用于双层管井下水力举升的双喷嘴射流泵冲蚀磨损特性研究

目的研究双喷嘴射流泵在井下水力举升过程中的冲蚀磨损特性,探究影响冲蚀磨损特性的因素及其规律。方法结合固液两相流的冲蚀模型和计算流体力学(CFD)方法对射流泵泵芯在流场中的冲蚀磨损行为进行模拟,预测易发生冲蚀磨损的区域,并通过实验验证,进一步探究颗粒直径、质量流量、动力液流量等参数对泵芯冲蚀特性的影响规律。结果射流泵泵芯的易冲蚀区域为喉管入口内壁面、喉管出口内壁面、扩散管入口附近内壁面等3个位置,通过实验验证了仿真模型的准确性。在控制单因素变量条件下,粒径从0.05 mm增大到1.1 mm时,喉管入口锥面冲蚀位置由闭合圆环状变为三角状,扩散管入口处冲蚀区域面积逐渐减小。质量流量从0.005 kg/s增至0.01 kg/s时,易冲蚀区域最大冲蚀率和冲蚀面积随之增大,喉管入口锥面的最大冲蚀率增大了2倍,喉管-扩散管的最大冲蚀率增大了1.93倍。动力液流量从11 L/s增至15 L/s时,易冲蚀区域的最大冲蚀率随之增大,喉管入口锥面的最大冲蚀率增大了14.2倍,喉管-扩散管的最大冲蚀率增大了1.3倍。结论对最大冲蚀率的数值和增长倍数进行综合分析发现,动力液流量是冲蚀率增长的主要驱动因素,该研究能够为双喷嘴射流泵的设计和应用提供参考。

泥浆射流泵冲蚀磨损特性

为了研究泥浆射流泵的冲蚀磨损特性,基于欧拉-拉格朗日方法对泥浆射流泵内部的固液两相流动开展了数值模拟,重点对泥浆射流泵内部液固两相流的冲蚀磨损规律进行了研究。结果表明:泥浆射流泵喉管进口和喉管中后段是产生冲蚀磨损的主要部位,吸入室和扩散管未产生明显冲蚀磨损。颗粒质量流量从1 kg/s增大到1.8 kg/s时,泥浆射流泵最大冲蚀速率增大了93.7%;泥浆流速从2 m/s增大到5 m/s时,最大冲蚀速率增大了11.48倍;颗粒直径从200μm增大到450μm时,最大冲蚀速率先减小后增大。相较于颗粒质量流量和颗粒直径,泥浆流速对射流泵内表面的冲蚀磨损影响更大,但产生冲蚀磨损的主要部位不会随泥浆流速、颗粒质量流量和颗粒直径发生明显改变。研究成果可为射流泵的设计提供参考。

基于Fluent的多级串联喷嘴液气射流泵的抽气性能研究

为提高液气射流泵的抽气性能,在其主喷嘴后设置了多级串联喷嘴,通过Fluent软件对常规液气射流泵和多级串联喷嘴液气射流泵内气液两相流体运动情况进行了数值模拟,对比分析了相同工况下两种类型液气射流泵的抽气性能、压力场分布、速度场分布和气相体积分数分布。结果表明:在工作流体进口压力(表压)为0.3 MPa、0.35 MPa和0.4 MPa下,多级串联喷嘴液气射流泵的抽气性能较常规液气射流泵分别提高了18.1%、13.4%和20%,多级串联喷嘴结构有利于气液两相流体的混合和动量交换。研究结果对液气射流泵的优化设计和抽气性能提高具有一定的参考意义。

不同密度下水力射流泵动态特性方程建立及应用

水力射流泵具有无运动部件,产量调节范围广,检泵不动管柱,作业时间短且作业成本低等优点,因次,该设备在海上油田前期排液注水井将有广泛的应用前景。然而,当前水力射流泵选型所用的特性方程是建立在动力液密度和产液密度相同的假设条件下推导的。该特性方程对流体密度相近的排液井选择出的射流泵型较合适,而对流体密度差异大的排液井,选出的泵型及工作参数与泵实际运行参数差异较大,影响了泵排液效果。为更准确描述流体密度差异对泵特性影响,进一步提高选泵水平。根据能量方程和动量方程,我们建立了不同密度下水力射流泵动态特性方程,并将该方程应用于选泵中,油井排液效果良好。

巴彦油田深井高凝油藏试油完井一体化技术

针对巴彦油田深井高凝油藏在试油完井施工中存在工艺复杂、施工周期长、储层二次伤害严重、施工成本高等问题,通过分析现有的高温高压深井试油完井一体化技术特点及存在不足,结合临河油区油藏地质特征和原油物性特点,设计了3套试油完井一体化管柱,制定了相应的工艺流程,并对每种一体化工艺的特点及适用条件进行了分析。上述3种试油完井一体化技术已在现场成功试验14口井,其中压裂-射流泵排液一体化技术现场试验9口井,缩短施工周期2~3 d,有效提高了压裂后排液求产效率,降低了储层二次污染;完井投产一体化技术现场试验5口井,提高了自喷井和机抽井完井投产效率,缩短了单井完井周期,减少了储层污染,降低了作业成本。深井高凝油藏试油完井一体化技术的成功应用为巴彦油田勘探开发一体化进程高效推进提供了有力的技术保障,对国内同类型油藏试油完井技术研究具有指导借鉴意义。

脉冲频率对液体喷射泵性能影响的试验研究

对脉冲液体喷射泵的性能进行了系统的试验,以探讨脉冲频率及喷咀出口面积与喉管出口面积之比对液体喷射泵性能参数的影响。试验结果表明,在一定流量比下,脉冲射流能提高喷射泵的压力比和效率,脉冲射流频率在一定范围内变化可以提高喷射泵的性能,而且频率越大、面积比越小,性能提高得越多;脉冲射流时间比和关阀时间对脉冲液体喷射泵性能也有一定影响,电磁阀的开启与关闭时间应有一个合适的范围。

脉冲液体射流泵装置效率的理论研究

对影响气液活塞式脉冲液体射流泵装置效率的主要因素进行分析 ,导出了脉冲液体射流泵装置效率理论方程及其理论方程的时均解。结果表明 ,在相同的液体射流泵装置上 ,采用脉冲射流比恒定射流的传能及传质效率有较大的提高。

液气射流泵内部流场的数值计算

通过闪频仪观测,泵内部流动可分为分层流、液滴流和泡状流.为了简化模拟和计算,将计算区域分为部分喉管和扩散管两块.对液气射流泵喉管内部射流流动,建立抛物型流动方程组,采用控制容积法将方程组离散,并用TDMA法求解;对扩散管内部泡状流,采用双流体模型建立液气两相流方程组,混合有限分析法离散,压力耦合半隐式方法(SIMPLE)求解.数值模拟获得液气射流泵内部流速分布.计算预测的射流碎裂位置与试验观测结果一致;壁面压力分布计算值与试验值吻合较好,趋势相近.计算结果能够较好地反映液气射流泵外部水力性能,为液气射流泵的优化设计与运行提供参考.

脉冲液体射流泵性能的理论分析及数值计算

推导了以往复泵为脉冲发生装置的脉冲液体射流泵准二维性能方程及其时均性能方程,导出无因次惯性水头及惯性力项便于计算的表达式,并对脉冲液体射流泵时均性能进行了数值计算,计算结果与试验数据基本吻合,将数值计算的模拟曲线与恒定液体射流泵性能曲线进行对照,证明了采用脉冲射流作为工作动力能够大幅提高射流泵的效率。

小型气液射流泵内部流场数值模拟及优化选择

为深入研究采用空气作为工作流体的气液射流泵性能和特征,设计了不同结构的气液射流泵试验模型.应用VOF方法,结合k-ε湍流模型,根据试验所得数据确定边界条件,对相同工作气体压力和不同参数下的气液射流泵内部流动进行了数值模拟.模拟结果表明,带有扩张式喷嘴的气液射流泵流体的速度和静压分布情况比非扩张式喷嘴的气液射流泵的好;喉嘴距为5mm气液射流泵的速度分布情况较佳;混合室直径为6 mm的气液射流泵的速度分布情况较好.带有扩张式喷嘴喉嘴距为5 mm及混合室直径为6 mm的气液射流泵有较好的速度分布.

脉冲液体射流泵时均值基本方程中的流速系数

运用非恒定的动量方程和时均值计算方法,对脉冲液体射流泵时均值基本方程中的流速系数进行了理论研究,推导出了喉管和喉管进口段流速系数φ2和φ5的计算式。通过与恒定射流的流速系数计算式对比,阐明了脉冲频率是影响φ2和φ5的主要因素,沟通了脉冲射流与恒定射流流速系数之间的关系。

气动式脉冲液体射流泵性能实验研究

实验研究了喷嘴直径为5 mm,扩散管直径分别为5、7 mm,提升高度为6.7 m的气动式脉冲液体射流泵的性能。结果表明:料桶内的液面高度对气动式脉冲液体射流泵的效率、扬程、输送量影响甚微,而随着操作压力的增加,脉冲液体射流泵的效率、扬程、输送量也增大。证明了在本实验条件下,最佳喷嘴间距与喷嘴直径之比为0.8～2.0范围内,并讨论了不同喷嘴间距所对应的最低操作压力条件。

气-液喷射器工作参数的数值模拟

建立了气-液喷射器工作过程的一维稳态模型。运用数值计算方法对模型进行求解,采用Nabil Beithou等中的定解条件,计算了水为工质时的气-液喷射器内轴向压力分布。计算结果表明,本模型得到的气-液喷射器轴向压力分布与相同条件下Cattadori的实验值吻合较好；以实验结果为基准,本模型蒸汽喷嘴数值模拟结果比Nabil Beithou等的结果大为改善。对太阳能双喷射式制冷系统中的气-液喷射器进行了模拟,得到轴向压力分布和速度分布,结果表明,喷射系数随工作压力的升高而降低。

脉冲液体射流泵时均基本性能方程的数值研究

根据脉冲液体的动量方程和能量方程,推导出了脉冲液体射流泵时均基本性能方程及其有关系数的数学表达式,对脉冲液体射流泵的时均基本性能、动量修正系数和喉管进口函数进行了数值计算,并进行了相应的试验研究。将计算结果与试验结果对比,两者基本吻合。

附壁振荡射流元件频率范围的试验

对比了流量计射流元件、涡腔自激振荡射流元件和附壁振荡射流元件的结构和工作原理,其中附壁振荡射流元件具有振荡频率可调节的特点,为了将该元件应用到液气射流泵内,以振荡射流这种新的形式进行工作,对该射流元件产生的振荡射流频率范围进行了分析,由测量元件壁面压力脉动的方法获得附壁振荡频率.结果表明:射流元件在结构尺寸固定,工作压力一定时,信号水流量和信号水导管长度存在合适的范围使元件正常工作,当超出该范围时,射流元件的主射流散乱;当工作压力范围为200～450 kPa,信号水导管长度范围为300～1 000 mm,信号水流量范围为160～425 g.min-1时,获得的附壁振荡频率范围为0.8～2.7 Hz;提高附壁振荡频率方法之一是减小元件的结构尺寸.

脉冲液-气射流泵基本性能试验

在相同的液-气射流泵实验装置上,采用脉冲和恒定工作液体射流,对液气射流泵的基本性能进行了试验研究。结果表明,对于恒定液-气射流泵存在一种最优工作压力,而脉冲液-气射流泵在同一脉冲频率、不同工作压力下的性能曲线基本重合;采用脉冲工作射流可以产生水锤效应,正是这种水锤效应,使得脉冲液-气射流泵在低于试验系统提供的极限压力0.1～0.15 MPa的工作压力范围内,液-气射流泵的工作效率可以提高4%～15%。

液气射流泵喉嘴距数值模拟及其最优范围确定

基于Fluent软件在不同流量比及不同喉嘴距下对液气射流泵进行了三维数值模拟,获得了液气射流泵的压力比和效率的仿真结果,并对不同工况下液气射流泵的性能曲线和效率曲线进行分析比较。结果表明:当喉嘴距不变时,随着流量比的增加,压力比逐渐减小;当流量比不变时,随着喉嘴距的增加,液气射流泵的效率先增加然后迅速减小,当喉嘴距为1.5倍喷嘴直径时,液气射流泵的效率最高;以效率最高点下降5%为标准,确定了液气射流泵最优喉嘴距范围为1.0～1.7倍喷嘴直径。

液气射流泵扩散管内部流动试验研究

采用压力传感器对扩散管壁面压力进行了测量,获得不同工作水压力和不同气液体积流量比时的扩散管增压情况.结果表明：在给定试验尺寸的有机玻璃制作的液气射流泵扩散管中,壁面压力上升的增量范围为2~5 kPa,且存在压力下降然后再上升的现象,因此,对于垂直安装的液气射流泵,需要考虑其尺寸高度产生的静压对扩散管内部流动的影响;扩散管内部流动对液气射流泵的射流混合性能影响较大,其中液气两相混合在喉管内的初始断面位置的变化对扩散管角度的设计有较大影响.采用PIV装置对扩散管内部液相流速分布进行了试验测量,获得2种气液比情况下扩散管轴线速度和断面速度分布,结果表明：轴线速度衰减约20%;扩散管的断面速度分布不均匀,在气液比较小时,出现流动偏向一侧的情况.该扩散管内部流动的研究结果可为液气射流泵应用于曝气、气体吸收等领域提供一定的理论基础.

脉冲液体射流泵性能的研究

为获得脉冲液体射流泵性能方程中各参数对其性能的影响规律,用数值计算的方法对脉冲液体射流泵的基本性能方程进行了系统的研究,得出了脉冲射流主要是提高射流泵的卷吸率的结论。定量分析了喉管流速系数和喉管进口段的流速系数等参数的变化规律及其对性能的影响程度,进一步探明了其内部流动规律,对设计性能优良的射流泵具有理论指导意义。

液气射流泵扩散管内气泡尺寸的试验研究

在工作水压力小于500kPa的低压水射流情况下,通过取样法和摄像法试验研究了下喷式液气射流泵扩散管内部气泡直径范围,获得内部气液两相流动情况及气泡分布特性。在一定的孔口雷诺数下,不同气液比下扩散管中气泡直径范围约80%集中在0.6～1.3mm。测量不同孔口雷诺数下的气泡直径,在孔口雷诺数较小的情况下气泡直径变化明显,最大直径可以达到3mm左右。由试验结果可以看出,气液比的变化相对于工作压力的改变对气泡尺寸影响比较明显。液气射流泵作为气液接触、射流混合及反应的设备,用于气体的吸收和分离操作。其含气率和气泡分布以及相接触面积是内部射流混合的重要参数。研究结论和结果有利于进一步提高气液两相混合效果。