小流量热式气体流量的数值模拟研究

韩 建 黄 颖 牟海维 刘 鹤

(东北石油大学电子科学学院1，黑龙江 大庆 163318；东北石油大学黑龙江省高校共建测试计量技术及仪器仪表研发中心2，黑龙江 大庆 163318)



小流量热式气体流量的数值模拟研究

韩 建1,2黄 颖1,2牟海维1,2刘 鹤1,2

(东北石油大学电子科学学院1，黑龙江 大庆 163318；东北石油大学黑龙江省高校共建测试计量技术及仪器仪表研发中心2，黑龙江 大庆 163318)

为了研究火烧油层采油技术中火烧井空气(助燃剂)的注入状况和监测微小气体流量，提出了一种具有自动温度补偿功能及混合气体组分补偿功能的小流量热式气体质量流量测量方法。为适应井下狭小空间的复杂操作环境，在传统传感器结构的基础上，在管道中加入环形分布器的传感器优化结构。利用FLUENT进行流体仿真，验证该结构的可行性及测量原理数学模型的正确性。传感器优化设计为深入了解各层注入气体量和提高采收率提供了可靠的依据。

石油 热式气体 质量流量计 传感器 环形分布器 火烧井 采油技术采收率 对流换热 温度补偿

0 引言

石油作为国家的重点战略性能源，对于整个国家的发展具有不可忽视的重要意义。随着石油资源需求量的日益增长，合理有效的开采方法显得尤为重要，而火烧油层技术是提高原油采收率的重要方法[1-3]。为了研究火烧油层采油技术中火烧井空气(助燃剂)的注入状况和监测微小气体的流量，提出了一种具有自动温度补偿功能以及混合气体组分补偿功能的小流量的热式气体质量流量测量方法。为了适应井下狭小空间的复杂操作环境，需要设计合适的传感器结构。在传统的结构基础上，提出了一种在管道中加入环形分布器的传感器优化结构设计。利用FLUENT进行流体仿真，验证其可行性及测量原理的数学模型的正确性。

1 测量原理及模型建立

热式气体质量流量计采用流体(气体)和固体(传感器探头)之间的对流换热原理进行流量的测量[4-5]。传感器探头部分由两个金属探头组成，一个是温度探头，另一个是流速探头。

热式气体质量流量计探头结构示意图如图1所示。

图1 热式气体质量流量计探头结构示意图

根据传热学原理，提供给流速探头的电功率等于流动的气体对流换热所带走的热量。根据牛顿冷却公式可知[6-9]：

(1)

式中：h为对流换热系数；A0为探头的表面积，一般情况下，探头为圆柱体，所以A0=πld；l为探头长度；d为探头直径；Ta为探头温度；Tb为气体温度。

hA0可表示为：

(2)

式中：u为管内平均流速；B0、C0为经验常数。

气体的质量流量qm为：

(3)

式中：m为流体质量；ρ为流体的密度；A为管道截面的面积。

综上，建立气体流速u′和质量流量qm的数学模型分别为：

u′

(4)

qm=ρμρA

(5)

由式(4)和式(5)可以看出，若被测气体的物性参数固定，则气体流速u′与温差ΔT(ΔT=Ta-Tb)和加热电流Ia(或电压)呈一定的函数关系。只要已知这两个参数中的一个，就可以确定气体流速u′与另一个参数的函数关系，同时能计算出气体的质量流量。

2 FLUENT数值仿真

2.1 模型的建立和求解

FLUENT可以处理2D和3D模型[10]。本课题的热式气体质量流量计的管道是一个轴对称的圆柱体，所以可以简化为2D模型。利用GAMBIT，建立传感器物理模型。由于火烧井的空间狭小，对传感器的尺寸有一定的要求，因此设计传感器的管道内径为18.3 mm、长为82.4 mm、探头半径为1.1 mm。

采用能量方程和Laminar模型来模拟管道内流场流动过程，采用SIMPLE算法求解。流体介质采用空气，运行环境选择标准大气压101 325 Pa；探头介质选取铂材料。

2.2 探头位置的确定

建立不同的物理模型，在其他条件相同的情况下，改变探头插入流体中的深度，根据计算结果显示速度分布云图。通过对插入深度在1～5 mm之间的大量速度云图进行比较得出，探头会影响气流的流动，探头插入得越深，阻挡气流的情况越严重，会对流量的测量产生更大的影响。在测量过程中，还需要保证探头与流体接触良好。综合考虑仿真和实际模型的尺寸，选取插入深度为1.5 mm。

确定探头插入流体区域的深度之后，建立不同的物理模型。在其他条件相同的情况下，改变两个探头间的间距，根据计算结果显示温度分布云图。通过对间距在13～18 mm之间的温度云图进行比较得出，探头间距越小，加热的流速探头对温度探头的影响越大。综合考虑仿真和实际模型的尺寸，选取探头间距为18 mm。由温度分布云图比较可知，在设计传感器位置时，将补偿探头置于测量探头上游更为合理，测量探头发出的热量不会对补偿探头温度造成影响。

2.3 模型优化

由速度分布云图可知，气流流通不均匀，所以对传感器的结构进行了优化，在管道中加入一个环形分布器，对气流进行整流，使流通更均匀。环形分布器的侧面如图2所示。在此基础上，对管道的物理模型进行优化，得到传感器优化模型。

图2 环形分布器的侧面示意图

通过FLUENT对所建立的两种物理模型进行流体仿真，根据计算结果显示速度分布云图。通过比较两种模型的速度分布云图可知，环形分布器对管道中的流体具有良好的整流效果，可以使气流相对均匀流动；而且，空气流经发热体时，平均流速会增大，连续性方程也可证明这一点。所以，我们采用优化模型的结构进行传感器的设计。

3 仿真结果与数据分析

在入口边界条件中设置不同的流速，根据不同流速计算出雷诺数，再确定需要参加运算的方程。经过仿真计算，可以得到不同流速下热平衡时加热探头壁面平均温度。

仿真试验数据记录如表1所示。

表1 仿真试验数据记录表

由式(4)和式(5)得到了流速(质量流量)与两个探头的温度差的关系，可以看出，流速与温差在恒流情况下成反比。在仿真试验中，温度差可以用加热探头与温度探头表面平均温度的差来反映。根据表1给出的仿真试验数据，用Matlab绘制出流速与温差ΔT的关系曲线，如图3所示。

图3 流速与温差关系图

从图3可以看出，传感器在低流速时有较高的灵敏度和精度。因此，通过仿真试验确定此种方法适用于小流量气体质量流量的测量，并且验证了推导出的质量流量的数学模型。最终确定了传感器的优化模型。

4 结束语

利用FLUENT进行流体仿真，设计适应井下狭小空间的复杂操作环境的传感器结构，在传统的结构基础上，在管道中加入环形分布器对传感器模型进行优化。通过仿真验证其可行性及小流量热式气体质量流量测量原理的数学模型。最终确定了传感器的优化模型，为深入了解各层注入气体量和提高采收率提供了可靠的依据。

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Study on Numerical Simulation of the Small Thermal Gas Mass Flow

In order to study the situation of air (combustion improver) injection and monitoring of small gas flow for wells on fire in In-situ Combustion (ISC) production technology,the measurement method for small thermal gas mass flow with automatic temperature compensation function and mixed gas composition compensation function is proposed.In order to adapt the complex operation environment of the underground narrow space,on the basis of traditional sensor structure,the structure of sensor is optimized by adding annular distributor in pipeline.The fluid simulation is conducted by using FLUENT,which verifies the feasibility of this structure,and the correctness of the mathematical mode of the measurement principle.The optimization design of sensor provides reliable basis for further understanding gas injection of each layer and enhancing oil recovery ratio.

Petroleum Thermal gas Mass flowmeter Sensor Annular distributor Well on fire Oil recovery technique Recovery efficiency Temperature compensation

国家自然科学基金面上资助项目(编号：51574087、51374072)。

韩建(1976—)，男，2004年毕业于哈尔滨工业大学信号与信息处理专业，获硕士学位，教授；主要从事油井信号检测及测井仪器方法的研究。

TH814;TP27

A

10.16086/j.cnki.issn 1000-0380.201611001

修改稿收到日期：2016-05-05。