多孔介質內油水流動阻力系數實驗分析

吳國忠, 邢永強, 呂　妍, 齊晗兵, 李　棟

(1. 東北石油大學 土木建筑工程學院, 黑龍江 大慶　163318;2. 大慶石化公司 信息技術中心, 黑龍江 大慶　163318)

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多孔介質內油水流動阻力系數實驗分析

吳國忠1, 邢永強1, 呂妍2, 齊晗兵1, 李棟1

(1. 東北石油大學 土木建筑工程學院, 黑龍江 大慶163318;2. 大慶石化公司 信息技術中心, 黑龍江 大慶163318)

基于多孔介質油水遷移的阻力系數測量裝置,以水和油為工質,測量了其在近似均勻、混合粒徑玻璃球通道內的流動阻力特性,并擬合了速度-壓降的曲線關系表達式,計算得到了黏性、慣性阻力系數。研究結果表明:單相介質在通過均勻粒徑多孔介質區域時受到的慣性阻力影響比通過混合粒徑時受到的慣性阻力影響明顯小；黏性阻力影響比通過混合粒徑時受到的黏性阻力影響明顯大;多相介質在通過均勻粒徑多孔介質區域時受到的慣性、黏性阻力影響均比通過混合粒徑時小;在粒徑條件相同時,單相介質受到的慣性阻力影響明顯比多相介質小,其黏性阻力影響明顯比多相介質大。

多孔介質； 油水遷移； 阻力系數實驗

在研究輸油管道泄漏污染物遷移、油田驅油過程、污染土壤沖洗修復等問題時,液體在土壤、砂石、地層等多孔介質中的遷移特性是進行相關研究的基礎[1-3],液體在多孔介質流動的黏性阻力系數和慣性阻力系數是進行其遷移特性數值分析的關鍵參數。

目前,很多學者已對多孔介質中的阻力系數進行了研究[4-7],并提出了相應的計算模型。劉雙科等[8]發展了彎曲流道的顆粒堆積型多孔介質內流體流動的毛細管束模型,分析了低雷諾數、低孔隙率范圍內顆粒多孔介質滲透率、阻力特性；劉學強等[9]通過實驗研究高雷諾數條件下多孔介質內單相流阻力特性,獲得了相應的阻力關系式；于立章等[10]應用相似理論減小多孔介質通道的尺寸,建立顆粒填充多孔介質的通道模型,對模型中的單相水絕熱流動阻力特性進行了數值模擬。張楠和孫中寧[11]以水和空氣為工質,用玻璃球模擬多孔介質對氣-液兩相流動阻力特性進行了實驗研究；楊曉明等[12]通過高速攝影儀研究多孔介質通道內氣液兩相流體垂直向上流動的流型,對分相模型阻力關系式和均相模型阻力關系式進行了擬合；竇智等[13]利用標準砂，及純凈水、汽油組成多孔介質油水兩相系統,測定了相對滲透率與飽和度的關系曲線；施小清等[14]基于地下水隨機理論構建滲透率隨機場,采用蒙特卡羅方法探討了泄露速度對非均質飽和介質中重非水相污染物運移的影響。上述文獻表明,多孔介質內流動介質對其阻力特性影響顯著,而目前關于顆粒多孔介質內油水阻力系數研究甚少。

本文以輸油管道泄漏油水污染物在顆粒多孔介質內流動阻力特性為研究背景,以油水為實驗工質,設計了多孔介質油水遷移的阻力系數測量裝置,測量了其在顆粒多孔介質通道內的流動阻力特性,擬合了其速度-壓降表達式,得到了其黏性和慣性阻力系數。

1　實驗方法

圖1為實驗裝置示意圖,該裝置由進液管段、實驗管段、循環液體管段、固定支撐托架等部分組成。實驗測量管段由長度1 500 mm、內徑50 mm的不銹鋼管制成,水平安裝在實驗臺上。實驗段內可填充直徑為0.8～0.9 mm的均勻粒徑玻璃球，或直徑為0.8～0.9 mm與0.9～1.18 mm、按照體積比1:1混合的混合粒徑玻璃球,形成不同粒徑參數的多孔介質通道。實驗段內安裝不銹鋼隔離篩網防止玻璃球流出。實驗工質為水和油,其中油是32#白油,油水體積比為1∶2。室溫時32#白油密度小于水,油水混合時會發生分層現象,加熱溫度至60 ℃時呈現良好的混合狀態,適合實驗操作,因此實驗溫度控制在60 ℃。

實驗工質由入液管進入儲液罐,經加熱和攪拌到一定溫度后,由泵將其從儲液罐抽進實驗測量管段,然后實驗工質經循環管回到儲液罐。介質壓降通過差壓變送器測量,流量由流量變送器測量,由壓降和流量關系確定多孔介質內油水遷移的黏性阻力系數和慣性阻力系數。

圖1　實驗裝置示意圖

實驗管段中多孔介質內流體的流速和壓降滿足一定的聯系,其速度-壓降關系表達式如下[15-16]:

ΔP=Av+Bv2

(1)

式中,A與B為擬合系數；ΔP為壓降,Pa；v為流速,m/s。

通過實驗數據確定A與B,然后可得到實驗管段中多孔介質內流體的黏性阻力系數和慣性阻力系數,其計算公式為：

(2)

(3)

2　實驗結果及分析

圖2為在均勻粒徑和混合粒徑條件下水通過實驗管段的速度-壓降數據及其擬合結果。由圖2可見：保證通道入口流速相同時,單相介質水通過均勻粒徑多孔介質實驗管段的壓降大于混合粒徑,而且隨著通道入口流速增加,這種趨勢更加明顯；當流速超過0.04 m/s時,實驗數據明顯偏離擬合曲線,說明速度-壓降關系表達式中的慣性項發揮了顯著的作用。

圖2　單相介質的速度-壓降曲線

圖3為多相介質的速度-壓降曲線。由圖3可見,保證通道入口流速相同時,多相介質油水通過均勻粒徑多孔介質實驗管段的壓降小于混合粒徑,而且通道入口流速增加其趨勢更明顯；但當流速超過0.0 4m/s時,實驗數據偏離擬合曲線優于單相介質,從而說明油的黏性系數在通過多孔介質實驗管段時影響很大。由圖2和圖3可知：均勻粒徑相同流速時,單相介質水通過多孔介質實驗管段的壓降大于油水多相介質；而在混合粒徑相同流速時,單相介質水通過多孔介質實驗管段的壓降小于油水多相介質。

圖3　多相介質的速度-壓降曲線

根據圖2和圖3中速度-壓降的擬合曲線確定A與B,通過方程(2)和方程(3)得到的多孔介質內流體的黏性阻力系數和慣性阻力系數的計算結果見表1(表中r為擬合度)。

表1　油水在多孔介質中的阻力系數

可見：均勻粒徑時水的慣性阻力系數比油水小2.66%,而黏性阻力系數比油水大；混合粒徑時水的慣性阻力系數比油水小40.32%,而黏性阻力系數比油水大；水在通過均勻粒徑時的黏性阻力系數比通過混合粒徑時大,而慣性阻力系數比通過混合粒徑時小16.62%；油水通過均勻粒徑時的黏性阻力系數比通過混合粒徑時小24.32%,而慣性阻力系數比通過混合粒徑時小47.25%。

3　結論

研究采用玻璃球模擬多孔介質區域,基于多孔介質油水遷移的阻力系數測量裝置,分別以水為單相介質和以水-白油32#兩相介質作為為工質,測量了其在近似均勻、混合粒徑玻璃球通道內的流動阻力特性。通過擬合速度-壓降的曲線關系表達式對油水流動的阻力系數進行計算和分析,得到如下結論:

(1) 單相介質在通過均勻粒徑時受到的慣性阻力比通過混合粒徑時小,而受到的黏性阻力比通過混合粒徑時大；

(2) 多相介質在通過均勻粒徑時受到的慣性阻力和黏性阻力均比通過混合粒徑時小；

(3) 粒徑相同時,單相介質受到的慣性阻力比多相介質小,而受到的黏性阻力影響比多相介質大。

References)

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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

實驗技術與方法

2016-04-01修改日期：2016-07-06

國家自然科學基金項目(51274071)；中國石油科技創新基金研究項目(2015D-5006-0605)

吳國忠(1961—)，男，黑龍江林口，博士，教授，主要從事傳熱傳質專業方向的研究E-mail：lidonglvyan@126.com

齊晗兵(1975—)，男，黑龍江齊齊哈爾，博士，教授，主要從事埋地管道泄漏檢測及三元廢水處理等方向的研究.E-mail：qihanbing@sina.com

O357.3

A

1002-4956(2016)10-0034-04