起旋粗螺紋間隙中流體流動特性的PIV實驗研究

孫 然 趙會軍 王小兵 崔海清

(1.常州大學石油工程學院，江蘇 常州 213016；2.東北石油大學 提高油氣采收率教育部重點實驗室，黑龍江 大慶 163318)

起旋粗螺紋間隙中流體流動特性的PIV實驗研究

孫 然1趙會軍1王小兵1崔海清2

(1.常州大學石油工程學院，江蘇 常州 213016；2.東北石油大學 提高油氣采收率教育部重點實驗室，黑龍江 大慶 163318)

利用粒子圖像測速(PIV)技術對不同介質流體在垂直粗螺紋間隙中的螺旋流動進行全流場測量。用Tecplot軟件進行粗螺紋間隙中螺旋流場顯示并對沿流動方向上的流體速度進行提取。分析了不同流量條件下，粗螺紋間隙中不同介質流動流場瞬時特性、沿流動方向上流體速度分布特征和渦量場分布特征。結果顯示：流體在粗螺紋間隙中存在高速區和低速區，隨著流量的增加，高速區速度逐漸增大，面積逐漸減小，渦旋強度增加，正渦逐漸下移，負渦位置基本保持不變。在粗螺紋間隙中流體介質的粘度對螺旋流場的影響較小。

螺旋流 粗螺紋間隙 PIV 速度分布 渦量場

螺旋流是湍流流動中的一種特殊而規則的渦旋流動，它可以分解為周向流動和軸向平直流，周向流動即為強制渦流。由于強制渦流能夠有效提高液相攜帶氣相和固相的效率，因此作為產生螺旋流的重要裝置，起旋器在石化行業得到了廣泛的應用[1～5]。粗螺紋作為一種常用的起旋部件，具有結構簡單、起旋效率高的優點，但國內外對粗螺紋間隙中流體流動規律研究的相關文獻較少。

粒子圖像測速(PIV)技術是一種基于流場圖像互相關分析的二維流場非接觸式測試技術。多數測速儀器只能對流場進行單點測量，且在測量時需要接觸流場，難免會對流場產生擾動，影響測量結果。而PIV技術具備單點測量技術的精度和分辨率，同時可以實現低速到超聲速流場的無擾測量和全場瞬態測量，在流場測速技術中占有一定地位。目前PIV技術已能夠實現對高湍流度和有旋渦的流場進行測量，其硬件系統和軟件系統都比較完善[6～11]。

為了研究粗螺紋間隙中流體螺旋流的流動規律，筆者利用PIV技術對垂直粗螺紋間隙中不同介質的螺旋流場進行了測量和分析。用Tecplot軟件對粗螺紋間隙中螺旋流動進行流場顯示，并對粗螺紋間隙中沿螺紋方向進行速度提取和渦量場顯示。詳細分析了不同流量條件下，粗螺紋間隙中不同介質螺旋流場特征、速度分布特點和渦量場分布特點，為石化行業中粗螺紋起旋部件的設計提供了理論依據。

1 實驗裝置和條件①

實驗循環系統選用螺桿泵供液，電磁流量計測量流量，變頻器調節流量，同時由差壓變送器測量壓差并進行數據采集。實驗模型為透明粗螺紋體，如圖1所示，將它放置于有機玻璃圓管中，透明粗螺紋體外徑4.85cm，螺距1cm，螺牙高1cm，螺旋角度15°；有機玻璃圓管長100cm，內徑5cm。

圖1 實驗模型

實驗時，不同介質流體從有機玻璃管的下端進入，通過透明有機玻璃螺紋。在拍攝過程中，激光會在圓弧形模型表面產生反射光。為減少反射光的影響，本實驗在有機玻璃管外的拍攝區域安裝了一個方形玻璃盒，盒中盛滿與被測液體相同的介質。實驗流程如圖2所示。

圖2 實驗流程簡圖

實驗用PIV系統由Vlite200雙脈沖固體激光器作為照明光源，由SM-CCDB5M16相機記錄示蹤粒子圖像，并由MicroPulse725型同步控制器實現對激光器、數字相機和圖像采集板的控制。激光器系統最大功率為200mJ，CCD相機可以對0～1 000m/s速度范圍內的流體進行測量，PIV模式最小曝光時間間隔不高于200ns，采集速率16幀/s，同步控制器的延時精度0.25ns，TTL電路設定步長1ns。PIV系統的測速精度±1.0%，能夠滿足實驗要求。

實驗用示蹤粒子為空心玻璃微珠，微珠密度1 050kg/m3，直徑約2μm，示蹤粒子撒布濃度約為6mg/L，跟隨性較好。實驗選用的聚合物溶液是質量濃度為400mg/L的聚丙烯酰胺。實驗溫度25℃。

2 粗螺紋間隙螺旋流場瞬時特征

利用PIV對垂直粗螺紋間隙中不同介質在不同流量條件下的螺旋流動進行測量，得到了粗螺紋間隙中螺旋流的流場瞬時特性。用CCD相機拍攝了1 000張撒布了示蹤粒子的流體運動圖像，經過互相關計算，并由Tecplot軟件對數據進行處理后，得到粗螺紋間隙中瞬時螺旋流場(圖3)，流場中的取值部位如圖4所示。

a. 水

b. 聚合物溶液

圖4 流場中的取值部位

由圖3可知，粗螺紋間隙螺旋流場中，存在明顯的高速區和低速區，高速區主要位于螺紋間隙中央位置，低速區位于螺紋壁面附近。粗螺紋間隙螺旋流動的速度分布呈凸拋物線形，與普通圓管流動特征基本一致，流速在高速區中心位置達到最大值。流量為2.7m3/s、介質為水時，其速度最高可達8.3m/s。隨著流量的增加，高速區面積逐漸減小，且位置逐漸向右下側偏移，這是由于隨著流量的增大，流體的沿程阻力增加，粘性流體的粘滯作用以及慣性力共同作用造成的。

隨著流量的增大，沿流動方向上的速度分布曲線逐漸變陡，高速區和低速區的速度也逐漸增大。由于受到螺紋壁面的限制和粘性流體的粘滯作用，靠近螺紋壁面處的流體流動速度較小，并逐漸向高速區過渡。瞬時流場結果顯示，流體介質粘度的大小對粗螺紋間隙螺旋流動速度場的影響并不明顯。

3 粗螺紋間隙螺旋流渦量特征

粗螺紋間隙中的螺旋流場存在渦旋運動。流體的渦量場ω是空間坐標x、y、z和時間坐標t的連續函數，其值為速度v的旋度rotv，矢量ω構成了渦量場[3]，渦量表達式為：

(1)

PIV技術首先通過測量得到流場中的速度矢量場，再由速度場與渦量場的轉換關系，將PIV測量得到的速度矢量場進行轉換得到渦量場。通過PIV測量得到粗螺紋間隙中的螺旋流場實驗數據后，經Tecplot軟件處理，便可以得出粗螺紋間隙中螺旋流的渦量場特性。

3.1粗螺紋間隙螺旋流的渦量場特性

利用PIV對垂直粗螺紋間隙中不同介質(水、400mg/L聚合物溶液)在不同流量條件下的螺旋流動進行了流場測量，得到粗螺紋間隙中螺旋流的渦量場特性。利用PIV系統中的CCD相機拍攝了1 000張撒布著示蹤粒子的螺紋間隙螺旋流的粒子圖像，經過互相關計算后得到粒子的渦量場數據，并由Tecplot軟件對數據進行處理后，得到粗螺紋間隙中螺旋流的渦量場，如圖5所示。

圖5 不同流量、不同介質條件下粗螺紋間隙中的渦量場

由圖5可知，在不同流量和不同介質條件下，渦量場中均存在一組正渦和負渦，正渦位于螺紋的上壁面附近，負渦位于螺紋的下壁面附近。流場中存在正渦與負渦，表明這兩處的渦旋流動方向相反。

隨著流量的增大，粗螺紋間隙螺旋流場中正渦與負渦的渦量強度均增大，且正渦位置逐漸向右下側移動。由于受到螺紋下壁面的限制，負渦的位置基本不發生移動，但其渦帶長度和面積均逐漸增大，正渦的面積則未見明顯的變化。渦量場分析結果顯示，流體介質的粘度對粗螺紋間隙螺旋流動渦量場的影響不大。

3.2粗螺紋間隙螺旋流的局部渦量分析

通過提取粗螺紋間隙螺旋流場中，垂直于流動方向上的截面的渦量(圖6)，得到了不同介質在不同流量條件下的局部渦量分布曲線，反映了粗螺紋間隙螺旋流場的渦量在流動方向上的變化情況，如圖7所示。

圖6 渦量場中的取值部位

由圖7可知，粗螺紋間隙螺旋流的局部渦量呈近似正弦曲線分布。螺紋間隙中，正渦和負渦之間存在一個渦量為零的過渡區域。隨著流量的增加，正渦和負渦的渦量均逐漸增大，正渦和負渦之間的過渡區域尺寸逐漸縮小，正渦和負渦逐漸靠近。介質為水、流量為2.7m3/s時，最大渦量值位于x=57.5mm處，與其他流量條件下最大渦量值相比明顯偏右；而負渦最大渦量值的位置則沒有發生移動。這是由于隨著流量的增加，正渦向右下側移動，而負渦由于受到螺紋下壁面的限制，未產生位移造成的。

a. 水

b. 聚合物溶液

流量為1.5m3/s時，介質分別為水和聚合物溶液的局部渦量分布曲線相似，且在這兩種情況下，正渦和負渦之間的過渡區域均位于x=57～58mm之間。結合前文分析結果可知，流體介質的粘度對本實驗粗螺紋間隙中螺旋流的速度場和渦量場的影響均不明顯。這是由于在流速較大的情況下，流體的慣性力較大、粘性力較小，因此流體的粘度對粗螺紋間隙中螺旋流的影響較小。

4 結論

4.1粗螺紋間隙螺旋流場中，高速區位于螺紋間隙中央位置，低速區位于高速區外緣，靠近螺紋壁面處。且螺紋間隙中形成的高速區對后續產生螺旋流的強度有較大影響。由于粘性流體的粘滯作用和慣性力作用，高速區面積隨流量的增大逐漸減小，且位置逐漸向右下側移動。粗螺紋間隙螺旋流的速度分布大致呈凸拋物線形。隨著流量的增大，高速區和低速區的速度均逐漸增大，速度分布曲線逐漸變陡。由于受到螺紋壁面的限制和粘性流體的粘滯作用，靠近螺紋壁面處的流體流動速度較小。

4.2渦量場中的正渦與負渦分別位于螺紋上壁面和下壁面附近，隨著流量的增大，渦量強度也隨之增大，且正渦位置逐漸向右下側移動。由于受到下壁面的限制，負渦位置基本不發生移動，但渦帶長度和面積均逐漸增大。垂直于截面上的局部渦量呈近似正弦曲線分布，正渦和負渦之間的存在一個渦量為零的過渡區域。流體介質的粘度對粗螺紋間隙螺旋流場的影響較小。螺紋間隙中形成的正渦與負渦，對后續螺旋流的形成起著重要作用。

4.3在工程實際中可以根據具體情況，通過適當增加粗螺紋的螺距和螺牙高度，來降低沿程阻力，并在滿足起旋目的同時也能滿足輸運流體的要求。粗螺紋間隙中流體螺旋流動特性和流動規律的研究，為石化行業中粗螺紋起旋部件的設計提供了理論依據。

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(Continued on Page 454)

PIV-basedExperimentalStudyonFluidFlowCharacteristicsinCoarseThreadClearanceofSpiralFlowGenerators

SUN Ran1, ZHAO Hui-jun1, WANG Xiao-bing1, CUI Hai-qing2

(1.CollegeofPetroleumEngineering,ChangzhouUniversity,Changzhou213016,China;2.KeyLaboratoryofEORoftheMinistryofEducation,NortheastPetroleumUniversity,Daqing163318,China)

The particle image velocimetry (PIV) was adopted to measure different fluid’s flow field in vertical coarse thread clearance. Through making use of Tecplot software, the spiral flow in coarse thread clearance was displayed and the velocity along flow direction was extracted. Having characteristics of instantaneous flow fields, distribution of velocity along flow direction and vorticity field of different fluids at different flow rates in coarse thread clearance analyzed to show that, both high velocity zone and low velocity zone can be seen in the

2016-01-12

國家自然科學基金資助項目(50674019)

TH815

A

1000-3932(2016)04-0416-06