挡板式泡沫发生器内部流场分析

刘承婷　衣蕊　栾伯川

摘 要：泡沫发生器是产生泡沫流体的设备，其发泡的基本原理是将空气引入发泡剂溶液中。应用数值模拟与PIV实验相结合，研究不同挡板角度对泡沫发生器内部气液两相流流动影响规律。该研究为疏松砂岩油藏冲砂洗井作业提供指导，为后续泡沫发生器结构设计提供理论依据。

关 键 词：泡沫流体；数值模拟；PIV实验；多相流

中图分类号：TE 97 文献标识码： A 文章编号：1671-0460（2017）07-1422-04

Analysis on Internal Flow Field of Baffle Foam Generator

LIU Cheng-ting1， YI Rui1， LUAN Bai-chuan2

（1. School of Petroleum Engineering， Northeast Petroleum University， Heilongjiang Daqing 163318，China；

2. Liaohe Oilfield Company Drilling Engineering Department， Liaoning Panjin 124010，China）

Abstract： The foam generator is a device that produces a foam fluid， and the basic principle of its foaming is to introduce air into the foaming agent solution. In this paper， numerical simulation and PIV experiment were used to study the influence of different baffle angles on the flow of gas-liquid two-phase flow in the foam generator. This study can provide guidance for the sand-flushing operation in unconsolidated sandstone reservoirs， and can provide the theoretical basis for the design of foam generator.

Key words： Foam fluid； Numerical simulation； PIV experiment； Multiphase flow

泡沫流体密度低、携带能力强，在油田实际生产中有着广泛的应用。泡沫流体的质量和性能对于提高泡沫应用效果发挥着至关重要的作用。因此对泡沫发生器内部流场进行数值模拟并结合PIV实验得出流场分布情况进而改善泡沫流体应用效果，同时对现场应用也具有很大的指导作用[1]。

本文运用流体力学相关知识，应用SolidWorks软件建立三维立体几何模型，将生成的文件导入ICEM中进行网格划分再导入Fluent软件进行数值模拟。基于Mixture方法、湍流标准模型及Coupled算法采用速度入口压力出口的边界条件通过改变挡板角度进行数值模拟并根据计算结果得出速度分布图和入口流线图。应用PIV技术对挡板式泡沫发生器进行实验研究，分析其内部流场的流动规律，对比数值模拟与实验结果[2]。

1 数值模拟

1.1 挡板式泡沫发生器几何建模

采用SolidWorks软件对挡板式泡沫发生器进行三维建模，如图1所示。模型全长1 000 mm，气液相入口长度65 mm、入口直径为φ20 mm。变径入口段长35 mm，气液混合腔外径为φ100 mm，泡沫液出口段长100 mm。整个模型壁厚5mm。挡板厚度5mm，挡板倾角分别为30°、45°、60°、90°。建模后将生成的文件导入ICEM中进行网格划分。

首先研究泡沫发生器内挡板倾角对泡沫发生器内气液两相流的影响，图2中挡板式泡沫发生器的混合段长度为200 mm，挡板间距115 mm，挡板倾角分别为30°、45°、60°、90°四种结构。

1.2 ICEM网格划分

将构建好的几何模型以parasolid*.x_t格式输出，其可较好地保留模型几何特征，并将输出的几何文件导入ANSYS ICEM 中进行网格划分处理，如图3所示。

网格质量好坏是影响数值模拟計算结果的重要因素，本文挡板式泡沫发生器计算域网格质量要求Min Angle值不小于18，Quality不小于0.4，即为合格的网格。本文模拟中最低网格质量为0.4，网格单元数316 334，网格节点数62 053，网格质量良好。

1.3 FLUENT数值模拟

泡沫发生器的结构直接影响产出泡沫的质量，本文运用数值模拟方法探究挡板倾斜角度对泡沫形成的影响[3]。以挡板倾斜角度为变量，其他结构参数不变，设计4组不同倾角的挡板结构，对不同挡板结构的泡沫发生器进行数值计算[4]。采用速度入口、压力出口的边界条件，气液进口速度均为1 m/s[5]。速度分布云图如图4所示，入口流线分布如图5所示。

气液两相以v=1 m/s的速度进入发生器时，可以看出30°挡板与45°挡板的泡沫发生器入口处流体上浮，60°挡板的泡沫发生器气液水平进入，而90°挡板的泡沫发生器气液两相流经入口后下沉。随着角度增加，依次增加的距离使得他们对于气液的阻挡效果不同。30°挡板的尖部距离入口最大，第一块挡板的阻挡作用最小。90°挡板的泡沫发生器，气液流入后，受到阻碍向下流动，是因为尖部距离入口最小，阻挡作用非常明显。

单独分析每个泡沫发生器可以看出，30°挡板的泡沫发生器产生三次较大的涡流，其中第四块挡板后部的涡流极小；45°挡板的泡沫发生器产生的第一次涡流明显比30°的扰动大，经过第四块挡板后的涡流几乎没有；