小流量熱式氣體流量的數值模擬研究

韓 建 黃 穎 牟海維 劉 鶴

(東北石油大學電子科學學院1，黑龍江 大慶 163318；東北石油大學黑龍江省高校共建測試計量技術及儀器儀表研發中心2，黑龍江 大慶 163318)

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小流量熱式氣體流量的數值模擬研究

韓 建1,2黃 穎1,2牟海維1,2劉 鶴1,2

(東北石油大學電子科學學院1，黑龍江 大慶 163318；東北石油大學黑龍江省高校共建測試計量技術及儀器儀表研發中心2，黑龍江 大慶 163318)

為了研究火燒油層采油技術中火燒井空氣(助燃劑)的注入狀況和監測微小氣體流量，提出了一種具有自動溫度補償功能及混合氣體組分補償功能的小流量熱式氣體質量流量測量方法。為適應井下狹小空間的復雜操作環境，在傳統傳感器結構的基礎上，在管道中加入環形分布器的傳感器優化結構。利用FLUENT進行流體仿真，驗證該結構的可行性及測量原理數學模型的正確性。傳感器優化設計為深入了解各層注入氣體量和提高采收率提供了可靠的依據。

石油 熱式氣體 質量流量計 傳感器 環形分布器 火燒井 采油技術采收率 對流換熱 溫度補償

0 引言

石油作為國家的重點戰略性能源，對于整個國家的發展具有不可忽視的重要意義。隨著石油資源需求量的日益增長，合理有效的開采方法顯得尤為重要，而火燒油層技術是提高原油采收率的重要方法[1-3]。為了研究火燒油層采油技術中火燒井空氣(助燃劑)的注入狀況和監測微小氣體的流量，提出了一種具有自動溫度補償功能以及混合氣體組分補償功能的小流量的熱式氣體質量流量測量方法。為了適應井下狹小空間的復雜操作環境，需要設計合適的傳感器結構。在傳統的結構基礎上，提出了一種在管道中加入環形分布器的傳感器優化結構設計。利用FLUENT進行流體仿真，驗證其可行性及測量原理的數學模型的正確性。

1 測量原理及模型建立

熱式氣體質量流量計采用流體(氣體)和固體(傳感器探頭)之間的對流換熱原理進行流量的測量[4-5]。傳感器探頭部分由兩個金屬探頭組成，一個是溫度探頭，另一個是流速探頭。

熱式氣體質量流量計探頭結構示意圖如圖1所示。

圖1 熱式氣體質量流量計探頭結構示意圖

根據傳熱學原理，提供給流速探頭的電功率等于流動的氣體對流換熱所帶走的熱量。根據牛頓冷卻公式可知[6-9]：

(1)

式中：h為對流換熱系數；A0為探頭的表面積，一般情況下，探頭為圓柱體，所以A0=πld；l為探頭長度；d為探頭直徑；Ta為探頭溫度；Tb為氣體溫度。

hA0可表示為：

(2)

式中：u為管內平均流速；B0、C0為經驗常數。

氣體的質量流量qm為：

(3)

式中：m為流體質量；ρ為流體的密度；A為管道截面的面積。

綜上，建立氣體流速u′和質量流量qm的數學模型分別為：

u′

(4)

qm=ρμρA

(5)

由式(4)和式(5)可以看出，若被測氣體的物性參數固定，則氣體流速u′與溫差ΔT(ΔT=Ta-Tb)和加熱電流Ia(或電壓)呈一定的函數關系。只要已知這兩個參數中的一個，就可以確定氣體流速u′與另一個參數的函數關系，同時能計算出氣體的質量流量。

2 FLUENT數值仿真

2.1 模型的建立和求解

FLUENT可以處理2D和3D模型[10]。本課題的熱式氣體質量流量計的管道是一個軸對稱的圓柱體，所以可以簡化為2D模型。利用GAMBIT，建立傳感器物理模型。由于火燒井的空間狹小，對傳感器的尺寸有一定的要求，因此設計傳感器的管道內徑為18.3 mm、長為82.4 mm、探頭半徑為1.1 mm。

采用能量方程和Laminar模型來模擬管道內流場流動過程，采用SIMPLE算法求解。流體介質采用空氣，運行環境選擇標準大氣壓101 325 Pa；探頭介質選取鉑材料。

2.2 探頭位置的確定

建立不同的物理模型，在其他條件相同的情況下，改變探頭插入流體中的深度，根據計算結果顯示速度分布云圖。通過對插入深度在1～5 mm之間的大量速度云圖進行比較得出，探頭會影響氣流的流動，探頭插入得越深，阻擋氣流的情況越嚴重，會對流量的測量產生更大的影響。在測量過程中，還需要保證探頭與流體接觸良好。綜合考慮仿真和實際模型的尺寸，選取插入深度為1.5 mm。

確定探頭插入流體區域的深度之后，建立不同的物理模型。在其他條件相同的情況下，改變兩個探頭間的間距，根據計算結果顯示溫度分布云圖。通過對間距在13～18 mm之間的溫度云圖進行比較得出，探頭間距越小，加熱的流速探頭對溫度探頭的影響越大。綜合考慮仿真和實際模型的尺寸，選取探頭間距為18 mm。由溫度分布云圖比較可知，在設計傳感器位置時，將補償探頭置于測量探頭上游更為合理，測量探頭發出的熱量不會對補償探頭溫度造成影響。

2.3 模型優化

由速度分布云圖可知，氣流流通不均勻，所以對傳感器的結構進行了優化，在管道中加入一個環形分布器，對氣流進行整流，使流通更均勻。環形分布器的側面如圖2所示。在此基礎上，對管道的物理模型進行優化，得到傳感器優化模型。

圖2 環形分布器的側面示意圖

通過FLUENT對所建立的兩種物理模型進行流體仿真，根據計算結果顯示速度分布云圖。通過比較兩種模型的速度分布云圖可知，環形分布器對管道中的流體具有良好的整流效果，可以使氣流相對均勻流動；而且，空氣流經發熱體時，平均流速會增大，連續性方程也可證明這一點。所以，我們采用優化模型的結構進行傳感器的設計。

3 仿真結果與數據分析

在入口邊界條件中設置不同的流速，根據不同流速計算出雷諾數，再確定需要參加運算的方程。經過仿真計算，可以得到不同流速下熱平衡時加熱探頭壁面平均溫度。

仿真試驗數據記錄如表1所示。

表1 仿真試驗數據記錄表

由式(4)和式(5)得到了流速(質量流量)與兩個探頭的溫度差的關系，可以看出，流速與溫差在恒流情況下成反比。在仿真試驗中，溫度差可以用加熱探頭與溫度探頭表面平均溫度的差來反映。根據表1給出的仿真試驗數據，用Matlab繪制出流速與溫差ΔT的關系曲線，如圖3所示。

圖3 流速與溫差關系圖

從圖3可以看出，傳感器在低流速時有較高的靈敏度和精度。因此，通過仿真試驗確定此種方法適用于小流量氣體質量流量的測量，并且驗證了推導出的質量流量的數學模型。最終確定了傳感器的優化模型。

4 結束語

利用FLUENT進行流體仿真，設計適應井下狹小空間的復雜操作環境的傳感器結構，在傳統的結構基礎上，在管道中加入環形分布器對傳感器模型進行優化。通過仿真驗證其可行性及小流量熱式氣體質量流量測量原理的數學模型。最終確定了傳感器的優化模型，為深入了解各層注入氣體量和提高采收率提供了可靠的依據。

[1] 張方禮．火燒油層技術綜述[J]．特種油氣藏，2011，18(6)：1-5.

[2] 徐克明．火燒油層采油技術基礎研究及其應用[D]．大慶：東北石油大學，2012．

[3] 姜李佳一．遼河油田稠油開發技術與實踐分析[J]．化學工程與裝備，2015(6)：76-78．

[4] KASHAPOV N F,KHAYRITONOV K A,LAZAREV D K,et al.Practical experience of using thermal-mass flowmeters at the registration associated (free) petroleum gas[J].IOP Conference Series:Materials Science and Engineering,2014,69(1):12-33.

[5] YODER J.The history & evolution of thermal flowmeters[J].Flow Control,2013,19(8):22-26.

[6] OLIN J G.Advanced thermal dispersion mass flowmeters[J].Chemical Engineering,2014,121(2):44-53.

[7] YONG M C,CHOI H M,LEE S H,et al.Characteristic test methods of the thermal mass flow controller[J].Journal of Mechanical Science and Technology,2014,28(3):907-914.

[8] KATO M,PUGH J,MCGLINCHEY D.Development of a particulate solids thermal mass flowmeter[J].Powder & Particle,2014(31):163-170.

[9] 李得天，馮炎，成永軍,等．極小氣體流量測量技術研究[J]．真空科學與技術學報，2011，31(4)：435-439．

[10]劉罡，周楊，梁國卿．基于FLUENT的隧道襯砌模型溫度場分布規律研究[J]．公路與汽運，2013(5)：207-211．

Study on Numerical Simulation of the Small Thermal Gas Mass Flow

In order to study the situation of air (combustion improver) injection and monitoring of small gas flow for wells on fire in In-situ Combustion (ISC) production technology,the measurement method for small thermal gas mass flow with automatic temperature compensation function and mixed gas composition compensation function is proposed.In order to adapt the complex operation environment of the underground narrow space,on the basis of traditional sensor structure,the structure of sensor is optimized by adding annular distributor in pipeline.The fluid simulation is conducted by using FLUENT,which verifies the feasibility of this structure,and the correctness of the mathematical mode of the measurement principle.The optimization design of sensor provides reliable basis for further understanding gas injection of each layer and enhancing oil recovery ratio.

Petroleum Thermal gas Mass flowmeter Sensor Annular distributor Well on fire Oil recovery technique Recovery efficiency Temperature compensation

國家自然科學基金面上資助項目(編號：51574087、51374072)。

韓建(1976—)，男，2004年畢業于哈爾濱工業大學信號與信息處理專業，獲碩士學位，教授；主要從事油井信號檢測及測井儀器方法的研究。

TH814;TP27

A

10.16086/j.cnki.issn 1000-0380.201611001

修改稿收到日期：2016-05-05。