擋板式泡沫發生器內部流場分析

劉承婷　衣蕊　欒伯川

摘 要：泡沫發生器是產生泡沫流體的設備，其發泡的基本原理是將空氣引入發泡劑溶液中。應用數值模擬與PIV實驗相結合，研究不同擋板角度對泡沫發生器內部氣液兩相流流動影響規律。該研究為疏松砂巖油藏沖砂洗井作業提供指導，為后續泡沫發生器結構設計提供理論依據。

關 鍵 詞：泡沫流體；數值模擬；PIV實驗；多相流

中圖分類號：TE 97 文獻標識碼： A 文章編號：1671-0460（2017）07-1422-04

Analysis on Internal Flow Field of Baffle Foam Generator

LIU Cheng-ting1， YI Rui1， LUAN Bai-chuan2

（1. School of Petroleum Engineering， Northeast Petroleum University， Heilongjiang Daqing 163318，China；

2. Liaohe Oilfield Company Drilling Engineering Department， Liaoning Panjin 124010，China）

Abstract： The foam generator is a device that produces a foam fluid， and the basic principle of its foaming is to introduce air into the foaming agent solution. In this paper， numerical simulation and PIV experiment were used to study the influence of different baffle angles on the flow of gas-liquid two-phase flow in the foam generator. This study can provide guidance for the sand-flushing operation in unconsolidated sandstone reservoirs， and can provide the theoretical basis for the design of foam generator.

Key words： Foam fluid； Numerical simulation； PIV experiment； Multiphase flow

泡沫流體密度低、攜帶能力強，在油田實際生產中有著廣泛的應用。泡沫流體的質量和性能對于提高泡沫應用效果發揮著至關重要的作用。因此對泡沫發生器內部流場進行數值模擬并結合PIV實驗得出流場分布情況進而改善泡沫流體應用效果，同時對現場應用也具有很大的指導作用[1]。

本文運用流體力學相關知識，應用SolidWorks軟件建立三維立體幾何模型，將生成的文件導入ICEM中進行網格劃分再導入Fluent軟件進行數值模擬。基于Mixture方法、湍流標準模型及Coupled算法采用速度入口壓力出口的邊界條件通過改變擋板角度進行數值模擬并根據計算結果得出速度分布圖和入口流線圖。應用PIV技術對擋板式泡沫發生器進行實驗研究，分析其內部流場的流動規律，對比數值模擬與實驗結果[2]。

1 數值模擬

1.1 擋板式泡沫發生器幾何建模

采用SolidWorks軟件對擋板式泡沫發生器進行三維建模，如圖1所示。模型全長1 000 mm，氣液相入口長度65 mm、入口直徑為φ20 mm。變徑入口段長35 mm，氣液混合腔外徑為φ100 mm，泡沫液出口段長100 mm。整個模型壁厚5mm。擋板厚度5mm，擋板傾角分別為30°、45°、60°、90°。建模后將生成的文件導入ICEM中進行網格劃分。

首先研究泡沫發生器內擋板傾角對泡沫發生器內氣液兩相流的影響，圖2中擋板式泡沫發生器的混合段長度為200 mm，擋板間距115 mm，擋板傾角分別為30°、45°、60°、90°四種結構。

1.2 ICEM網格劃分

將構建好的幾何模型以parasolid*.x_t格式輸出，其可較好地保留模型幾何特征，并將輸出的幾何文件導入ANSYS ICEM 中進行網格劃分處理，如圖3所示。

網格質量好壞是影響數值模擬計算結果的重要因素，本文擋板式泡沫發生器計算域網格質量要求Min Angle值不小于18，Quality不小于0.4，即為合格的網格。本文模擬中最低網格質量為0.4，網格單元數316 334，網格節點數62 053，網格質量良好。

1.3 FLUENT數值模擬

泡沫發生器的結構直接影響產出泡沫的質量，本文運用數值模擬方法探究擋板傾斜角度對泡沫形成的影響[3]。以擋板傾斜角度為變量，其他結構參數不變，設計4組不同傾角的擋板結構，對不同擋板結構的泡沫發生器進行數值計算[4]。采用速度入口、壓力出口的邊界條件，氣液進口速度均為1 m/s[5]。速度分布云圖如圖4所示，入口流線分布如圖5所示。

氣液兩相以v=1 m/s的速度進入發生器時，可以看出30°擋板與45°擋板的泡沫發生器入口處流體上浮，60°擋板的泡沫發生器氣液水平進入，而90°擋板的泡沫發生器氣液兩相流經入口后下沉。隨著角度增加，依次增加的距離使得他們對于氣液的阻擋效果不同。30°擋板的尖部距離入口最大，第一塊擋板的阻擋作用最小。90°擋板的泡沫發生器，氣液流入后，受到阻礙向下流動，是因為尖部距離入口最小，阻擋作用非常明顯。

單獨分析每個泡沫發生器可以看出，30°擋板的泡沫發生器產生三次較大的渦流，其中第四塊擋板后部的渦流極小；45°擋板的泡沫發生器產生的第一次渦流明顯比30°的擾動大，經過第四塊擋板后的渦流幾乎沒有；