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。……