幂律流体在梭形内管环空中流动的流场数值分析

2013-05-25张晶明

大庆师范学院学报 2013年6期

蔡萌，张晶明，李朦

(大庆油田有限责任公司采油工程研究院，黑龙江大庆163453)

大庆油田三元复合驱驱替对象已转向渗透率更低、层间差异更大的二、三类油层，采用笼统注入方式，严重影响三元复合驱的开发效果。为改善三元复合驱效果，逐步发展了适应油田不同类型油层三元复合驱开发需要的分层注入技术，利用偏心配注器产生压降，实现注入量的控制，而技术关键就是偏心配注器结构参数的优化。三元复合溶液在偏心配注器中的流动可视为幂律流体在梭形内管环空中的流动，研究该流动的流场对偏心配注器结构参数的优化设计提供了理论依据。

关于流体在内管带有环槽的环空中的流动，有不少学者［1-3］对其进行了研究。本文将应用CFD 软件FLUENT 对幂律流体在梭形内管环空中流动的流场进行数值计算，分析其速度、压力和视粘度分布。

1 流道模型的建立及网格的划分

1.1 流道模型的建立

图1、图2分别是带梭形内管的偏心配注器剖面、结构参数图。其中R1为内管内径，R2为内管外径，L为槽距，a 为槽间角。

图1 带梭形内管的偏心配注器剖面图

图2 结构参数图

1.2 网格的划分

使用FLUENT 中的前处理程序GAMBIT 生成计算域，由于结构不规则，采用区域离散化，分区域生成结构化网格，且使得网格分布与计算域的几何形状相一致，从而得到图1的计算域网格图(如图3所示)。

图3 计算域网格图

2 数学模型

2.1 本构方程

幂律模式常被用来描述拟塑性流体和膨胀性流体，其本构方程为:

其中，τ—剪切应力，N·m-2;

k—稠度系数，Pa·sn，;

n—流性指数，(n＜1);

2.2 连续性方程

2.3 动量方程

湍动能k 方程:

其中

湍动能耗散率ε 的方程:

式中ρ—流体密度，kg·m-3;

p—压力，pa;

u、v、w —x、y、z 方向的速度，m·s-1;

μt、μ—湍流黏性系数、动力粘性系数，m·s-2;

k—单位质量湍动能;

ε—单位质量能量耗散率;

ν—流体的分子粘性系数;

Γ—广义扩散系数;Cμ=0.09，C1=1.44，C2=1.92，σk=1.0，σε=1.3。

2.4 边界条件方程

2.4.1 入口条件

入口条件如式(9)所示，由3 个式子组成。

2.4.2 出口条件

出口按照充分发展处理，在该面上所有变量(压力除外)梯度为零，并取相对于外界的压力为零。

式中:N 出口面的法向向量，l 为环空长度，p0为出口相对外界压力。

2.4.3 固壁边界条件壁面为无滑移边界条件，us=0，默认壁面粗糙度为0.5，采用标准壁面函数法处理边界湍流［45］。

3 数值模拟方法

利用FLUENT 对幂律流体在梭形内管环空中流动的流场进行数值模拟:将网格文件调入到FLUENT中，采用分离式求解器(SEGREGATED SOLVER)、隐式(IMPLICIT)算法;黏性模型选用标准k=ε 湍流模型;求解控制中用SIMPLES 算法解决速度与压力的耦合问题;选取相应的差分格式为常规QUICK 格式，压力插补格式为PRESTO 格式［6-8］。