管道内消能器的研究现状和发展方向

张 衡，李明星，张宏瑜

（西安石油大学石油工程学院，陕西 西安 716500）

我国的经济发展和社会进步使得对石油等能源的需求不断增加，但能源的储量和再生产能力有限，为此必须深入地下，开采更多的油气资源，以维护我国能源战略的安全。我国独特的深层油田地质条件，导致石油开发中存在许多不利因素和亟待解决的工程问题。

在油气田的生产中，水力压裂等开采方式导致反排的开采液处于高压状态，给安全生产带来威胁，因此要对管道内的流体进行降压处理。管道消能是通过改变流体的流通面积，使流体发生紊流，动能变成热能，以实现能量耗散，其目的是消耗能量，降低压力，变化的流通面积会引起流体的剪切效应，从而在管道内部产生涡流进行耗散。目前，管道内消能结构通常包括旋流式、突扩突缩式和新内效能结构等3 种类型。

1 突扩突缩内消能结构

突扩突缩式通过骤然变化的管道半径，使流体在不连续的管道内界面改变运动方向，流体发生相互碰撞而形成紊流，又可细分为孔板式、洞塞式和齿墩式。

1.1 孔板式内消能

随着突扩突缩式内消能工研究的发展，为了减轻含砂原油因冲蚀而损坏管壁、造成设备空蚀的危险性，学者们提出了一种新型的孔板式消能结构。孔板式消能结构将管道断面半径突然收缩为孔板处半径，使得管内流体大部分无法通过，经过孔板的挤压和碰撞后，水流的能量部分转化为动能并发生相互碰撞，从而达到消能的目的。

根据孔板数目，孔板式结构可分为单级孔板和多级孔板。从实验研究和工程实践发现，多级孔板的降压效果更优。小浪底水利枢纽[1]作为当时世界上采用孔板消能技术的最大的泄洪洞，研究者对孔板消能效果、水流空化、脉冲破坏、空腔负压等问题进行了现场测试，为孔板消能技术提供了大量实验数据，并从结果验证了正确的模型理论。哈焕文及其团队[2]在碧口水电站的排沙洞中对两级孔板结构进行了试验比较，结果显示，这种结构在消能效率和抗空化性方面均表现得更出色。孔板之间扩散室的长度称为孔板间距，赵慧琴[3]强调了合理选择孔板间距的重要性，因为不合理的孔板间距会导致工程浪费。如果孔板间距小于水流恢复长度，则无法实现真正的消能，只有孔板间距基本等于水流恢复长度时，才能实现经济合理。此外，需要对多级孔板进行不同孔径比的优化组合，以满足消能、保证流量、减小脉冲和防止空蚀等方面的要求。

孔板式结构的加工难度低，结构简单，具有优良的消能效率。何宁和赵振兴通过模型试验和物理模型的补充，讨论并验证了k-ω 紊流模型用于孔板消能的流场研究是可行的，并深入研究了消能机理，发现消能系数K随孔径比的变化而发生剧烈变化，孔径比越小，消能系数K越大，消能效果越好[4]。孔板后回流区长度也是消能工重点关注的流体参数之一。艾万政、周琦等人通过理论计算和建模模拟，总结出了孔板回流区长度的经验表达式，并确定了影响回流区长度的因素及其与水头损失的联系。研究结果表明，雷诺数大于105 时，回流区长度几乎不变化；当孔板厚度和雷诺数保持一定时，减小孔径比，回流区长度反而增长；当雷诺数恒定且孔径比固定时，减小孔板厚度，回流区长度增加。随着回流区长度的增加，孔板的能量损失系数随之增大[5]。

高广合、刘亮对坡度为5%的陡槽溢洪道孔板消能工的消能率进行了分析与研究。研究结果表明，陡槽中的流态得到了显著的改善，高压激流的减速效果可观；同时，孔板消能工的消能效果也非常显著，消能率在74.30%～77.36%之间。整个消能过程没有出现负压现象，也没有发生空蚀破坏[6]。这项研究表明，孔板消能工可用于管道中高能水头的降压降速。相比传统的消能形式，孔板式内消能工不仅高效实现了消能减压，且制造工艺简单，易安装和拆卸，可大幅度降低流体流速，避免水击现象带来的冲击损伤。

1.2 洞塞式内消能

作为经典的突扩突缩型结构之一，洞塞式消能工的结构简单，使用方便，流动参数相对稳定，消能效果好。同时，空化特性也比孔板式更优良[7]。与孔板式相比，洞塞式可减少水流出口位置的通过面积，洞塞前段区间的静水压很高，然后到突然收缩的洞塞段进行消能减压。为了保持良好的抗空化性能，应该确保洞塞厚度与塞内压力相匹配，防止产生负压[8]。

最近几年，研究者们对洞塞消能结构的研究积累了大量的理论和实验数据以及工程建设经验。随着计算机的进步，计算能力的提高突飞猛进，学者们相继开展了模拟计算。尹则高等人[9]建立了三维k-ω 紊流数学模型和物理模型。从验证后的模型计算结果发现，在洞塞渐缩段相对长度一定的情况下，随着渐扩段相对长度的增加，水头损失系数会减小，最小空化数会增加。此外还初步探讨了渐缩渐扩洞塞的几何体型参数的优化方法，提出了最优的几何参数。

余挺和田忠[10]研究了收缩式洞塞泄洪洞的消能特性和空化特性。减压实验表明，洞塞体型的精细优化可以避免泄洪洞在有压段发生空化，且洞塞本身就具备一定的抗空化能力。数值模拟揭示了泄洪洞有压段的流速场和压力场特性，显示出洞塞的突缩突扩作用形成了大体积的水流紊动，从而实现了消能。

洞塞式消能工是一种结构简单、效果好的消能装置，对竖井尺寸无特殊要求，因此在设计高压管道时，可以通过加大管材厚度或直接提高刚度来安装洞塞式消能装置的入口前段，从而实现消能。与孔板式相比，在洞塞式的管道内，流体流动出口处于淹没状态，其空化特性与洞塞面积比有关[11]。高压流体冲击管道各部位及各级洞塞时，压力变化较平稳，脉动压力不大。

1.3 齿墩式内消能

齿墩式消能结构是能兼顾过流量问题的新型消能工，它是部分变形的洞塞式和孔板式结构，具有高效环保的优点。田淳为了解决消能装置在过流量和消能率之间的矛盾，设计了齿墩式消能结构。该结构在孔洞基础上增加了梯形的过流空隙，从而增加了总断面流通面积，同时确保了高消能率和强过流力。改良收缩断面，采用齿状设计，可确保结构具备高消能率和强过流力，从而显著增大过流量。经过多年的研究，齿墎式内消能结构已经取得了许多成果。

李维玉[12]对不同齿墩间距的二级齿墩式消能工进行了全面的分析计算，分析了紊动能分布规律，发现二级齿墩的最大时均流速要大于一级齿墩。此外，随着流量增加，齿墩后方回流区的范围会变得更大。齿墩出口回流区的剪切层是变化最明显的区域，二级齿墩后的轴向和径向脉动强度均高于一级齿墩。随着齿墩间距增大，紊动能增加。这项研究对于完善二级齿墩式消能工具有重要意义。

张婷等人[13]基于k-ω 数学模型，分析了齿墩内表面分别为平面和圆曲面时，对2 种体型的消能工的水力参数的影响。结果表明，相同流速下，齿墩内表面为曲面时，降低压强的效果更优。紊动能的突变区域出现在消能工出口后，齿墩内表面由平面变为曲面，会减小该区域的紊动能及范围。齿墩内表面由平面变为曲面，消能工的消能率减小，流量系数加大，并与其水力半径密切相关。分析结果表明，将齿墩内表面优化为曲面，可为齿墩式内消能工做出新的优化结构。

张博杭等人[14]基于k-ω 数学模型，通过控制不同的齿墩相对长度，发现不同相对长度的齿墩式内消能工，其中心轴流速的分布规律基本一致。除η 等于0.1 外，各方案的中心轴峰值流速出现的位置相同，均在齿墩进口后0.38d 处，且不随相对长度的变化而变化。综合分析后可知，相对长度为0.2～0.9 的齿墩长度较优，结果可为齿墩式内消能工的体型优化提供依据。

考虑到齿墩式结构的内部多样性和流体流动的复杂性，齿墩式结构的研究成果还存在一些问题。但学者们对齿墩式结构的优化和流体实验的研究结果，为后续消能工的研究提供了丰富的资料和依据。

2 旋流式内消能

旋流式内消能装置通常包括进水短管、内管、套管、消能装置和孔口等。管壁流体从孔口进水，在管内形成一定强度的涡流，并与来水主流叠加后，形成旋流特性的流场，从而使通过消能装置的水流能量被耗散，压力得到有效降低，保护了沿线设备免受冲击磨损[15]。

螺旋式对冲消能工的消能效率高，结构可靠性高，布置紧凑。刘道桦[16]设计了泄洪消能的结构，结构包括螺旋内消能、动态对冲消能、消能池等。洪水进入螺旋消能管道进行一次消能，再通过在坝下铺设的有压对冲管道，以一定的角度产生水流，与经过一次消能的水流进行对冲，并在消能池内使回射水流实现第3 次消能，由此达到提高消能效率的目的。其中，对冲管道部分将根据最终效果来反馈调节对冲管道阀门的开合程度，通过控制流量流速来实现动态消能，以达到最佳的消能效果。此方案可用于紧急事故时迅速泄压的高压管道，可缩短泄压时间，避免事故发生。

苟超等人[17]采用改变折流坎折角和消力井井深的方式，借助水工模型试验，研究了不同连接体形下的水流流态及相关的水力要素，得出结论：折流角的变化对消力井侧壁及底板压强的影响不大，消力井的边壁及底板均不会出现负压；增加流量会降低消能率，增大折流角和消力井深度可提高消能率。虽然消能率随消力井深度的增加而增加，但增加幅度随井深的增加而逐渐变缓。在螺旋消能后再加入对冲，可有效提高消能效果。

3 新的内消能结构

目前在多个领域应用的是20 世纪物理学家尼古拉·特斯拉发明的特斯拉阀。该装置具有铸造便利、性能稳定、无需能源等优点，同时具有单向导通性，流体的惯性使得流体的正向流动比反向流动更加容易，从而控制流体流速，因此在生物、化学、微流体控制、微电子机械等领域广泛应用。对冲式消能装置可以改变流体的流动方向，使得流体因相撞而产生紊流，减慢流体速度，降低流体压力[18]。

钟震[19]利用特斯拉阀的反向应用，制作了新的调压系统，实现了高压至中低压的直接调压，验证了特斯拉阀的反向流通具有显著的降压特性，为特斯拉阀的反向应用提供了应用实例。王衍[20]尝试将特斯拉阀的结构从平面流动扩展至三维管状通道形式的新型密封结构，通过Fluent 流体仿真计算软件，建立了三维新型密封结构，并对不同工况和几何参数下的密封性能进行了系统分析，得到了新型密封结构的性能特性及最优参数。

钱锦远等人[21]针对特斯拉阀型微通道热沉的强化换热进行了模拟研究。他们改变了特斯拉阀型通道的级数、特斯拉阀弧形通道的外侧半径以及特斯拉阀的设置方向，研究了不同几何参数下，特斯拉阀型微通道热沉底面的温度分布、平均温度和冷却流体的进出口压降，以探究其换热特性和流动特性。蒋聪[22]将特斯拉阀作为一种降压阀，应用于航空空气涡轮起动机后的内外介质交换机构。这种阀门能够有效降低介质交换机构的内部压力，减少出口混合介质的含油量，避免油气污染机舱盖的内外介质交换机构。

周润中和乔宇杰[23]通过COMSOL 软件模拟，研究了阀门单向流通性的影响因素。研究结果显示，正向阀门适用于低黏度、高密度的流体。王涛[24]基于流场仿真软件Fluent，选择标准湍流模型，针对特斯拉阀的角度、圆的半径、出半圆后的直流管长度这3 个参数，采用有效空化面积，对水力空化的影响进行了数值分析。结果表明，角度和圆的半径、出半圆后的直流道长度与整体的空化效果呈负相关。

利用ANSYS 中的3 个分析软件，王宁宁[25]进行了单向流固耦合仿真，以分析流体为压裂返排液时，该消能设备在设定范围内的高压和管径的降压效率。流体分析结果表明，随着进口总压增高，对冲式消能器的消能效率在70%附近波动。模态分析结果显示，新型消能器的固有频率随着模态振型阶数的增大而增大，不随进口总压的改变而改变。由于对冲产生涡流自耗，新型消能器的排出流速未出现突然增加。

Porwala[26]在微型和微流体应用研究中，使用特斯拉阀进行流量控制和整流。采用三维计算流体动力学方法和数值分析方法，研究了进口雷诺数(25～200)对单个特斯拉阀和多级特斯拉阀MSTV（最多10 级）的整流和热增强能力的影响。基于仿真结果，推导并给出了MSTV 的设计与性能，以及在努塞尔数、达西摩擦系数、压力二极管和热二极管等方面的幂律相关关系，发现特斯拉阀结构在反向流动时的换热强化，是由流动分岔、停滞和混合机制引起的。雷诺数等于200 时，平均努塞尔数高达7.1。

4 结语

管道内消能工可为因油田开采能量过高而引起的安全问题提供解决方案。未来新型消能器的发展方向，应该是为了获得降压效果，对结构构件进行复合和改良。在对特斯拉阀或对冲式阀门进行改良时，流道冲蚀是高效降压的发展方向，其良好的密封性和易于铸造是较大的优势。从经济角度考虑，将对冲式、螺旋式、突扩突缩式组合成多级消能装置，已有成熟实例可以借鉴。