一种用于固井地锚的喷嘴—中心管系统节流效果分析

李丁，陈治

摘要：喷嘴-中心管系统在大多数流体机械中作为节流装置起到了不容忽视的作用。为了定性了解喷嘴-中心管系统的节流效果，并针对不同孔径的喷嘴对节流效果的影响有什么特点等问题，通过室内流体循环试验获得流量、进出口静压等数据。分析计算获得喷嘴-中心管系统的流量系数曲线，得出流量系数的范围为0.6-1.0。最后用流量系数这一概念来表征其节流效果，指出孔径越小，流量系数越大，即节流效果越好。

关键词：喷嘴-中心管系统 流量系数 节流效果 试验

0 引言

在大多数的流体机械中我们用到了喷嘴或者喷嘴-中心管系统作为节流装置，进而产生一定的压浆，即压差。当喷嘴的两端面受到的压力不平衡时，受力不平衡的原理就不会静止。油田稠油热采过程中地锚锚爪在钻井液的作用下被打开这一过程就是基于上述原理而实现的。本文通过对这一过程进行模拟流体循环试验并获得流量、压差等数据，根据流体力学计算出对应的流量系数，并绘制出不同孔径的喷嘴-中心管系统对应的流量系数曲线图。通过曲线图便可以清晰的了解喷嘴-中心管系统的节流效果及其影响因素。

1 喷嘴-中心管系统

喷嘴和中心管二维结构设计如图1、图2所示，其中喷嘴外径为Ф60mm，内径分别有Ф24mm、Ф28、Ф32mm、Ф36mm四种不同孔径。在喷嘴节流过程中，喷嘴和配套的中心管固连成一个整体，因此一般将其作为一个整体分析。利用Pro/E建立喷嘴-中心管系统的流道模型，如图3所示。

图1 喷嘴 图2 中心管

图3 喷嘴-中心管系统流道模型

2 节流原理

在喷嘴-中心管系统形成的流道内，流体以一定的流速从入口流向出口。当遇到喷嘴的时候，流体流经喷嘴前后速度发生变化，由流体动力学理论可知流体的静压发生变化，喷嘴前后端面受到的压力也将发生变化，因此流体将在喷嘴前后产生压差，实现喷嘴的节流效果[1][2]。

由喷嘴压降公式：ΔP=■

得流量系数μ表示为：μ=■■

式中，μ为流量系数；Q为流过喷嘴的入口流量（m3/s）；

A为喷嘴内孔截面积（m2），如果喷嘴内孔直径大于中心管最小直径，则按中心管最小直径计算；ρ为流体密度（kg/m3）（这里选用清水，取1000kg/m3）；ΔP为喷嘴压降（Pa），由实验仪器测得。

3 节流效果实验分析

实验装置包括铸铁平台、夹持机构、循环系统三部分，其中夹持机构将喷嘴-中心管系统整体固定于铸铁平台上。循环系统由D25-50×10多级离心泵，水箱、管线、阀门等组成。D25-50×10多级离心泵配用交流变频器，以实现改变泵的转速、调节地锚的入口流量。试验所用介质为清水。实验中选取Ф24mm、Ф28、Ф32mm、Ф36mm四种不同孔径的喷嘴分别与中心管组合成节流系统作为实验对象，记录不同流量下的进出口压力等数据。

由流量系数公式计算出不同孔径的喷嘴与中心管系统的流量系数，如图4所示，图中的横坐标表示相对流量值[3]。

图4 不同孔径喷嘴-中心管系统的流量系数曲线

分析图4，不同孔径的喷嘴-中心管系统对应的流量系数不同，基本保持在0.6至1.0之间且有小幅波动；从图中四条曲线可以看出，流量系数随着孔径的增大而变小。流量系数反映喷嘴的过流能力（或节流效果）。由试验可知流量系数越大，过流能力越小，或者说是喷嘴对液流的阻尼越大。

4 结论

①不同孔径的喷嘴-中心管系统的流量系数基本在0.6-1.0之间波动。

②流量系数随着喷嘴-中心管系统的孔径增大而变小。

③喷嘴-中心管系统的节流效果随着孔径的增大而减弱。

④计算分析得出的流量系数曲线对喷嘴的设计和流体流量的控制具有一定的指导作用。

参考文献：

[1]张国强.流体力学[M].北京：机械工业出版社，2006.

[2]史帅星.KYZ-B浮选柱发泡器喷嘴流体动力学数值模拟[J].有色金属，2008（5）.

[3]庞生敏，陈沛民.基于CFD的圆柱形喷嘴设计[J].机械制造与研究，2011，40（1）：41-42，89.

作者简介：李丁（1988-），男，在读硕士，湖北利川人，主要研究方向：机械制造及其自动化。