.0 4m/s时,实验数据偏离拟合曲线优于单相介质,从而说明油的黏性系数在通过多孔介质实验管段时影响很大。由图2和图3可知：均匀粒径相同流速时,单相介质水通过多孔介质实验管段的压降大于油水多相介质；而在混合粒径相同流速时,单相介质水通过多孔介质实验管段的压降小于油水多相介质。

图3　多相介质的速度-压降曲线

根据图2和图3中速度-压降的拟合曲线确定A与B,通过方程(2)和方程(3)得到的多孔介质内流体的黏性阻力系数和惯性阻力系数的计算结果见表1(表中r为拟合度)。

表1　油水在多孔介质中的阻力系数

可见：均匀粒径时水的惯性阻力系数比油水小2.66%,而黏性阻力系数比油水大；混合粒径时水的惯性阻力系数比油水小40.32%,而黏性阻力系数比油水大；水在通过均匀粒径时的黏性阻力系数比通过混合粒径时大,而惯性阻力系数比通过混合粒径时小16.62%；油水通过均匀粒径时的黏性阻力系数比通过混合粒径时小24.32%,而惯性阻力系数比通过混合粒径时小47.25%。

3　结论

研究采用玻璃球模拟多孔介质区域,基于多孔介质油水迁移的阻力系数测量装置,分别以水为单相介质和以水-白油32#两相介质作为为工质,测量了其在近似均匀、混合粒径玻璃球通道内的流动阻力特性。通过拟合速度-压降的曲线关系表达式对油水流动的阻力系数进行计算和分析,得到如下结论:

(1) 单相介质在通过均匀粒径时受到的惯性阻力比通过混合粒径时小,而受到的黏性阻力比通过混合粒径时大；

(2) 多相介质在通过均匀粒径时受到的惯性阻力和黏性阻力均比通过混合粒径时小；

(3) 粒径相同时,单相介质受到的惯性阻力比多相介质小,而受到的黏性阻力影响比多相介质大。

References)

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[11] 张楠,孙中宁. 多孔介质通道内气-液两相流动阻力特性实验[J]. 核动力工程,2011,32(3):106-110.

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Experimental analysis of resistance coefficient of oil and water flow in porous media

Wu Guozhong1, Xing Yongqiang1, Lü Yan2, Qi Hanbing1, Li Dong1

(1. School of Civil Engineering and Architecture, Northeast Petroleum University,Daqing 163318,China;2. Information Technology Center, Daqing Petrochemical Company, Daqing 163318,China)

Based on resistance coefficient measuring device of oil and water migration in porous medium,taking water and oil as working fluid, the resistance characteristics of water and oil flow in homogeneous approximation and mixed grain particle size glass ball channel were measured,and the velocity and pressure drop curve expression was calculated,and then viscous and inertia resistance coefficients of water and oil flow in glass ball were established. The results show that the inertia resistance of single phase medium is significantly smaller than that by mixing particle size,and the effect of viscous drag is larger than that by mixing particle size. The inertia and viscous drag of multiphase medium through uniform particle size porous media region are less than those with the mixed size. Under the same particle diameter,the inertial resistance effect of multiphase medium is obviously more than that of single-phase medium,but its viscous resistance is weak compared with single-phase medium.

porous media; oil-water migration; resistance coefficient experiment

10.16791/j.cnki.sjg.2016.10.010

实验技术与方法

2016-04-01修改日期：2016-07-06

国家自然科学基金项目(51274071)；中国石油科技创新基金研究项目(2015D-5006-0605)

吴国忠(1961—)，男，黑龙江林口，博士，教授，主要从事传热传质专业方向的研究E-mail：lidonglvyan@126.com

齐晗兵(1975—)，男，黑龙江齐齐哈尔，博士，教授，主要从事埋地管道泄漏检测及三元废水处理等方向的研究.E-mail：qihanbing@sina.com

O357.3

A

1002-4956(2016)10-0034-04