海域天然氣水合物空化噴嘴內流場數值模擬

張辛 葛家旺 高嘉寶 孟翔

DOI：10.20031/j.cnki.0254?6094.202403017

摘 要? 針對海域天然氣水合物水射流破碎開采，對角形噴嘴、亥姆霍茲噴嘴、錐形噴嘴開展天然氣水合物儲層條件下空化效果對比，并深入研究進口壓力、出口壓力對亥姆霍茲噴嘴空化特性的影響。建立噴嘴內流場的數學模型和物理模型，采用流體仿真軟件進行數值模擬，以氣含量作為判斷空化效果的主要依據開展研究。模擬結果表明：天然氣水合物儲層條件下，亥姆霍茲噴嘴空化性能優于角形噴嘴和錐形噴嘴，噴嘴內部最大氣含量達到0.95;保持其他條件不變，進口壓力越大，亥姆霍茲噴嘴產生的空化效果越好;天然氣水合物儲層的高壓環境會產生阻滯作用，降低亥姆霍茲噴嘴空化性能。

關鍵詞 天然氣水合物 空化射流 數值模擬 射流破碎

中圖分類號 TE95?? 文獻標志碼 A?? 文章編號 0254?6094（2024）03?0448?07

Numerical Simulation of the Flow Field in the Cavitation Nozzle for Marine Gas Hydrate

ZHANG Xin， GE Jia?wang， GAO Jia?bao， MENG Xiang

（College of Electromechanical Engineering， China University of Petroleum （East China））

Abstract?? Considering the water jet crushing exploitation of marine gas hydrate， the cavitation effects of angle nozzle， Helmholtz nozzle and conical nozzle under the conditions of natural gas hydrate reservoir were compared， and the influence of both inlet and outlet pressure on cavitation characteristics of Helmholtz nozzle was investigated， including having mathematical model and physical model of the flow field in the nozzle established， and the fluid simulation software adopted for the numerical simulation and the gas content based to judge cavitation effect. The simulation results show that， the cavitation performance of Helmholtz nozzle outperforms that of both angle nozzle and conical nozzle under the condition of natural gas hydrate reservoir. The maximum gas content inside the nozzle reaches 0.95. When other conditions keep unchanged， the greater inlet pressure brings about better cavitation effect produced by Helmholtz nozzle; the high?pressure gas hydrate reservoir produces blocking effect and reduces cavitation performance of Helmholtz nozzle.

Key words?? natural gas hydrate， cavitation jet， numerical simulation， jet crushing

作者簡介：張辛（1987-），副教授，從事石油機械工程、非常規能源裝備、機械電子工程的研究。

通訊作者：葛家旺（1998-），碩士研究生，從事空化射流技術的研究，1937731755@qq.com。

引用本文：張辛，葛家旺，高嘉寶，等.海域天然氣水合物空化噴嘴內流場數值模擬[J].化工機械，2024，51（3）：448-453;476.

天然氣水合物是在低溫高壓條件下形成的籠型固態化合物，相對于常規能源，天然氣水合物分布范圍廣、儲存量大、利用率高，因此，實現天然氣水合物的高效安全開采至關重要[1，2]。水射流破碎開采法是近年來提出的天然氣水合物開采方法，利用噴嘴產生的射流打碎海底水合物儲層，不需要改變儲層的溫度和壓力條件，可以大幅提高開采儲層的安全性。空化是在局部低壓條件下發生的液體轉變為氣體的現象，如果在水射流中引入空化作用，可以對天然氣水合物儲層產生射流沖擊和空泡沖蝕的雙重作用[3，4]。

為了提升空化射流的效果，前人對產生空化射流的關鍵部件空化噴嘴開展了大量研究。向美景等研究了亥姆霍茲上噴嘴出口結構對空化射流自激振蕩特性的影響，結果表明，上噴嘴的出口凸出長度對自激振蕩特性產生顯著的影響[5]。萬春浩等研究了角形噴嘴對空化射流空化效果的影響，并基于FLUENT流體仿真軟件對角形噴嘴的內外流場進行了數值模擬，結果表明，增大噴嘴進口壓力可以提高射流空化效果[6]。廖松等采用沖蝕靶材的方法對新型中心體空化噴嘴進行了實驗研究，結果表明，新型中心體空化噴嘴在壓力較低情況下性能較好，在相同泵壓下，沖蝕性能優于角形噴嘴[7]。張逸群等研究了旋轉空化射流噴嘴對射流沖擊特性的影響，結果表明，旋轉空化射流的負壓分布范圍大，具有更強的空蝕效應[8]。陳松平等研究了縮放型噴嘴結構參數對射流流場的影響，結果表明，噴嘴擴張角對空化射流影響較大，射流剪切層內產生許多漩渦結構[9]。上述研究分析了不同結構空化噴嘴的空化效果及其影響因素，豐富了空化射流相關理論，但現有針對空化噴嘴的研究大多局限于常壓條件，針對天然氣水合物儲層的高圍壓環境，需要進一步探究不同類型空化噴嘴的性能優劣以及空化性能影響因素。

筆者利用計算流體力學對角形噴嘴、亥姆霍茲噴嘴、錐形噴嘴的內流場進行數值模擬，以氣含量為判斷空化效果的主要依據，探究3種空化噴嘴在天然氣水合物儲層條件下的空化效果強弱，針對亥姆霍茲噴嘴，進一步研究了進口壓力、出口壓力對空化射流效果的影響，為空化射流在天然氣水合物開采領域的應用提供參考。

1 物理模型

1.1 幾何模型

基于前人對空化噴嘴的研究，建立3種空化噴嘴內腔結構（圖1），對于角形噴嘴，入口段長7 mm，入口段收縮角13.5°，中間段長3 mm，中間段直徑2 mm，出口段長5 mm，出口段擴散角60°;對于亥姆霍茲噴嘴，入口段長7 mm，入口段直徑3.4 mm，中間段長3 mm，中間段直徑12 mm，中間段傾斜壁夾角120°，出口段長5 mm，出口段直徑4 mm;對于錐形噴嘴，入口段長7 mm，入口段收縮角25°，出口段長8 mm，出口段直徑2 mm。

1.2 邊界條件及網格劃分

基于噴嘴的對稱性，為了節約計算資源，采用二維軸對稱模型進行流場計算[10]。設置噴嘴入口邊界條件為壓力入口，設置噴嘴出口邊界條件為壓力出口，為保證流體在噴嘴中正常流動，需保證進口壓力高于出口壓力。湍流參數選擇湍流強度與水力直徑，進出口湍流參數均設置為5%。固體壁面條件滿足無滑移壁面條件，進壁面區域采用壁面函數處理[11，12]。流場迭代求解方法選擇Coulped，離散格式選擇QUICK方程。

用DesignModeler軟件進行建模后，利用Meshing對整個噴嘴進行網格劃分。精密的網格可以保證模擬流動的真實性，因此，在噴嘴壁邊界層區域進行局部加密，充分保證網格的質量，最終網格的平均質量大于0.9。

2 數學模型

空化射流涉及液體復雜的相變過程，因此，空化射流屬于湍流流動，筆者選取混合模型和RNG k湍流模型進行計算。

2.1 混合模型

混合模型允許不同相之間的滲透，計算精度高，不容易出現發散現象，可以同時和空化模型使用求解[13，14]。混合模型的連續方程為：

（ρ）+▽·（ρ）=0???? （1）

式中 ——質量平均密度;

ρ——混合物的密度。

2.2 湍流模型

RNG k模型是一種兩方程湍流模型，不僅在漩渦捕捉方面有很大的優勢，而且對雷諾數適應性強，具有很高的湍流計算精度，適合復雜剪切流，在空化噴嘴的流場模擬中可以產生很好的模擬效果[15]。其k方程和ε方程分別為：

k方程+=（αμ）+G+G-ρε-Y （2）

ε方程+=（αμ）+C×（G+CG）-

Cρ-R? （3）

式中 C、C、C——經驗常數;

G——浮力影響產生的湍流動能;

G——平均速度梯度產生的湍流????????? 動能;

k——湍流動能;

R——空泡半徑;

Y——總耗散率;

α、α——普朗特常數;

ε——湍流動能耗散率;

μ——有效黏度。

3 數值模擬結果與分析

3.1 不同噴嘴空化效果對比

當流域局部壓力低于當前環境溫度下流體飽和蒸氣壓時，流體會發生空化現象。天然氣水合物在低溫高壓環境下生成，筆者以水為研究對象，設置水的飽和蒸氣壓（5 ℃時）為900 Pa，模擬天然氣水合物儲層低溫環境，設置噴嘴出口壓力5 MPa，模擬天然氣水合物儲層的高壓條件，設置噴嘴進口壓力40 MPa，保證流體的正常流動。對于工程應用水射流，噴嘴出口速度理論計算公式如下：

v=44.77?? （4）

式中 p——射流壓力，MPa;

v——射流速度，m/s。

對3種不同結構的空化噴嘴完成空化射流數值仿真，提取各噴嘴出口軸線處的速度值，表1為噴嘴出口軸線處速度仿真計算值與理論計算值的對比，由表可見：3種不同結構的空化噴嘴出口軸線處速度仿真計算值與理論計算值基本吻合，仿真誤差均在1%以內，證明采用的仿真計算方法合理[16]。

表1 空化噴嘴出口軸線處速度值

[噴嘴類型????? 出口軸線處速度/m·s-1????? 誤差/%?? 理論計算值??? 仿真計算值??? 角形噴嘴?????? 282.9????? 283.1????? 0.07 亥姆霍茲噴嘴??? 282.9????? 283.0????? 0.04 錐形噴嘴?????? 282.9????? 283.2????? 0.10 ]

圖2為3種不同結構空化噴嘴的空泡分布云圖。由圖可見：3種空化噴嘴內部均有空泡析出，其中，錐形噴嘴產生的空泡數量最少，僅在出口段壁面邊界層附近出現少量空泡，相比之下，角形噴嘴產生的空泡數量優于錐形噴嘴，這是由于角形噴嘴出口段存在擴散角，可以為空泡提供足夠的發展空間。亥姆霍茲噴嘴產生的空泡數量最多，大量空泡集中在噴嘴中間段，且空泡對稱分布呈渦旋狀，造成這種現象的主要原因是亥姆霍茲噴嘴中間段存在傾斜壁結構，在傾斜壁拐角處易形成漩渦低壓區，促進空化泡的產生[17，18]。

圖3為3種不同結構空化噴嘴內部最大氣含量，由圖可見：不同結構空化噴嘴內部最大氣含量有明顯差異，亥姆霍茲噴嘴內部最大氣含量達到0.95，角形噴嘴內部最大氣含量達到0.75，相比之下，錐形噴嘴內部最大氣含量僅為0.55，氣含量越大，空化發生程度越劇烈，由此可見，空泡在亥姆霍茲噴嘴內部發展狀態最佳，可以產生更強的空蝕作用，有利于對水合物沉積物的沖擊破碎[19，20]。綜合噴嘴空泡分布云圖可以看出，3種不同結構空化噴嘴中亥姆霍茲噴嘴在天然氣水合物儲層條件下空化效果最好。

3.2 進口壓力對亥姆霍茲空化性能影響

空化噴嘴的工作性能受到多重因素的影響，當噴嘴結構和出口壓力維持不變時，進口壓力對空化噴嘴性能產生很大的影響。保持出口壓力為5 MPa、使進口壓力分別為30、40、50、60 MPa，分析進口壓力對亥姆霍茲噴嘴氣含量的影響情況。由圖4可見：在不同進口壓力作用下，亥姆霍茲噴嘴中間段均產生聚集性空泡，亥姆霍茲噴嘴出口段在壁面邊界層附近產生空泡，空泡在噴嘴內部呈對稱分布，當噴嘴進口壓力為30 MPa時，亥姆霍茲噴嘴出口段僅有少量空泡，空泡在噴嘴出口段長度占比不足二分之一，當噴嘴進口壓力為40 MPa時，亥姆霍茲噴嘴出口段空泡數量增多，空泡在噴嘴出口段長度占比超過二分之一，當進口壓力繼續上升，空泡發展至亥姆霍茲噴嘴出口端，空泡在噴嘴出口段長度占比達到百分之百。

圖5為不同進口壓力作用下亥姆霍茲噴嘴內部最大氣含量，由圖可見：亥姆霍茲噴嘴內部最大氣含量隨進口壓力的增加而上升，綜合不同進口壓力下亥姆霍茲噴嘴的空泡分布云圖，可以得出，進口壓力越大，亥姆霍茲噴嘴空化效果越好。這是由于進口壓力提高，射流剪切層作用變強，容易形成大尺度的漩渦。因此，為了保證天然氣水合物儲層條件下亥姆霍茲噴嘴的空化效果，可以適當提高噴嘴進口壓力，但過高的噴嘴進口壓力會造成對泵壓需求過大的情況，在實際應用過程中，需要考慮噴嘴進口壓力與泵壓的平衡。

3.3 出口壓力對亥姆霍茲空化性能影響

天然氣水合物儲層的高壓環境會對噴嘴空化性能產生很大的影響。因此，保持進口壓力為50 MPa，使出口壓力分別為0、5、10、15 MPa，分析出口壓力對亥姆霍茲噴嘴氣含量的影響情況。由圖6可見：當出口壓力為0 MPa時，亥姆霍茲噴嘴內部產生大量空泡，空泡幾乎充滿噴嘴中間段，隨著出口壓力的不斷提高，亥姆霍茲噴嘴內部空泡數量逐漸減少，當出口壓力為15 MPa時，亥姆霍茲噴嘴內部幾乎沒有空泡產生。

圖7所示為不同出口壓力作用下亥姆霍茲噴嘴內部最大氣含量，由圖可見：隨著出口壓力的不斷增大，亥姆霍茲噴嘴內部最大氣含量不斷降低。當出口壓力為0 MPa時，噴嘴內部最大氣含量達到0.9以上，當出口壓力為5 MPa時，噴嘴內部最大氣含量略有下降，但仍達到0.9以上，當出口壓力繼續提高，噴嘴內部最大氣含量下降率增大，出口壓力為15 MPa時，噴嘴內部最大氣含量已經低于0.6。綜合不同出口壓力下亥姆霍茲噴嘴的空泡分布云圖，可以得出，較大的出口壓力會對亥姆霍茲噴嘴空化產生抑制作用。這主要是由于出口的高壓力會對射流速度和空泡發展產生阻滯作用。

4 結論

4.1 天然氣水合物儲層條件下，亥姆霍茲噴嘴空化性能優于角形噴嘴和錐形噴嘴。亥姆霍茲噴嘴內部產生聚集性空泡，空泡對稱分布呈渦旋狀，空泡潰滅產生壓力波，有利于水合物沉積物的沖蝕破壞。

4.2 當噴嘴結構和出口壓力維持不變時，進口壓力對空化噴嘴性能產生很大的影響。進口壓力越大，亥姆霍茲噴嘴產生的空化效果越好。因此，在實際應用中，根據高壓泵的工作范圍，可以適當提高噴嘴進口壓力。

4.3 天然氣水合物儲層的高壓環境會降低亥姆霍茲噴嘴空化性能。當出口壓力為0 MPa時，亥姆霍茲噴嘴內部最大氣含量達0.9以上，當出口壓力為15 MPa時，亥姆霍茲噴嘴內部最大氣含量低于0.6。出口壓力越小，亥姆霍茲噴嘴產生的空化效果越好。

參 考 文 獻

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（收稿日期：2023-04-17，修回日期：2024-05-13）