气环对水射流流场影响的数值模拟分析

张 彬,甘行平,黄建喜,宋志彬,4,王 丽,范昆仑

(1.中国地质大学(北京)工程技术学院,北京100083;2.渤海石油职业学院,河北任丘062552; 3.渤海石油装备制造有限公司石油机械厂,河北任丘062552; 4.中国地质科学院勘探技术研究所,河北廊坊065000) *

气环对水射流流场影响的数值模拟分析

张 彬1,2,甘行平1,黄建喜3,宋志彬1,4,王 丽2,范昆仑2

(1.中国地质大学(北京)工程技术学院,北京100083;2.渤海石油职业学院,河北任丘062552; 3.渤海石油装备制造有限公司石油机械厂,河北任丘062552; 4.中国地质科学院勘探技术研究所,河北廊坊065000)*

为从理论上证明周围气环具有抑制中间水射流衰减的作用,选取现场试验中效果良好的典型水气喷嘴组合进行分析,得出在有无气体保护下,处于水淹没环境中的水射流流场中动压力的分布状况,绘制出不同时刻流场的动压力分布云图、水喷嘴中轴线上的动压力沿流线的分布图。从反映水射流衰减的动压力分布规律得出气环保护能提高水射流的射流能力,并分析了气环减缓水射流衰减的原因。

气环;数值模拟;流场;动压力;射流

在石油工业、地质工程、清洗行业等领域都迫切需要提高水射流的射流能力,而处于淹没环境中,单一的水射流很容易衰减。分析打击力与靶距之间的关系,已有的规律是[1]:打击力随喷嘴直径 d增大而增大;d一定,打击力随压力增大而增大。因此,流场中动压力的变化规律能反映水射流能力的大小。为了提高水射流的射流能力,在水射流外加气环可以保护水射流,但是国内外目前对气环影响水射流流场的详细分析很少,而这方面的研究能从内在机理上解释气环对水射流的保护作用。

1 选取喷嘴模型

虽然具体应用情况不同,喷嘴结构与尺寸会制约喷嘴的设计,但是基本的参照尺寸不变[1]。典型的水喷嘴结构为内锥角α=13～15°,内部直线段与喷嘴出口直径比l/d=2～4。选取工程实践中证明效果较好的气喷嘴结构同水喷嘴组合进行分析,选择的水气喷嘴组合的结构模型如图1所示,水喷嘴的出口直径为2 mm,气喷嘴的出口环隙为1 mm,水喷嘴内缩1 mm。

图1 水气组合喷嘴结构模型

2 数值模拟及分析[2-10]

模拟喷嘴组合在水下的喷射情况,并且为了尽早在距喷嘴出口较近距离就能观察到衰减情况,选取的气压和水压分别为0.4 MPa和20 MPa。虽然喷嘴为对称结构,为了与真实情况更相符,没有采用半模型进行流场分析,而是对完整喷嘴组合模型进行分析,这样可以观察到周围水介质对流场的不对称的影响情况。

2.1 无气环保护的水射流动压力分布(如图2)

图2 无气环保护的水射流动压力分布

没有气环保护的水射流在相对较短的时间(0.8 s)就达到一个基本稳定的流场。经过近2 s的喷射后,3.5 s时刻的动压力与0.8 s时刻的分布基本一致,可见,无气体保护的水射流很容易受到淹没环境介质的影响,在较短时间就形成动压力衰减的流场。

2.2 有气环保护的水射流动压力分布(如图3)

比较图2,在气环保护下的水射流具有更大的能量去克服淹没环境介质的影响。在3.5 s时刻有气体保护的水射流仍然没有达到稳定的状态,因为在气体保护下水射流的能量衰减较慢,需要一定的时间克服周围水环境施加的力,大约在5 s时刻流场基本稳定,喷射流末端出现动压力的明显衰减。

图3 有气环保护的水射流动压力分布

2.3 水喷嘴中轴线上动压力分布(如图4)

横坐标位置为7 mm处是水喷嘴出口位置。无气环保护的水射流在喷嘴出口10 mm的距离内,动压维持短暂且较为恒定,随后一直到120 mm区间都在迅速逐步衰减。中间出现某些波动,是由于水介质环境的影响结果。120 mm以外的区域能量基本耗散。

图4 有无气体保护的水射流达到稳定状态下中轴线的动压力分布

有气环保护作用下的水射流在距离喷嘴出口的120 mm范围内动压基本恒定,随后在中轴线上出现波动,产生的衰减速度由小到大。其间中轴线上动压力的变化除了正常的水射流衰减外,也是由于环境水介质对流场的非对称扰动影响产生的,使流动在中轴线方向不是水平的,而是围绕中轴线呈现一定程度的波动。这种波动在200 mm以内很小,因为这段水射流的能量较大,大于水环境介质的干扰。在200 mm以外的区域,水射流的能量逐步衰减,抵抗水环境介质干扰的能力减弱。

3 结论

1) 在淹没环境下,无气体保护下的水射流能较快达到稳定状态,但是能量衰减快。

2) 中轴线上动压力分布表明,有气体保护的水射流的动压力衰减慢,更有助于提高水射流的打击力。

[1] 薛胜雄.高压水射流技术与应用[M].北京:机械工业出版社,1998:200-214.

[2] 车得福.多相流及其应用[M].西安:西安交通大学出版社,2007:1-20.

[3] 沈忠厚.水射流理论与技术[M].东营:石油大学出版社,1997:136-146.

[4] 李 伟,张 奇.高压气体泄漏喷射和扩散的数值模拟[C]//中国职业健康安全学会2008学术年会论文集, 2008:314-320.

[5] 伊 鹏,刘衍聪,高 凯.基于有限元法的单根钻杆动力学仿真模拟分析[J].石油钻采工艺,2009,31(4): 12-15.

[6] 黄志强,周 已,李 琴,等,刮刀钻头喷嘴直径对井底流场的影响研究[J].石油矿场机械,2009,38(3): 17-19.

[7] 张作龙,梁忠民.高压淹没水射流破岩实验研究[J].石油矿场机械,2000,29(5):27-29.

[8] 万富滨,袁 力,胡知辉.基于CFD数值模拟的立式中心搅拌器有限元分析[J].石油矿场机械,2008,37(8): 52-54.

[9] 祁万军,徐依吉,李 静,等.高压水射流离心限速自旋转喷头的设计[J].石油矿场机械,2008,37(11): 56-59.

[10] 宋祖厂,陈建民,刘 丰.基于SPH算法的高压水射流破岩机理数值模拟[J].石油矿场机械,2009,38 (12):39-43.

Numerical Simulation Analysis of the G aseous Ring Affecting Water-Jet Flow Field

ZHANGBin1,2,GAN Xing-ping1,HUANGJian-xi3,SONG Zhi-bin1,4,W ANG Li2,FAN Kun-lun2
(1.College of Engineering Technics,China University of Geosciencs,Beijing100083,China;2.Bohai Petroleum Vocational College,Renqiu062552,China;3.Oilf ield Machinary Plant,CN PC Bohai Equipment Manuf acturing Co.,Ltd.,Renqiu062552,China;4.Institute of Ex ploration Techniques,CA G,L angf ang065000,China)

In order to improve the around gaseous ring can prevent the water jet in the center from damping,choosing the better air-water nozzle in the site test.By the way of analyzing the situations of the water jet with or without gas protection,under the submerge condition of water,to get the charts of the flow fields’contours of dynamic pressure at different times and the values of the dynamic pressure along the axial line of the water nozzle,consequently,the conclusions that the gaseous ring can protect the water jet and why it can do it are obtained.

the gaseous ring;numerical simulation;flow field;dynamic pressure;jet

1001-3482(2010)12-0004-03

TE242.9

A

2010-06-12

中国地质科学院地质调查项目“江河堤坝防渗加固高压旋喷注浆技术研究与开发”(F5.4.2)

张 彬(1982-),女,黑龙江林口人,讲师,博士研究生,主要从事钻井机械流体力学研究,E-mail:bingzhi201 @sina.com。