超音速喷管雾化实验研究与雾化模型回归预测分析.pdf

第 卷 第 期 年 月南京理工大学学报 .收稿日期:修回日期:基金项目:中国石油科技创新基金()作者简介:刘承婷()女博士副教授主要研究方向:多相流体力学理论及工程应用:.通讯作者:贺亮()男硕士生主要研究方向:多相流体力学:.引文格式:刘承婷贺亮胡传峰等.超音速喷管雾化实验研究与雾化模型回归预测分析.南京理工大学学报():.投稿网址:/.超音速喷管雾化实验研究与雾化模型回归预测分析刘承婷贺 亮胡传峰王智刚董佩鑫(.东北石油大学 石油工程学院黑龙江 大庆.提高油气采收率教育部重点实验室(东北石油大学)黑龙江 大庆)摘 要:为解决低压低产气井积液问题以及提高排水采气井筒携液效率建立新型超音速喷管模型自行搭建的实验平台探究气相流量、液相流量、液相入口直径对雾化效果的影响对 组实验结果进行相关性分析结果表明气相流量在 /范围内随着气相流量增加雾化效果增强 液相流量在./液相喷孔直径在.范围内随着流量与直径增加雾化效果减弱 并得出对雾化角和雾滴粒径影响因素的强弱为气相流量液相流量液相入口直径 根据实验数据和相关性分析建立多元非线性回归雾化模型雾化模型决定系数 为.通过雾化液滴模型预测得到雾滴预测值与实验值进行误差分析平均误差为.雾化模型良好关键词:排水采气超音速喷管雾化效果相关性分析多元非线性回归中图分类号:.文章编号:():./.(.():南京理工大学学报第 卷第 期 /./.:排水采气中天然气井进入低压低产后期井底压力降低天然气流动速度减小携液效率降低排采质量下降传统的排水采气工艺排采效果差成本高 为提高排采效率引入超音速雾化排采技术它利用天然气的能量将井底积液雾化随天然气一起携带出井筒井筒中积液被雾化气液相混合形成雾状流可以有效减小气液相速度滑移损失提高携液效率超音速雾化排水的质量直接影响排水采气的携液率和质量超音速雾化效果又直接与喷管性能和液滴粒径的大小有关国内外学者对超音速雾化喷管技术广泛研究蒋弢等建立了爆轰欧拉拉格朗日模型喷管模型研究了脉冲对爆轰发动机性能的影响得出了脉冲爆轰有利于两相混合和提高雾化效果 等建立超音速喷管内流场有限元模型在气液相参数相同的情况下改变喷嘴结构结果证明二次加速喷管结构雾化效果较好 张亮基于 模拟了超音速喷管内流场运动形态结果表明超音速喷嘴雾滴扩散角都要大于传统喷嘴雾滴粒径小于传统压力旋流喷嘴雾化特性优于传统喷嘴 等利用数值模拟和实验研究了气体雾化喷嘴的性能 计算流体中利用.的雾化气体压力来初始化进气口压力研究表明流动分离的湍流强度依赖于雾化气体压力 等对飞行器发动机的超音速流场中进行了仿真模拟采用 和 混合模型模拟了马赫数为.时液体的剪切破碎过程对数值模拟和实验结果进行了对比分析评价喷嘴雾化效果的优劣可通过研究雾化性能的关键参数雾滴尺寸 及分布 等建立了液滴粒径分布的实验平均模型研究了喷嘴雾化场中的液滴尺寸分布为直观了解喷嘴雾化场中液滴尺寸分布奠定了基础得到了内部规律为在雾化场中有效控制雾化效果提供了依据和参考 等研制了一种新型气化水煤浆喷嘴并对其雾化性能进行了实验研究详细讨论了喷嘴工作负荷和气体流量对雾化颗粒分布、索特平均直径 和喷嘴雾化角度的影响 等通过流量可视化系统研究了空化流对不同尺寸喷嘴中柴油雾化特性的影响并使用粒子测量系统确定了 和液滴平均速度等雾化特性结果表明喷嘴中产生的空化增强了燃料雾化性能喷嘴孔口长度越长燃料雾化越多 等应用激光粒度系统测试不同喷雾场的雾滴粒径测试发现在喷雾中心的雾滴粒径最小喷雾边缘 增大超音速雾化排水采气工艺技术目前应用取得了一定的进展和效果丰剑在川西气田投放超音速排水采气装置进行技术实验实验表明超音速雾化可提高产量和降低成本 于川等在新场气田开展超音速排水采气试验表明超音速排采产量高于泡沫排采产量 符东宇等在川西坳陷中浅层气藏开展现场超音速雾化实验研究总第 期刘承婷 贺 亮 胡传峰 王智刚 董佩鑫 超音速喷管雾化实验研究与雾化模型回归预测分析 不同雾滴粒径对携液效率的影响结果表明此技术可 实 现 节 流 和 稳 产 的 作 用 倪 杰 等在 井深投放超音速喷嘴雾化装置进行现场实验表明出口流速相比于普通喷嘴有大幅度提升携液效率提高了.目前对超音速雾化排水采气技术研究较少井下超音速雾化技术尚未成熟不同气液相参数和工况参数对雾滴粒径影响的研究较简单且没有建立雾化外流场模型不能直观的表明雾化性能的优劣 本文基于超音速雾化技术进行室内试验研究分析气液相不同工况参数下喷雾流场规律并建立非线性回归喷雾流场模型对科学指导现场实验有一定的意义 实验研究.超音速喷管模型的建立基于拉伐尔管建立超音速雾化喷管对传统拉伐尔管进行改进建立三维模型如图 所示图()为雾化喷管三维空间模型由一个气相入口、个空间对称的液相入口和混合出口组成图 ()是 喷 管 模 型 的 尺 寸 气 相 入 口 直 径.液相入口直径.混合出口直径.总长.图 超音速雾化喷管模型基于 进行仿真计算设置气相入口初始参数 /液相入口参数./混合出口压力为一个大气压计算得到的喷管内部云图如图 所示图()中喷管内部的横向速度最大为./达 到 超 音 速 距 离 气 相 入 口.图()中液流液相入口处的轴向速度为./与音速气流碰撞剪切流动剧烈湍动能急剧增大 当进口压力继续增大时雾化喷管速度进一步增大气液相相互作用有利于提高雾化效果图 超音速喷管内部云图根据超音速雾化喷管模型用 建模然后通过 打印技术制作了多孔对称工作雾化喷管如图 所示图()是工作雾化喷管实物材质选用不锈钢总长度 图()是工作雾化喷管内部横截面.实验系统本文自行搭建雾滴粒径测试系统如图 所示为搭载的该实验平台主要由水动力系统、气动力系统(工作气体为空气)、雾化喷管监测计量系统组成 水动力系统包括水泵减压阀液体流量计气动力系统包含空气压缩机高压气瓶控压阀气体流量计监测计量系统由压力表高速摄影机激光粒度仪和计算机组成其中激光粒度仪使用德国/型激光粒度仪对雾滴粒径进行测量可测量.的动态范围粒度仪与计算机连接通过计算机进行数据处理此激光粒度仪测量液滴统计分析采用索特尔平均粒径 计算公式为南京理工大学学报第 卷第 期图 工作雾化喷管模型 式中:为液滴直径 是 的液滴数量空压机使用 系列空气工业压缩机排气量为./排气压力最大.最大功率.高压气瓶使用 型号用来存储压缩空气且作为气体动力源恒流泵采用 型平流泵作为水动力源图 雾化实验工作平台.实验方案和测量方法实验中使用高速摄像机摄取雾化外流场激光粒度测试仪采集液滴直径雾滴粒径是体现雾化效果的指标 不同工况参数对排采效率的影响较为复杂为了高效与科学的研究雾化效果采用 因素 水平正交实验进行实验研究寻找最优因素水平组合表 为测试因素水平表试验在室内进行室内环境稳定温度 试验操作过程如下()按要求连接好试验设备激光粒度测试仪置于喷管出口处 与计算机相连检查系统的安全和稳定性()打开压力阀开关启动激光粒度测试仪然后先打开空压机等喷管稳定后打开恒流泵()待雾化喷管喷雾稳定后进行雾化液滴数据采集和数据输出的同时用粒度仪进行同步采样同时用高速摄像机摄取喷雾流场待雾化喷管喷雾稳定后进行雾化液滴数据采集和数据输出同时用高速摄像机进行喷雾区摄取用计算机工具对图像进行后处理计算得出雾化角根据雾滴的有效着地点用卷尺测量有效射程()实时记录压力表流量计的变化对压力表和流量计进行监测和记录 图 是工作喷雾测试图蓝色矩形框是喷雾测试区域 轴是中心测试轴线激光粒度仪在 处测试雾滴轴向粒径尺寸大小、用高速摄影机拍摄喷雾区在初始参数下喷雾区域的雾化角为.喷雾气液相均匀混合气液相高速流动为均相流模型气液流动为湍流流动状态雷诺数较大液滴碰撞剪切雾化破碎剧烈形成环雾状流有效减小气液相速度滑脱损失提高携液效率表 测试因素水平表因素 气相流量/()液相流量/()液相入口直径/水平.水平.水平.水平.水平.图 工作喷雾测试图 结果分析与讨论.正交结果分析 因素 水平正交实验结果如表 总第 期刘承婷 贺 亮 胡传峰 王智刚 董佩鑫 超音速喷管雾化实验研究与雾化模型回归预测分析 表 正交实验结果模型 气相流量/()液相流量/()液相入口直径/雾化角/()射程/雾滴粒径/.对正交实验结果进行极差分析研究气液相参数和液相入口直径对雾滴粒径的影响规律如图 图 所示 其中 为极差值即()()反映了因素对于喷管雾化效果的影响能力高低 是 的平均值 为某一因素水平所有指标值的和从图 中可以看出三因素对雾化角影响的主次顺序为气相流量、液相流量、液相入口直径极差最大值.最小值.可以看出雾化角与气相流量、液相流量、液相入口直径的关系雾化角随着气相流量的增加雾化角逐渐增大随着液相流量的增加逐渐减小随着液相入口直径的增加先减小后趋于平稳因为气相流量增加导致气相速度增大气液相剪切碰撞加剧雾滴速度增大高速雾滴在喷嘴出口部位的振荡腔内发生撞击反弹加剧导致雾滴径向速度增大雾化角增大液流在液相入口处形成一堵液膜阻碍气流运动液相流量增加高速气流剪切雾化液流能力减弱雾滴速度减小雾化角减小在.时液相入口直径增加液流量增加雾化作用减弱雾滴速度减小雾化角减小当液相入口直径为.时液相流量进一步加大液流速度增大动量增大腔体内湍动能增大逐渐削弱了雾化作用对雾化角的影响所以雾化角趋于平缓在图 中三因素对有效射程影响的主次顺序为气相流量、液相流量、液相入口直径极差最大值.最小值.可以看出有效射程距离随着气相流量的增大而增大气相流量增大喷雾动能急剧增大射程有效距离增大射程与气相流量呈正相关射程随着液相流量和液相入口直径的增大而减小与液相流量和喷孔直径呈负相关其中对有效射程影响最大的是气相流量.影响最小的是液相入口直径为.南京理工大学学报第 卷第 期图 因素水平与雾化角的极差图 因素水平与有效射程的极差图 中三因素对雾滴粒径影响的主次顺序为气相流量、液相流量、液相入口直径极差最大值.最小值.可以看出气相流量对雾滴粒径的影响最大因为雾化剪切的能量主要来源于喷管加速的气体能量气相流量增加雾滴粒径减小液相流量增加剪切雾化效果减弱雾滴粒径增大液相入口直径增大实质是液相流量增大雾滴粒径也逐渐增大图 因素水平与雾滴粒径的极差实验研究发现雾化角和有效射程与雾滴粒径有一定关系图像处理如图 所示对三者数据进行处理雾化角与雾滴粒径拟合曲线函数为:.实验结果表明雾化角与雾滴粒径呈负相关随着雾化角的增大雾滴粒径逐渐减小 有效射程与雾滴粒径拟合曲线:.与雾滴粒径呈负相关图 雾化角和射程与雾滴粒径关系图.敏感性分析通过皮尔逊相关性原理对实验数据进行定量分析用 对实验数据进行编码处理得到相关系数矩阵图如图 所示图 相关系数矩阵图通过相关系数矩阵图可视化地表明了各参数之间的相关性程度其中气相流量与雾滴平均粒总第 期刘承婷 贺 亮 胡传峰 王智刚 董佩鑫 超音速喷管雾化实验研究与雾化模型回归预测分析 径的相关性最强为.呈负相关雾化角与雾滴平均粒径 呈负相关相关性大小为.有效射程与雾滴平均粒径 也呈负相关相关性大小为.与上文拟合的雾化角和有效射程与雾滴粒径关系相同 数学模型预测天然气井携液效率的重要参数雾滴粒径直接影响排采质量所以建立井下气液相参数与雾滴粒径的关系对排采效率有至关重要的意义 雾滴粒径的影响较为复杂本文通过建立雾化数学模型使雾化规律可视化可以直观的描述雾化效果的影响因素.一元非线性模型确立对雾滴粒径进行模型建立首先分析各个因素与雾滴粒径最优拟合关系用 建立一元非线性回归关系再进行多元非线性人工回归拟合表 是雾滴粒径与气相流量的模型拟合结果拟合结果表明三次函数与指数函数模型拟合效果较好 为.、.皆高于.又因为指数函数的拟合显著性最小.表明指数函数模型优于三次函数的拟合效果故选用指数函数关系拟合雾滴粒径与气相流量的模型表达式同理可得到雾滴粒径与液相流量和液相入口直径的最优模型函数如表 所示表 雾滴粒径与气相流量的模型拟合结果模型模型统计学参数统计检定值自由度 自由度 显著水平常量系数 系数 对数.逆函数.二次.三次.幂函数.指数.表 单因素拟合关系式因素模型基本函数拟合关系式判定系数 气相流量.液相流量.液相入口直径.多元非线性回归分析本文通过.一元非线性拟合确立了雾滴粒径与气相流量、液相流量、液相入口直径多元非线性模型表达式然后再通过人工合成复杂的多元非线性回归方程()式中:为雾滴粒径、分别为气相流量、液相流量、液相入口直径 根据表 正交试验 组实验数据导入 编写相应代码赋初始参数限定约束条件经过 次迭代运算求解得到多元非线性回归拟合方程为.()多元非线性方程()拟合判定系数 为.拟合优度较高表明拟合数学模型较准确.模型验证通过多元非线性表达式计算出模拟井下雾化喷管在不同工况参数下雾滴粒径的预测值为了验证预测值与实际值的误差计算机作图 进行误差分析 预测结果表明预测模型与实验数据趋势相同数值基本吻合预测模型数据平均误差为.误差较小预测模型较准确因此生产井南京理工大学学报第 卷第 期井下雾化喷管雾化模型是有一定意义可指导雾化喷管排水采气雾化工作图 雾滴粒径预测值与实验值比较 结论()通过实验研究发现井下雾化喷管雾化角与气液相参数的影响主次顺序为气相流量液相流量液相入口直径有效射程与气液相参数的影响主次顺序为气相流量液相流量液相入口直径对雾化液滴粒径的影响主次顺序为气相流量液相流量液相入口直径()通过极差分析和相关系数矩阵图得到雾化角随着气相流量的增加而增大随着液相流量的增大而减小随着液相入口直径增大先减小而后趋于平稳有效射程距离随着气相流量的增加而增大随着液相流量和液相入口直径的增大而减小雾滴粒径随着气相流量的增加而减小随着液相流量增大而增大随着液相入口直径增大而增大且增幅较缓 研究发现雾化角与雾滴粒径总体上呈负相关雾滴粒径随着雾化角的增大而减小()通过、建立雾滴粒径的多元非线性回归模型的拟合优度较高模型决定系数为.雾滴粒径预测模型的预测值与实验值基本一致高度吻合预测值总平均误差为.模型建立准确对井下不同雾化喷管工参工作的雾化效果评价有重要的意义参考文献:马鑫王治锦.天然气井排水采气工艺方法研究.化工管理():.():.刘意如周隆超白兴家等.气井井下节流排水采气工艺技术研究.石化技术():.():.王冠群.拉瓦尔超音速雾化喷头的设计及试验.镇江江苏大学农业工程学院.蒋弢翁春生.雾化混合对气液两相脉冲爆轰发动机工作过程的影响.南京理工大学学报():.():.:.张亮赵向锋刘祥龙.超音速喷嘴与传统喷嘴喷雾对比分析.煤():.():.():.():.():.():.总第 期刘承婷 贺 亮 胡传峰 王智刚 董佩鑫 超音速喷管雾化实验研究与雾化模型回归预测分析():.:.丰剑.低压低产气井超音速雾化排水技术应用评价.石化技术():.():.于川胡腾.井超音速雾化排液采气先导试验及评价.石化技术():.():.符东宇王雨生姜超等.超音速雾化排水采气工艺数值模拟与现场应用 以川西坳陷中浅层气藏为例.石油钻采工艺():.:.():.倪杰刘通姚麟昱等.井下超音速雾化排水工艺适应性研究.天然气与石油():.():.