运行参数对煤层气空化喷嘴性能的影响

文 豪

（西安石油大学，机械工程学院，陕西 西安 710065）

煤层气，又称煤层瓦斯。我国的煤储层具有压力高、孔隙小、低渗透性及高吸附性的特点，使得大多数煤层气井表现为产气量低、产气时间短的现状[1-2]。利用高压水射流切割煤层技术在现场的应用已经比较成熟，现场应用较为广泛[3]。李晓红等就提高煤层气采收率这一问题，提出了通过水射流产生空化效应形成声场来促进解吸的方法[4]。葛兆龙等研究发现煤样中气体经过空化声场处理后的解吸时间明显减少，渗流速度明显增大[5]。

G Peng等[6]通过数值分析，发现空化发生在喷管喉部入口处，气泡云沿边界层向下游流动时膨胀发展。国内学者在此基础上通过建立喷嘴模型进行数值模拟以及试验的方法研究了不同喷嘴结构[7]，不同空化模型[8]对空化性能的影响关系，以及不同压力比值条件下,空化数、流量系数、含气率和气相质量交换率变化及分布情况[9]。

1 空化数值模拟方法

1.1 数学模型建立

本次模拟采用Mixture模型[10]。

1） 连续性方程

式中：t为时间，s；ρm为混合密度，kg/m3；νm为质量平均速度，m/s；ρk为第k相密度，kg/m3；m为由于空穴或者用户自定义的质量源产生的质量传递，kg；αk为第k的体积分数，通常来说设水为第一相，水蒸气为第二相。

2） 能量方程

式中：keff为有效热传导率；SE为包含全部的体积热源。

第二相p相对于主相q存在的滑移速度vqp为：

第二相p体积分数方程为：

1.2 几何模型建立

本文以赫姆霍兹空化喷嘴为基础进行模型建立，自激脉冲喷嘴由自激腔体、上喷嘴、下喷嘴及碰撞壁组成。由于喷嘴的结构为对称结构，所以在进行模型建立的时候，仅仅对上半部分进行建模即可。另外在此基础上，不同的区域对精度的要求不同，因此对入口段以及近壁面等部位进行网格加密。模型建立及网格划分如图1所示。

图1 模型建立及网格划分Fig.1 Model establishment and mesh division

2 数值模拟结果及分析

2.1 入口流速对空化性能的影响

入口流速是影响空化产生的重要因素之一，它的大小直接影响到振荡腔内剪切层的强度及稳定性。分别对上喷嘴入口流速V=25m/s、V=30m/s 、V=35m/s、V=40m/s、V=45m/s、V=50m/s、V=55m/s、V=60m/s进行8组模拟，对比各个流速下水蒸气体积分数折线图。见图2。

图2 不同入口流速下水蒸气体积分数变化Fig.2 Variation of water vapor volume fraction at different inlet flow rates

由图2中看出，当入口流速较低时难以产生有效的气相区域，且气相区不易扩散，主要集中在下喷嘴靠近碰撞壁面，随着流速的不断增大振荡腔内产生的空化效果增强，气相区开始向振荡腔内扩散。当入口流速达到40m/s时，空化能力显著增强，且在振荡腔内能够产生理想的气相区域，随着入口流速的继续增大，气相区域扩张的速度放缓，并慢慢趋于稳定。

2.2 出口围压对空化性能的影响

出口围压设置为0MPa、0.05MPa、0.1MPa、0.15MPa、0.2MPa、0.25MPa进行6个工况下的模拟，同时对比入口流速为45m/s、50m/s、55m/s三个流速下的空化性能并绘制水蒸气体积分数折线图。见图3。

图3 不同围压下各入口流速水蒸气体积分数变化Fig.3 Variation of water vapor volume fraction at each inlet flow velocity under different confining pressures

由图3中看出，当围压为0时的空化能力最强，随着出口围压的不断增大，空化能力降低，当围压达到0.25MPa时，三种入口流速下均难以产生有效空化。在入口流速为45m/s时，围压从0.05MPa提高到0.1MPa时抑制能力瞬间变大，而在入口流速为50m/s和55m/s时，抑制能力瞬间变大是在围压从0.05MPa提高到0.1MPa时，对比三种流速，可以看出适当的提高入口流速可以降低出口围压对振荡腔空化能力的抑制作用。

3 结论

1）在对入口流速进行数值模拟的情况下发现，随着入口流速的增大，空化能力不断提高，在入口流速为40m/s时空化能力瞬间增强，继续增大流速，空化性能变化不大，因此得出最佳入口流速为40m/s。

2）通过对出口围压的模拟发现，随着出口围压的增大空化效果不断降低直至无法产生空化，当适当提高入口流速时，围压的抑制效果将被渐弱。