運行參數對煤層氣空化噴嘴性能的影響

文 豪

（西安石油大學，機械工程學院，陜西 西安 710065）

煤層氣，又稱煤層瓦斯。我國的煤儲層具有壓力高、孔隙小、低滲透性及高吸附性的特點，使得大多數煤層氣井表現為產氣量低、產氣時間短的現狀[1-2]。利用高壓水射流切割煤層技術在現場的應用已經比較成熟，現場應用較為廣泛[3]。李曉紅等就提高煤層氣采收率這一問題，提出了通過水射流產生空化效應形成聲場來促進解吸的方法[4]。葛兆龍等研究發現煤樣中氣體經過空化聲場處理后的解吸時間明顯減少，滲流速度明顯增大[5]。

G Peng等[6]通過數值分析，發現空化發生在噴管喉部入口處，氣泡云沿邊界層向下游流動時膨脹發展。國內學者在此基礎上通過建立噴嘴模型進行數值模擬以及試驗的方法研究了不同噴嘴結構[7]，不同空化模型[8]對空化性能的影響關系，以及不同壓力比值條件下,空化數、流量系數、含氣率和氣相質量交換率變化及分布情況[9]。

1 空化數值模擬方法

1.1 數學模型建立

本次模擬采用Mixture模型[10]。

1） 連續性方程

式中：t為時間，s；ρm為混合密度，kg/m3；νm為質量平均速度，m/s；ρk為第k相密度，kg/m3；m為由于空穴或者用戶自定義的質量源產生的質量傳遞，kg；αk為第k的體積分數，通常來說設水為第一相，水蒸氣為第二相。

2） 能量方程

式中：keff為有效熱傳導率；SE為包含全部的體積熱源。

第二相p相對于主相q存在的滑移速度vqp為：

第二相p體積分數方程為：

1.2 幾何模型建立

本文以赫姆霍茲空化噴嘴為基礎進行模型建立，自激脈沖噴嘴由自激腔體、上噴嘴、下噴嘴及碰撞壁組成。由于噴嘴的結構為對稱結構，所以在進行模型建立的時候，僅僅對上半部分進行建模即可。另外在此基礎上，不同的區域對精度的要求不同，因此對入口段以及近壁面等部位進行網格加密。模型建立及網格劃分如圖1所示。

圖1 模型建立及網格劃分Fig.1 Model establishment and mesh division

2 數值模擬結果及分析

2.1 入口流速對空化性能的影響

入口流速是影響空化產生的重要因素之一，它的大小直接影響到振蕩腔內剪切層的強度及穩定性。分別對上噴嘴入口流速V=25m/s、V=30m/s 、V=35m/s、V=40m/s、V=45m/s、V=50m/s、V=55m/s、V=60m/s進行8組模擬，對比各個流速下水蒸氣體積分數折線圖。見圖2。

圖2 不同入口流速下水蒸氣體積分數變化Fig.2 Variation of water vapor volume fraction at different inlet flow rates

由圖2中看出，當入口流速較低時難以產生有效的氣相區域，且氣相區不易擴散，主要集中在下噴嘴靠近碰撞壁面，隨著流速的不斷增大振蕩腔內產生的空化效果增強，氣相區開始向振蕩腔內擴散。當入口流速達到40m/s時，空化能力顯著增強，且在振蕩腔內能夠產生理想的氣相區域，隨著入口流速的繼續增大，氣相區域擴張的速度放緩，并慢慢趨于穩定。

2.2 出口圍壓對空化性能的影響

出口圍壓設置為0MPa、0.05MPa、0.1MPa、0.15MPa、0.2MPa、0.25MPa進行6個工況下的模擬，同時對比入口流速為45m/s、50m/s、55m/s三個流速下的空化性能并繪制水蒸氣體積分數折線圖。見圖3。

圖3 不同圍壓下各入口流速水蒸氣體積分數變化Fig.3 Variation of water vapor volume fraction at each inlet flow velocity under different confining pressures

由圖3中看出，當圍壓為0時的空化能力最強，隨著出口圍壓的不斷增大，空化能力降低，當圍壓達到0.25MPa時，三種入口流速下均難以產生有效空化。在入口流速為45m/s時，圍壓從0.05MPa提高到0.1MPa時抑制能力瞬間變大，而在入口流速為50m/s和55m/s時，抑制能力瞬間變大是在圍壓從0.05MPa提高到0.1MPa時，對比三種流速，可以看出適當的提高入口流速可以降低出口圍壓對振蕩腔空化能力的抑制作用。

3 結論

1）在對入口流速進行數值模擬的情況下發現，隨著入口流速的增大，空化能力不斷提高，在入口流速為40m/s時空化能力瞬間增強，繼續增大流速，空化性能變化不大，因此得出最佳入口流速為40m/s。

2）通過對出口圍壓的模擬發現，隨著出口圍壓的增大空化效果不斷降低直至無法產生空化，當適當提高入口流速時，圍壓的抑制效果將被漸弱。