挡板式泡沫发生器内部流场分析
摘 要：泡沫发生器是产生泡沫流体的设备，其发泡的基本原理是将空气引入发泡剂溶液中。应用数值模拟与PIV实验相结合，研究不同挡板角度对泡沫发生器内部气液两相流流动影响规律。该研究为疏松砂岩油藏冲砂洗井作业提供指导，为后续泡沫发生器结构设计提供理论依据。
关 键 词：泡沫流体；数值模拟；PIV实验；多相流
中图分类号：TE 97 文献标识码： A 文章编号：1671-0460（2017）07-1422-04
Analysis on Internal Flow Field of Baffle Foam Generator
LIU Cheng-ting1， YI Rui1， LUAN Bai-chuan2
（1. School of Petroleum Engineering， Northeast Petroleum University， Heilongjiang Daqing 163318，China；
2. Liaohe Oilfield Company Drilling Engineering Department， Liaoning Panjin 124010，China）
Abstract： The foam generator is a device that produces a foam fluid， and the basic principle of its foaming is to introduce air into the foaming agent solution. In this paper， numerical simulation and PIV experiment were used to study the influence of different baffle angles on the flow of gas-liquid two-phase flow in the foam generator. This study can provide guidance for the sand-flushing operation in unconsolidated sandstone reservoirs， and can provide the theoretical basis for the design of foam generator.
Key words： Foam fluid； Numerical simulation； PIV experiment； Multiphase flow
泡沫流体密度低、携带能力强，在油田实际生产中有着广泛的应用。泡沫流体的质量和性能对于提高泡沫应用效果发挥着至关重要的作用。因此对泡沫发生器内部流场进行数值模拟并结合PIV实验得出流场分布情况进而改善泡沫流体应用效果，同时对现场应用也具有很大的指导作用[1]。
本文运用流体力学相关知识，应用SolidWorks软件建立三维立体几何模型，将生成的文件导入ICEM中进行网格划分再导入Fluent软件进行数值模拟。基于Mixture方法、湍流标准模型及Coupled算法采用速度入口压力出口的边界条件通过改变挡板角度进行数值模拟并根据计算结果得出速度分布图和入口流线图。应用PIV技术对挡板式泡沫发生器进行实验研究，分析其内部流场的流动规律，对比数值模拟与实验结果[2]。
1 数值模拟
1.1 挡板式泡沫发生器几何建模
采用SolidWorks软件对挡板式泡沫发生器进行三维建模，如图1所示。模型全长1 000 mm，气液相入口长度65 mm、入口直径为φ20 mm。变径入口段长35 mm，气液混合腔外径为φ100 mm，泡沫液出口段长100 mm。整个模型壁厚5mm。挡板厚度5mm，挡板倾角分别为30°、45°、60°、90°。建模后将生成的文件导入ICEM中进行网格划分。
首先研究泡沫发生器内挡板倾角对泡沫发生器内气液两相流的影响，图2中挡板式泡沫发生器的混合段长度为200 mm，挡板间距115 mm，挡板倾角分别为30°、45°、60°、90°四种结构。
1.2 ICEM网格划分
将构建好的几何模型以parasolid*.x_t格式输出，其可较好地保留模型几何特征，并将输出的几何文件导入ANSYS ICEM 中进行网格划分处理，如图3所示。
网格质量好坏是影响数值模拟計算结果的重要因素，本文挡板式泡沫发生器计算域网格质量要求Min Angle值不小于18，Quality不小于0.4，即为合格的网格。本文模拟中最低网格质量为0.4，网格单元数316 334，网格节点数62 053，网格质量良好。
1.3 FLUENT数值模拟
泡沫发生器的结构直接影响产出泡沫的质量，本文运用数值模拟方法探究挡板倾斜角度对泡沫形成的影响[3]。以挡板倾斜角度为变量，其他结构参数不变，设计4组不同倾角的挡板结构，对不同挡板结构的泡沫发生器进行数值计算[4]。采用速度入口、压力出口的边界条件，气液进口速度均为1 m/s[5]。速度分布云图如图4所示，入口流线分布如图5所示。
气液两相以v=1 m/s的速度进入发生器时，可以看出30°挡板与45°挡板的泡沫发生器入口处流体上浮，60°挡板的泡沫发生器气液水平进入，而90°挡板的泡沫发生器气液两相流经入口后下沉。随着角度增加，依次增加的距离使得他们对于气液的阻挡效果不同。30°挡板的尖部距离入口最大，第一块挡板的阻挡作用最小。90°挡板的泡沫发生器，气液流入后，受到阻碍向下流动，是因为尖部距离入口最小，阻挡作用非常明显。
单独分析每个泡沫发生器可以看出，30°挡板的泡沫发生器产生三次较大的涡流，其中第四块挡板后部的涡流极小；45°挡板的泡沫发生器产生的第一次涡流明显比30°的扰动大，经过第四块挡板后的涡流几乎没有；
a. 挡板倾角30°
b. 挡板倾角45°
c. 挡板倾角60°
60°挡板的泡沫发生器分别在入口、第二块挡板后、第四块挡板后产生三次涡流。90°挡板产生涡流次数最多，扰动程度也比较剧烈。对比分析四个泡沫发生器可以看出，到达第一块挡板处的涡流随挡板角度增加而增加，这说明扰动也随挡板角度增加而增加，这是因为角度越大，挡板尖部与入口距离越小，因此在同样入口速度时会更快的受到扰动。整体来看，90°挡板产生涡流和扰动程度明显大于其他三组泡沫发生器，使得气液混合的更加均匀，效果最好。
2 PIV实验研究
2.1 实验流程
本文应用PIV测试系统进行挡板式泡沫发生器内部流动规律研究，由于激光长度及亮度有限，故取泡沫发生器的一部分作为实验采集段，通过图像采集器采集图像后使用Tecplot后处理软件进行图像处理，总结挡板式泡沫发生器内部流动规律[6]。实验流程如图6所示，工作状态下实验流程如图7所示。螺杆泵将水箱中的发泡剂基液输送至挡板式泡沫发生器入口，水箱至泡沫发生器液体入口段设有浮子流量计[7]。
2.2 实验步骤
（1）清洗管道、水箱，保证管道清洁，不影响实验效果；
（2）向水箱中加入K12发泡剂与清水按比例调配好的基液；
（3）排净管道气体后，按照1：9的比例配制混有示踪粒子的基液加入到水箱中，按照水箱容积计算好所需示踪粒子的质量，配置好后发现流体稍稍浑浊；
（4）疏通管线，打开管路各阀门后以低频率转速起泵，逐渐调整泵速，待挡板式泡沫发生器内气液两相流流动稳定后。泡沫螺杆泵需定期加润滑油保养；
（5）打开激光器、CCD相机以及控制PIV系统的计算机，调整好合适的实验参数；激光器的片光与CCD相机的保持垂直，相机与实验段的垂直距离大于25 cm；
（6）旋转调节激光强度和位置，对准挡板式泡沫发生器管路实验段，最终要保证两束激光交汇在同一面上；
（7）打开CCD镜头盖，调整相机距离、焦距和光圈，使图像能够清晰地显示在计算机上；
（8）打开空气压缩机，从小到大逐渐调节出口压力至实验所需压力值；
（9）开始采集数据，若采集的图像效果不好，可以调整激光、CCD相机等设备重新采集，直至达到满意的效果。采集后，保存好图像及向量文件，在后处理软件Tecplot中查看结果；
（10）调整泵速及空气压缩机出口压力，重复步骤（2）-（9），试验结束后关闭PIV系统、泵等设备。
2.3 实验结果分析
本实验对于挡板式泡沫发生器内部气液两相流动进行拍摄，共拍摄了2 500余幅内部流场图像，选取其中两幅为代表，如图8、图9所示。
由图8、图9可知，示踪粒子在挡板式泡沫发生器内部分布较均匀，但在壁面处反光较强，这主要是因为壁面存在反射使得拍摄效果不十分理想。利用控制变量法对流场进行分析，改变基液流量，调整泵的工作频率，流量范围为：800，850，900，950，1 000，1 050 L/h；得到相应的速度云图、矢量图，如图10所示。
拍摄所选区域是第四块挡板后部，由于气液两相流在第四块挡板后已经经过充分的混合，故此处更具有研究的代表性。气液两相经挡板式泡沫发生器入口一同泵入，经过挡板的碰撞、相互挤压、混合后经出口流出。由图10可以看出，受挡板的阻挡作用，气液两相流呈波浪形轨迹向前流动。当气体入口流量保持不变时，混合相速度随着发泡剂基液流量的增加而逐渐增大，在挡板后部所形成的涡流流动也越来越清晰。从图中可以直观的得到，挡板位置在x=500 mm处，气液两相流翻越挡板之前速度较大，翻越挡板后速度有所下降，且涡流处速度较小。
3 结束语
建立挡板式泡沫发生器结构模型，应用CFD数值模拟方法研究挡板倾斜角度对泡沫发生器内气液两相流流场分布影响。模拟得出：随着挡板角度增大，挡板的扰动作用越强，在挡板后形成的涡流就越大，其消耗气液混合相动能越大，混合相流速降低，气流两相可较早达到平衡状态而阻止因界面张力较高发生气泡破裂，因而挡板倾角越大，泡沫发生器混合腔内的气泡含量越高，发泡效果越好。故挡板倾角90°时，发泡效果最好。沿挡板式泡沫发生器轴向方向，气相含量逐渐降低，且降幅逐渐减小，在挡板式泡沫发生器出口气相含量趋于稳定；随着挡板倾角不断增大，泡沫发生器内气相体积含量逐渐上升，当挡板倾角为90°时，泡沫发生器出口气相体积含量为39.95%，此时发泡效果最好。采用搅拌法来分析实验中所产生的泡沫的稳定性。泡沫的衰减时间随着液相入口流量增大先增大后减小，即泡沫的稳定性随着液相入口流量增加而增加。液相入口流量小的时候产生的泡沫的稳定性不太理想，实验过程中可听到明显的破泡声。当气体入口压力增大时，泡沫的衰减时间减小，即泡沫的稳定性随着入口压力增大而减小。
参考文献：
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