海域天然气水合物空化喷嘴内流场数值模拟

张辛 葛家旺 高嘉宝 孟翔

DOI：10.20031/j.cnki.0254?6094.202403017

摘 要  针对海域天然气水合物水射流破碎开采，对角形喷嘴、亥姆霍兹喷嘴、锥形喷嘴开展天然气水合物储层条件下空化效果对比，并深入研究进口压力、出口压力对亥姆霍兹喷嘴空化特性的影响。建立喷嘴内流场的数学模型和物理模型，采用流体仿真软件进行数值模拟，以气含量作为判断空化效果的主要依据开展研究。模拟结果表明：天然气水合物储层条件下，亥姆霍兹喷嘴空化性能优于角形喷嘴和锥形喷嘴，喷嘴内部最大气含量达到0.95;保持其他条件不变，进口压力越大，亥姆霍兹喷嘴产生的空化效果越好;天然气水合物储层的高压环境会产生阻滞作用，降低亥姆霍兹喷嘴空化性能。

关键词 天然气水合物 空化射流 数值模拟 射流破碎

中图分类号 TE95   文献标志码 A   文章编号 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

作者简介：张辛（1987-），副教授，从事石油机械工程、非常规能源装备、机械电子工程的研究。

通讯作者：葛家旺（1998-），硕士研究生，从事空化射流技术的研究，1937731755@qq.com。

引用本文：张辛，葛家旺，高嘉宝，等.海域天然气水合物空化喷嘴内流场数值模拟[J].化工机械，2024，51（3）：448-453;476.

天然气水合物是在低温高压条件下形成的笼型固态化合物，相对于常规能源，天然气水合物分布范围广、储存量大、利用率高，因此，实现天然气水合物的高效安全开采至关重要[1，2]。水射流破碎开采法是近年来提出的天然气水合物开采方法，利用喷嘴产生的射流打碎海底水合物储层，不需要改变储层的温度和压力条件，可以大幅提高开采储层的安全性。空化是在局部低压条件下发生的液体转变为气体的现象，如果在水射流中引入空化作用，可以对天然气水合物储层产生射流冲击和空泡冲蚀的双重作用[3，4]。

为了提升空化射流的效果，前人对产生空化射流的关键部件空化喷嘴开展了大量研究。向美景等研究了亥姆霍兹上喷嘴出口结构对空化射流自激振荡特性的影响，结果表明，上喷嘴的出口凸出长度对自激振荡特性产生显著的影响[5]。万春浩等研究了角形喷嘴对空化射流空化效果的影响，并基于FLUENT流体仿真软件对角形喷嘴的内外流场进行了数值模拟，结果表明，增大喷嘴进口压力可以提高射流空化效果[6]。廖松等采用冲蚀靶材的方法对新型中心体空化喷嘴进行了实验研究，结果表明，新型中心体空化喷嘴在压力较低情况下性能较好，在相同泵压下，冲蚀性能优于角形喷嘴[7]。张逸群等研究了旋转空化射流喷嘴对射流冲击特性的影响，结果表明，旋转空化射流的负压分布范围大，具有更强的空蚀效应[8]。陈松平等研究了缩放型喷嘴结构参数对射流流场的影响，结果表明，喷嘴扩张角对空化射流影响较大，射流剪切层内产生许多漩涡结构[9]。上述研究分析了不同结构空化喷嘴的空化效果及其影响因素，丰富了空化射流相关理论，但现有针对空化喷嘴的研究大多局限于常压条件，针对天然气水合物储层的高围压环境，需要进一步探究不同类型空化喷嘴的性能优劣以及空化性能影响因素。

笔者利用计算流体力学对角形喷嘴、亥姆霍兹喷嘴、锥形喷嘴的内流场进行数值模拟，以气含量为判断空化效果的主要依据，探究3种空化喷嘴在天然气水合物储层条件下的空化效果强弱，针对亥姆霍兹喷嘴，进一步研究了进口压力、出口压力对空化射流效果的影响，为空化射流在天然气水合物开采领域的应用提供参考。

1 物理模型

1.1 几何模型

基于前人对空化喷嘴的研究，建立3种空化喷嘴内腔结构（图1），对于角形喷嘴，入口段长7 mm，入口段收缩角13.5°，中间段长3 mm，中间段直径2 mm，出口段长5 mm，出口段扩散角60°;对于亥姆霍兹喷嘴，入口段长7 mm，入口段直径3.4 mm，中间段长3 mm，中间段直径12 mm，中间段倾斜壁夹角120°，出口段长5 mm，出口段直径4 mm;对于锥形喷嘴，入口段长7 mm，入口段收缩角25°，出口段长8 mm，出口段直径2 mm。

1.2 边界条件及网格划分

基于喷嘴的对称性，为了节约计算资源，采用二维轴对称模型进行流场计算[10]。设置喷嘴入口边界条件为压力入口，设置喷嘴出口边界条件为压力出口，为保证流体在喷嘴中正常流动，需保证进口压力高于出口压力。湍流参数选择湍流强度与水力直径，进出口湍流参数均设置为5%。固体壁面条件满足无滑移壁面条件，进壁面区域采用壁面函数处理[11，12]。流场迭代求解方法选择Coulped，离散格式选择QUICK方程。

用DesignModeler软件进行建模后，利用Meshing对整个喷嘴进行网格划分。精密的网格可以保证模拟流动的真实性，因此，在喷嘴壁边界层区域进行局部加密，充分保证网格的质量，最终网格的平均质量大于0.9。

2 数学模型

空化射流涉及液体复杂的相变过程，因此，空化射流属于湍流流动，笔者选取混合模型和RNG k湍流模型进行计算。

2.1 混合模型

混合模型允许不同相之间的渗透，计算精度高，不容易出现发散现象，可以同时和空化模型使用求解[13，14]。混合模型的连续方程为：

（ρ）+▽·（ρ）=0     （1）

式中 ——质量平均密度;

ρ——混合物的密度。

2.2 湍流模型

RNG k模型是一种两方程湍流模型，不仅在漩涡捕捉方面有很大的优势，而且对雷诺数适应性强，具有很高的湍流计算精度，适合复杂剪切流，在空化喷嘴的流场模拟中可以产生很好的模拟效果[15]。其k方程和ε方程分别为：

k方程+=（αμ）+G+G-ρε-Y （2）

ε方程+=（αμ）+C×（G+CG）-

Cρ-R  （3）

式中 C、C、C——经验常数;

G——浮力影响产生的湍流动能;

G——平均速度梯度产生的湍流          动能;

k——湍流动能;

R——空泡半径;

Y——总耗散率;

α、α——普朗特常数;

ε——湍流动能耗散率;

μ——有效黏度。

3 数值模拟结果与分析

3.1 不同喷嘴空化效果对比

当流域局部压力低于当前环境温度下流体饱和蒸气压时，流体会发生空化现象。天然气水合物在低温高压环境下生成，笔者以水为研究对象，设置水的饱和蒸气压（5 ℃时）为900 Pa，模拟天然气水合物储层低温环境，设置喷嘴出口压力5 MPa，模拟天然气水合物储层的高压条件，设置喷嘴进口压力40 MPa，保证流体的正常流动。对于工程应用水射流，喷嘴出口速度理论计算公式如下：

v=44.77   （4）

式中 p——射流压力，MPa;

v——射流速度，m/s。

对3种不同结构的空化喷嘴完成空化射流数值仿真，提取各喷嘴出口轴线处的速度值，表1为喷嘴出口轴线处速度仿真计算值与理论计算值的对比，由表可见：3种不同结构的空化喷嘴出口轴线处速度仿真计算值与理论计算值基本吻合，仿真误差均在1%以内，证明采用的仿真计算方法合理[16]。

表1 空化喷嘴出口轴线处速度值

[喷嘴类型      出口轴线处速度/m·s-1      误差/%   理论计算值    仿真计算值    角形喷嘴       282.9      283.1      0.07 亥姆霍兹喷嘴    282.9      283.0      0.04 锥形喷嘴       282.9      283.2      0.10 ]

图2为3种不同结构空化喷嘴的空泡分布云图。由图可见：3种空化喷嘴内部均有空泡析出，其中，锥形喷嘴产生的空泡数量最少，仅在出口段壁面边界层附近出现少量空泡，相比之下，角形喷嘴产生的空泡数量优于锥形喷嘴，这是由于角形喷嘴出口段存在扩散角，可以为空泡提供足够的发展空间。亥姆霍兹喷嘴产生的空泡数量最多，大量空泡集中在喷嘴中间段，且空泡对称分布呈涡旋状，造成这种现象的主要原因是亥姆霍兹喷嘴中间段存在倾斜壁结构，在倾斜壁拐角处易形成漩涡低压区，促进空化泡的产生[17，18]。

图3为3种不同结构空化喷嘴内部最大气含量，由图可见：不同结构空化喷嘴内部最大气含量有明显差异，亥姆霍兹喷嘴内部最大气含量达到0.95，角形喷嘴内部最大气含量达到0.75，相比之下，锥形喷嘴内部最大气含量仅为0.55，气含量越大，空化发生程度越剧烈，由此可见，空泡在亥姆霍兹喷嘴内部发展状态最佳，可以产生更强的空蚀作用，有利于对水合物沉积物的冲击破碎[19，20]。综合喷嘴空泡分布云图可以看出，3种不同结构空化喷嘴中亥姆霍兹喷嘴在天然气水合物储层条件下空化效果最好。

3.2 进口压力对亥姆霍兹空化性能影响

空化喷嘴的工作性能受到多重因素的影响，当喷嘴结构和出口压力维持不变时，进口压力对空化喷嘴性能产生很大的影响。保持出口压力为5 MPa、使进口压力分别为30、40、50、60 MPa，分析进口压力对亥姆霍兹喷嘴气含量的影响情况。由图4可见：在不同进口压力作用下，亥姆霍兹喷嘴中间段均产生聚集性空泡，亥姆霍兹喷嘴出口段在壁面边界层附近产生空泡，空泡在喷嘴内部呈对称分布，当喷嘴进口压力为30 MPa时，亥姆霍兹喷嘴出口段仅有少量空泡，空泡在喷嘴出口段长度占比不足二分之一，当喷嘴进口压力为40 MPa时，亥姆霍兹喷嘴出口段空泡数量增多，空泡在喷嘴出口段长度占比超过二分之一，当进口压力继续上升，空泡发展至亥姆霍兹喷嘴出口端，空泡在喷嘴出口段长度占比达到百分之百。

图5为不同进口压力作用下亥姆霍兹喷嘴内部最大气含量，由图可见：亥姆霍兹喷嘴内部最大气含量随进口压力的增加而上升，综合不同进口压力下亥姆霍兹喷嘴的空泡分布云图，可以得出，进口压力越大，亥姆霍兹喷嘴空化效果越好。这是由于进口压力提高，射流剪切层作用变强，容易形成大尺度的漩涡。因此，为了保证天然气水合物储层条件下亥姆霍兹喷嘴的空化效果，可以适当提高喷嘴进口压力，但过高的喷嘴进口压力会造成对泵压需求过大的情况，在实际应用过程中，需要考虑喷嘴进口压力与泵压的平衡。

3.3 出口压力对亥姆霍兹空化性能影响

天然气水合物储层的高压环境会对喷嘴空化性能产生很大的影响。因此，保持进口压力为50 MPa，使出口压力分别为0、5、10、15 MPa，分析出口压力对亥姆霍兹喷嘴气含量的影响情况。由图6可见：当出口压力为0 MPa时，亥姆霍兹喷嘴内部产生大量空泡，空泡几乎充满喷嘴中间段，随着出口压力的不断提高，亥姆霍兹喷嘴内部空泡数量逐渐减少，当出口压力为15 MPa时，亥姆霍兹喷嘴内部几乎没有空泡产生。

图7所示为不同出口压力作用下亥姆霍兹喷嘴内部最大气含量，由图可见：随着出口压力的不断增大，亥姆霍兹喷嘴内部最大气含量不断降低。当出口压力为0 MPa时，喷嘴内部最大气含量达到0.9以上，当出口压力为5 MPa时，喷嘴内部最大气含量略有下降，但仍达到0.9以上，当出口压力继续提高，喷嘴内部最大气含量下降率增大，出口压力为15 MPa时，喷嘴内部最大气含量已经低于0.6。综合不同出口压力下亥姆霍兹喷嘴的空泡分布云图，可以得出，较大的出口压力会对亥姆霍兹喷嘴空化产生抑制作用。这主要是由于出口的高压力会对射流速度和空泡发展产生阻滞作用。

4 结论

4.1 天然气水合物储层条件下，亥姆霍兹喷嘴空化性能优于角形喷嘴和锥形喷嘴。亥姆霍兹喷嘴内部产生聚集性空泡，空泡对称分布呈涡旋状，空泡溃灭产生压力波，有利于水合物沉积物的冲蚀破坏。

4.2 当喷嘴结构和出口压力维持不变时，进口压力对空化喷嘴性能产生很大的影响。进口压力越大，亥姆霍兹喷嘴产生的空化效果越好。因此，在实际应用中，根据高压泵的工作范围，可以适当提高喷嘴进口压力。

4.3 天然气水合物储层的高压环境会降低亥姆霍兹喷嘴空化性能。当出口压力为0 MPa时，亥姆霍兹喷嘴内部最大气含量达0.9以上，当出口压力为15 MPa时，亥姆霍兹喷嘴内部最大气含量低于0.6。出口压力越小，亥姆霍兹喷嘴产生的空化效果越好。

参 考 文 献

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（收稿日期：2023-04-17，修回日期：2024-05-13）