旋转空化喷嘴结构优化设计及涡旋特性分析

旋转空化喷嘴结构优化设计及涡旋特性分析 Optimization design and vortex characteristics analysis of swirling cavitating nozzle 1 first-author 2 3 corresp 张逸群，博士，教授，从事高压射流完井增产理论与技术研究；E-mail：zhangyq@cup.edu.cn 张逸群，博士，教授，从事高压射流完井增产理论与技术研究；E-mail：zhangyq@cup.edu.cn zhangyq@cup.edu.cn 2 1 3 中国石油大学(北京) 石油工程学院，北京，102249 中国石油大学(北京) 石油工程学院，北京，102249 College of Petroleum Engineering, China University of Petroleum-Beijing, Beijing 102249, China College of Petroleum Engineering, China University of Petroleum-Beijing, Beijing 102249, China 中国石油大学(北京) 安全与海洋工程学院，北京，102249 中国石油大学(北京) 安全与海洋工程学院，北京，102249 College of Safety and Ocean Engineering, China University of Petroleum-Beijing, Beijing 102249 China College of Safety and Ocean Engineering, China University of Petroleum-Beijing, Beijing 102249 China 中国石油大学(北京) 天然气水合物国家重点实验室，北京，102249 中国石油大学(北京) 天然气水合物国家重点实验室，北京，102249 State Key Laboratory of Natural Gas Hydrate, China University of Petroleum-Beijing, Beijing 102249, China State Key Laboratory of Natural Gas Hydrate, China University of Petroleum-Beijing, Beijing 102249, China 伍锦花 为提升高压水射流破碎开采天然气水合物的效率，优化设计一种旋转空化射流喷嘴。利用计算流体力学方法探究不同叶轮数、叶轮加旋角度、入口速度和出口围压对旋转空化射流特性的影响规律，对比分析旋转空化射流和收缩-扩张型空化射流的流场分布规律、涡旋特性及天然气水合物沉积物的破碎特征。研究结果表明：叶轮加旋角度对旋转空化射流的影响明显比叶轮数的影响大，叶轮数及叶轮加旋角度的优化值分别为3个和360°；在喷嘴结构固定的情况下，提高入口速度能获得空蚀及射流冲蚀能力更强的旋转空化射流，而围压升高则会弱化流场中空化云的初生与发展；旋转空化射流因兼具正向冲击、径向张力及周向剪力和“梭形”空化云特点，较收缩-扩张型空化射流有更优的破岩效果；叶轮旋转效应所产生的中心涡使得旋转空化射流的涡结构更加复杂，流场中更易形成“负压”区以提升射流的空蚀能力。 In order to improve the efficiency of waterjet breaking and extracting natural gas hydrate(NGH), a swirling cavitating jet nozzle was designed. The effects of number and angle of impellers, inlet velocity and outlet confining pressure on the characteristics of swirling cavitating jet were investigated based on computational fluid dynamics(CFD). The flow field and vortex characteristics of swirling cavitating jet and convergent-divergent cavitating jet were compared and analyzed. The results show that the influence of impeller angle on swirling cavitating jet is stronger than that of the number of impellers, and the optimization values of the number and angle of impellers are 3 and 360°, respectively. Under the condition of constant nozzle structure parameters, the swirling cavitating jet with stronger cavitation and jet erosion ability can be obtained by increasing the inlet velocity, while the increase of confining pressure will weaken the initiation and development of cavitation cloud in the flow field. With the characteristics of forward impact, radial tension, circumferential shear and "shuttle" cavitation cloud, the swirling cavitating jet has better rock breaking effect than the convergent-divergent cavitating jet. The cooperation of central vortex developed by impeller swirling effect makes the vortex structure of swirling cavitating jet more abundant, and the "negative pressure" area is easier to form in the flow field to improve the cavitation erosion capacity of the jet. 旋转空化射流 天然气水合物 射流冲蚀 分离涡模拟 涡旋 数值模拟 swirling cavitating jet gas hydrate jet erosion detached eddy simulation vortex numerical simulation 天然气水合物是由天然气和水分子在高压低温条件下生成的似冰状结晶化合物，具有能量密度高、储量丰富、环保无污染等特点 [ 1 1 - 3 3 1-3 ] 。据估算，天然气水合物碳储量相当于目前已探明常规化石燃料的2倍以上，因此，被认为是重要的替代能源 [ 4 4 ] 。2017年5月，我国在南海神狐海域成功进行了首次天然气水合物试采，取得重大突破；同年，天然气水合物被列为中国第173个矿种 [ 5 5 ] 。2020年，我国在南海神狐海域采用水平井技术开展了天然气水合物的二轮试采，创造了产气总量为86.14万m 3 、日均产气量为2.87万m 3 两项世界纪录 [ 6 6 ] 。针对天然气水合物的开采方法一般包括降压法、注热法、抑制剂注入法及CO 2 置换法 [ 7 7 - 9 9 7-9 ] ，而常规方法在开采过程中极易导致出砂、井壁失稳垮塌等钻井事故 [ 10 10 ] ，水合物产业化开采依然面临着技术和经济的双重挑战。因此，针对我国此类非成岩天然气水合物资源开采中存在的问题，周守为等 [ 11 11 - 12 12 11-12 ] 提出了固态流化法并将其应用于南海神狐海域天然气水合物的试采工程中，验证了水射流切割、破碎水合物技术的可行性；李根生等 [ 13 13 ] 提出了利用空化射流钻径向水平井+筛管完井一体化方法开采天然气水合物的新思路，即利用小尺寸自进式空化喷嘴在水合物储层的某一层位或多个层位钻出更大孔径的径向水平井眼，增大后期开采过程中的水合物分解阵面和扩展储层径向通道，同时，结合降压注热等开采方式，有望解决试采中单井产量过低的问题。 由于现场试采成本高、周期长，室内实验和数值模拟已成为水合物射流冲蚀研究的主要手段 [ 14 14 ] 。王国荣等 [ 15 15 - 16 16 15-16 ] 开展了射流破碎水合物工艺及配套喷嘴工具的研发工作，确定了水合物射流破碎的临界速度，优选出固态流化开采水合物的破碎参数。潘栋彬等 [ 17 17 ] 采用LS-dyna有限元程序研究了淹没状态环境下不同射流速度对水合物沉积物破碎效果的影响规律。杨林 [ 18 18 ] 基于数值模拟和室内实验等方法，分析了不同喷嘴结构、水力参数及水合物物性等对射流破碎水合物沉积物过程的影响规律。空化射流破岩是提升水合物射流破碎效率的重要手段之一。李根生等 [ 19 19 - 20 20 19-20 ] 设计了风琴管和亥姆霍兹两种自振空化喷嘴结构，对比分析了相同泵压条件下自激振荡空化射流与普通锥形喷嘴射流的冲蚀能力，提升了现场钻井破岩速度。彭可文 [ 21 21 ] 优化了一种收缩-扩张型空化喷嘴，并基于数值模拟及室内实验等方法确定了空化冲击压力及分布模式。然而，目前如何在水合物储层射流破碎过程中形成大孔径井眼、提高单喷嘴射流破碎水合物效率依然是主要问题之一。 基于此，本文作者设计一种旋转空化射流喷嘴；基于计算流体力学方法探究叶轮数、叶轮加旋角度、入口速度及出口围压对旋转空化射流特性的影响规律，并对加旋叶轮的结构参数进行优化；在此基础上，对比分析旋转空化射流和收缩-扩张型空化射流的流场分布规律、涡旋特性及天然气水合物沉积物破碎特征，以期为空化射流钻径向水平井+筛管完井一体化方法提供理论依据。 1 射流流场模型的建立 1 1.1 　几何模型与网格划分 2 收缩-扩张型空化喷嘴(CDCN)具有较强的空化发生能力，其基本结构可分为收缩段、喉道段及扩张段，如 图1 图1 (a)所示。 图1 图1 (b)所示为旋转叶轮，定义加旋角度 θ 为叶轮沿轴线旋转的角度。通过将旋转叶轮结构置入收缩-扩张型空化喷嘴入口处，设计得到旋转空化喷嘴(SCN)结构，如 图1 图1 (c)所示。其基本工作原理为：流体通过旋转叶轮结构进行加旋，结合喷嘴收缩段的增压作用，在出口扩张段形成中心轴向速度高、周围切向速度大、空蚀能力强的旋转空化射流。 表1 表1 所示为不同空化喷嘴几何参数( d 为喷嘴喉道直径)，其中收缩-扩张型结构采用文献[ 21 21 ]中的优化结果。 (a) 收缩-扩张型空化喷嘴；(b) 旋转叶轮结构(图示叶轮数为3个)；(c) 旋转空化喷嘴 注： “—”代表喷嘴不包含该结构。 喷嘴类型 收缩角 β /(º) 扩张角 α /(º) 喉道直径 喉道长度 l 1 扩张段长度 l 2 叶轮直径 D 叶轮长度 L 叶轮厚度 T 加旋角度 θ /(º) 中心圆柱直径 D c 收缩-扩张型空化喷嘴 13.5 20 d 1 d 4 d — — — — — 旋转空化喷嘴 13.5 20 d 1 d 4 d 2 d 5 d 0.1 d 变量 0.2 d 图2 图2 所示为收缩-扩张型空化喷嘴及旋转空化喷嘴网格划分模型。由 图2 图2 可见：2种模型均包含喷嘴域和外流场2个部分，外流场设置为直径为60 d 、长为80 d 的大空间长圆柱体，以保证射流流场的充分发展，避免流场边界对射流特性的影响。采用结构化的六面体网格进行划分，对于涡旋特性的计算，考虑到射流剪切层中的涡结构特征较复杂，对喷嘴唇线两侧沿径向进行局部加密，以更好地捕捉剪切层内的涡结构特征。 1.2 　控制方程 2 在本文数值模拟研究中，流体流动过程遵循连续性方程和动量守恒方程。射流流动过程中热量交换较少，故不考虑射流与外流场间的传热。 连续性方程表达式如下： <math display="block" id="M1"><mfrac><mrow><mo>∂</mo><mi>ρ</mi></mrow><mrow><mo>∂</mo><mi>t</mi></mrow></mfrac><mo>+</mo><mo>∇</mo><mo>⋅</mo><mo stretchy="false">(</mo><mi>ρ</mi><mi mathvariant="bold-italic">u</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mn mathvariant="normal">0</mn></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=43681425&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=43681423&type= 24.12999916 7.28133297 式中： <math id="M2"><mi>ρ</mi></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=43681412&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=43681409&type= 2.03200006 3.38666677 为密度； <math id="M3"><mi>t</mi></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=43681416&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=43681413&type= 1.10066664 2.62466669 为时间； <math id="M4"><mi mathvariant="bold-italic">u</mi></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=43681421&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=43681418&type= 2.11666679 2.62466669 为速度矢量； <math id="M5"><mo>∇</mo></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=43681440&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=43681438&type= 2.70933342 2.62466669 为哈密顿算子。 动量守恒方程表达式如下： <math display="block" id="M6"><mfrac><mrow><mo>∂</mo><mo stretchy="false">(</mo><mi>ρ</mi><mi mathvariant="bold-italic">u</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mrow><mo>∂</mo><mi>t</mi></mrow></mfrac><mo>+</mo><mo>∇</mo><mo>⋅</mo><mo stretchy="false">(</mo><mi>ρ</mi><mi mathvariant="bold-italic">u</mi><mi mathvariant="bold-italic">u</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mo>-</mo><mo>∇</mo><mi>p</mi><mo>+</mo><mo>∇</mo><mo>⋅</mo><mfenced open="[" close="]" separators="|"><mrow><mi>μ</mi><mo stretchy="false">(</mo><mo>∇</mo><mi mathvariant="bold-italic">u</mi><mo>+</mo><mo>∇</mo><msup><mrow><mi mathvariant="bold-italic">u</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">T</mi></mrow></msup><mo stretchy="false">)</mo></mrow></mfenced><mo>+</mo><mi>ρ</mi><mi 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为重力加速度矢量； <math id="M10"><mi mathvariant="bold-italic">F</mi></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=43681453&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=43681449&type= 2.70933342 2.62466669 为外部体积力。 本文对空化射流特性进行研究，需要采用适合的湍流模型、多相流模型与空化模型。 研究表明，RNG <math id="M11"><mi>k</mi><mo>-</mo><mi>ε</mi></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=43681455&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=43681451&type= 6.43466663 2.62466669 湍流模型最适合用于研究数值模拟空化射流流场 [ 22 22 ] ，其输运方程如下。 湍动能 <math id="M12"><mi>k</mi></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=43681457&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=43681468&type= 1.86266661 2.62466669 方程： <math display="block" id="M13"><mfrac><mrow><mo>∂</mo><mo stretchy="false">(</mo><mi>ρ</mi><mi>k</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mrow><mo>∂</mo><mi>t</mi></mrow></mfrac><mo>+</mo><mfrac><mrow><mo>∂</mo><mo stretchy="false">(</mo><mi>ρ</mi><mi>k</mi><msub><mrow><mi>u</mi></mrow><mrow><mi>i</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mrow><mo>∂</mo><msub><mrow><mi>x</mi></mrow><mrow><mi>i</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><mo>∂</mo></mrow><mrow><mo>∂</mo><msub><mrow><mi>x</mi></mrow><mrow><mi>j</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mfenced open="[" close="]" separators="|"><mrow><msub><mrow><mi>α</mi></mrow><mrow><mi>k</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>μ</mi><mo>+</mo><msub><mrow><mi>μ</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">t</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo><mfrac><mrow><mo>∂</mo><mi>k</mi></mrow><mrow><mo>∂</mo><msub><mrow><mi>x</mi></mrow><mrow><mi>j</mi></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow></mfenced><mo>+</mo><msub><mrow><mi>G</mi></mrow><mrow><mi>k</mi></mrow></msub><mo>+</mo><mi>ρ</mi><mi>ε</mi></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=43681473&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=43681471&type= 73.57534027 10.32933331 耗散率 <math id="M14"><mi>ε</mi></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=43681477&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=43681475&type= 1.52400005 2.62466669 方程： <math display="block" id="M15"><mfrac><mrow><mo>∂</mo><mo stretchy="false">(</mo><mi>ρ</mi><mi>ε</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mrow><mo>∂</mo><mi>t</mi></mrow></mfrac><mo>+</mo><mfrac><mrow><mo>∂</mo><mo stretchy="false">(</mo><mi>ρ</mi><mi>ε</mi><msub><mrow><mi>u</mi></mrow><mrow><mi>i</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mrow><mo>∂</mo><msub><mrow><mi>x</mi></mrow><mrow><mi>i</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><mo>∂</mo></mrow><mrow><mo>∂</mo><msub><mrow><mi>x</mi></mrow><mrow><mi>j</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mfenced 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id="M19"><msub><mrow><mi>μ</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">t</mi></mrow></msub></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=43681503&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=43681488&type= 2.87866688 4.48733330 为湍动黏度； E ij 为时均应变率； <math id="M20"><msub><mrow><mi>C</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">1</mn><mi>ε</mi></mrow></msub></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=43681508&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=43681505&type= 4.65666676 3.72533321 、 <math id="M21"><msub><mrow><mi>C</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">2</mn><mi>ε</mi></mrow></msub></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=43681494&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=43681491&type= 4.65666676 3.72533321 、 <math id="M22"><msub><mrow><mi>C</mi></mrow><mrow><mi>μ</mi></mrow></msub></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=43681512&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=43681497&type= 3.80999994 3.72533321 、 <math id="M23"><msub><mrow><mi>α</mi></mrow><mrow><mi>k</mi></mrow></msub></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=43681516&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=43681528&type= 3.13266683 3.72533321 、 <math id="M24"><msub><mrow><mi>α</mi></mrow><mrow><mi>ε</mi></mrow></msub></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=43681532&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=43681518&type= 3.04800010 3.72533321 、 <math id="M25"><msub><mrow><mi>η</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">0</mn></mrow></msub></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=43681523&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=43681521&type= 3.13266683 4.48733330 及 <math id="M26"><mi>β</mi></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=43681538&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=43681524&type= 2.11666679 3.38666677 为经验系数，取值分别为1.420 0、1.680 0、0.084 5、1.390 0、1.390 0、4.377 0和0.012 0。 本文所研究的空化射流是各相混合掺杂的复杂系统，存在较大速度边界。相比于其他多相流模型，Mixture模型则针对整个混合流场系统，且具有准确性和计算效率高等优点，符合本文对空化特性的计算要求 [ 23 23 ] ，因此，本文在多相流的计算中选择Mixture模型。 对于空化效应的数值模拟，Schnerr and Sauer模型对所有的湍流方程均具有较好的适用性 [ 24 24 ] ，在压力系数计算方面更有优势，且计算更稳定，易于收敛 [ 25 25 ] ，相比于其他空化模型更适合模拟孔内空化流动 [ 26 26 ] ，符合本文对空化特性的计算要求，因此，本文在空化效应的计算中选择Schnerr and Sauer模型。 此外，对于涡旋特性的计算，本文采用分离涡模拟(DES)方法，基于DDES改进的IDDES(improved delayed detached eddy simulation)模型配合SST k - ω 湍流模型进行计算，该模型兼有大涡模拟计算精度高和雷诺时均湍流模型计算量低的优点 [ 27 27 ] ，对本研究所涉及的高雷诺数湍流问题具有更好的适用性。 1.3 　数值模拟方案 2 本文数值模拟过程主要分为两个阶段：一是选取不同的叶轮数、叶轮加旋角度、入口速度及出口围压等关键参数，研究不同叶轮结构参数和工况参数对旋转空化射流特性的影响；二是基于优化之后的叶轮结构，对比分析旋转空化喷嘴和收缩-扩张型空化喷嘴的流场特征及涡旋特性。第一阶段数值模拟的研究参数设置如 表2 表2 所示。 叶轮数/个 叶轮加旋角度/(°) 入口速度/(m·s -1 ) 出口围压/MPa 2，3， 4，5 360 30 0.1 3 90，180，270，360，450，540 30 0.1 3 360 25，30，35，40 0.1 3 360 30 0.1，1.0，2.0，3.0，4.0，5.0 2 求解方法与无关性验证 1 2.1 　求解方法设置 2 喷嘴入口为速度入口，为获得充分发展的湍流边界条件以保证数值模拟的准确性，针对直径为2 d ，长度为40 d 的圆管流进行预模拟计算。待管流预模拟计算结束，从圆管出口提取时均速度剖面和湍流分量剖面作为射流的入口边界条件，分布情况如 图3 图3 所示。 图3 图3 中， r 为距中心点的距离； r / d 为径向无因次长度，负值表示反方向。模型出口为压力出口，其他壁面设置为无滑移壁面条件。 基于ANSYS FLUENT 19.0求解器，采用SIMPLEC算法和有限体积法对方程进行离散，连续性方程的压力插值采用PRESTO!格式，其余项选用二阶迎风格式离散。参考压力为0.1 MPa，水的饱和蒸气压设置为3 540 Pa，黏度设置为0.001 kg/(m·s)，重力加速度设置为9.81 m/s 2 。针对流场中的涡旋特性，在进行瞬态计算时，收敛精度设置为10 -8 ，计算步长设置为10 -6 s，每一时间步内迭代100次，以提升计算精度、增强收敛性。 2.2 　网格无关性验证 2 在计算流体力学的求解过程中，网格尺度造成的误差会对迭代计算的收敛性、精度及效率产生显著影响 [ 28 28 ] 。通常来说，网格尺寸越小，迭代越容易收敛，且模拟结果越精确，但所消耗的计算机资源和时间也越大。为分析本次模拟的网格敏感性，通过调整划分网格密度，设计网格数分别为476 271、504 501、533 271和563 139个的不同网格，采用相同的边界条件进行计算，选择计算域轴心线气相体积分数、速度及压力作为比较对象，结果如 图4 图4 所示。 图4 图4 中， z 为距喷嘴入口的距离， z / d 为轴向无因次长度。 (a) 气相体积分数；(b) 速度；(c) 压力 从 图4 图4 可以看出：这4套不同网格模拟结果中的轴心线气相体积分数、速度及压力总体分布趋势一致，但在曲线极值附近存在微小差异。综合考虑数值的稳定性、迭代的收敛性及计算效率，最终选用网格数为533 271个的网格作为本次计算的网格模型。此外，计算域网格数对涡旋特性的模拟同样具有显著的影响，通过分析分离涡模拟的网格敏感性，最终确定网格数为638 039 1个。 3 不同参数下射流特性影响规律 1 3.1 　叶轮数的影响 2 为了探究不同叶轮数对旋转空化射流特性的影响，将叶轮加旋角设为定值360°，叶轮数分别取2、3、4和5个进行计算。在此组模拟中，模型入口速度为30 m/s，出口围压为0.1 MPa。 图5 图5 (a)所示为不同叶轮数下流场气相分布云图。从 图5 图5 (a)可以看出：不同叶轮数下喷嘴在流场中的气相分布整体规律类似，且空化初生位置和分布范围具有一致性，空化云形状呈明显“梭形”。喷嘴轴心线气相体积分数如 图5 图5 (b)所示。由 图5 图5 (b)可见：不同叶轮数喷嘴轴心线气相体积分数轴向发展趋势一致，在扩散段开始先升高后下降，直至为0；气相体积分数的极值及分布范围随着叶轮数的增加而增加，但增幅较小。空化是流场局部压力低于当前温度下液体饱和蒸气压而使液体气化产生空泡的过程 [ 29 29 ] ，经分析认为，叶轮数为5个的喷嘴流场中产生了更大极值和更大分布范围的“负压”。喷嘴轴心线压力分布如 图6 图6 所示。由 图6 图6 可见：不同叶轮数喷嘴在流场中的压力分布均呈现出先减小后增大的趋势，且在局部产生“负压”；随着叶轮数的增多，流场中“负压”的分布范围扩大，负压极值增至-8.5 MPa，这与 图5 图5 中叶轮数增多使得气相分布范围及体积分数增大的现象相符。 (a) 气相分布云图；(b) 轴心线气相体积分数 图7 图7 所示为不同叶轮数下流体速度分布曲线。从 图7 图7 可以看出：不同叶轮数的喷嘴在流场中的轴心线速度、径向和切向速度整体变化规律类似，且分布趋势具有一致性；随着叶轮数增加，轴心线速度先增加后减小，在3个和4个叶轮时轴心线速度均达到较高水平；径向速度在叶轮数为2个时最大，而切向速度在叶轮数为3个时最大。经分析认为，叶轮数增加能使流道内叶轮的接触面积增大，对来流流体的导向作用和加旋效果更明显，但同时增大了流体的能量损失。综合考虑喷嘴的空蚀能力与射流冲蚀能力，选取3个叶轮作为优化结果。 (a) 轴心线速度；(b) 径向速度；(c) 切向速度 3.2 　叶轮加旋角度的影响 2 为了探究不同叶轮加旋角度对旋转空化射流特性的影响，将叶轮数设为优化值(3个)，叶轮加旋角度分别取90°、180°、270°、360°、450°和540°进行计算。在此组模拟中，模型入口速度为30 m/s，出口围压为0.1 MPa。 图8 图8 (a)所示为不同叶轮加旋角度下流场气相分布。从 图8 图8 (a)可以看出：相较于叶轮数，叶轮加旋角度对流场中气相的分布规律影响较大；当叶轮加旋角为90°~270°时，能够明显看出空化的初生和分布位置主要分为两部分，即喷嘴扩散段和轴心线；随着加旋角增大，该两部分的空化云发生融合呈“梭形”状态，且在360°之后无明显变化。轴心线气相体积分数如 图8 图8 (b)所示。由 图8 图8 (b)可见：气相体积分数随着叶轮加旋角度的增加而不断增加，但在270°后增幅较小。流场的轴心线压力分布如 图9 图9 所示。由 图9 图9 可见：局部“负压”的极值及分布范围与叶轮加旋角度呈正相关，即随着加旋角度增大，流场中的液体被拉伸的程度更大，形成了 图8 图8 (a)所示的大面积空化云。 (a) 气相分布云图；(b) 轴心线气相体积分数 图10 图10 所示为不同叶轮加旋角度下流场速度分布。从 图10 图10 可以看出：随着叶轮加旋角度的增加，轴心线速度峰值先增大后减小，在360°时达到最大；而在向外流场发展的过程中，轴心线速度的衰减程度随着加旋角的增大而增大；随着加旋角度增加，径向速度与切向速度由中心向两侧发展并增大，在360°后增幅减小。另外，流场中径向速度产生负值，这是射流在刚进入环境流体时产生的卷吸作用所致。综合考虑喷嘴的空蚀能力与射流冲蚀能力，选取360°叶轮加旋角度作为优化结果。 (a) 轴心线速度；(b) 径向速度；(c) 切向速度 3.3 　入口速度的影响 2 为研究不同入口速度对旋转空化射流特性的影响，将叶轮数设为优化值(3个)，叶轮加旋角度设为优化值(360°)进行计算。在此组模拟中，模型入口速度分别取25、30、35和40 m/s，出口围压为0.1 MPa。 图11 图11 (a)所示为不同入口速度下流场轴心线气相体积分数。从 图11 图11 (a)可以看出：随着入口速度的增大，气相体积分数逐步增大，分布范围进一步向外流场扩散，入口速度为25、30、35和40 m/s所对应的空化云发生溃灭位置依次为22.4 d 、24.2 d 、25.8 d 和27.6 d 。经分析认为，这是由于入口速度增大使得流场中产生了更大强度和更大分布范围的“负压”，流场中气相体积分数及分布范围增大，如 图11 图11 (b)所示。 图11 图11 (c)中，随着入口速度增大，轴心线速度产生较大增幅，提升了射流的运移能力，使得空化云的溃灭位置进一步向外流场迁移。因此，在喷嘴结构固定的情况下，提高入口速度能获得空蚀及射流冲蚀能力更强的旋转空化射流。 (a) 轴心线气相体积分数；(b) 轴心线压力； (c) 轴心线速度 3.4 　围压的影响 2 为研究不同围压对旋转空化射流特性的影响，将叶轮数设为优化值(3个)，叶轮加旋角度设为优化值(360°)进行计算。在此组模拟中，模型入口速度为30 m/s，出口围压分别取0.1、1.0、2.0、3.0、4.0和5.0 MPa。 图12 图12 (a)所示为不同出口围压下流场气相分布云图。从 图12 图12 (a)可以看出：围压对流场中的气相分布规律影响较大；随着流场出口围压增大，空化云分布面积逐步减小，空化云形状发生变化，逐渐从“梭形”演化为“纺锤形”。轴心线气相体积分数如 图12 图12 (b)所示。由 图12 图12 (b)可见：当围压分别为0.1、1.0、2.0、3.0、4.0和5.0 MPa时，空化云发生溃灭的位置由外流场逐渐向喷嘴出口迁移，且气相体积分数逐渐减小，减小幅度依次为0.954%、0.878%、0.485%、0.150%和0.050%，表明围压对气相分布的影响逐渐减小。流场的轴心线压力分布如 图13 图13 所示。由 图13 图13 可见：在相同射流速度且不同围压下，流场入口与出口压差为定值；局部“负压”的极值及分布范围与围压呈负相关，即随着出口围压增大，流场中液体被拉伸的程度进一步衰减，使得 图12 图12 (a)中空化云的面积逐渐减小。因此，在喷嘴结构固定的情况下，围压升高会弱化空化的初生与发展，可通过增加流场入口与出口压差来提升旋转空化射流的破岩能力。 (a) 气相分布云图；(b) 轴心线气相体积分数 4 不同喷嘴射流特性对比 1 4.1 　速度、压力及气相分布 2 为对比分析旋转空化喷嘴和收缩-扩张型空化喷嘴的流场特征及涡旋特性，将叶轮数设为优化值(3个)，叶轮加旋角度设为优化值(360°)。2种喷嘴模型的入口速度为30 m/s，出口围压为0.1 MPa。 图14 图14 (a)所示为旋转空化射流和收缩-扩张型空化射流的轴向速度云图。由 图14 图14 (a)可见：2种空化射流的流场分布特征存在较大差异；对于旋转空化喷嘴，流场轮廓先扩大，小幅度减小之后基本保持不变，但流场中不存在等速核；对于收缩-扩张型空化喷嘴，出喷嘴后流场轮廓基本不发生改变，与外界环境剧烈混合后发展成等速核，但射流的径向冲蚀面积持续小于旋转空化射流的径向冲蚀面积。2种射流的轴心线速度对比情况如 图 14 图 14 (b)所示。由 图14 图14 (b)可见：尽管旋转空化射流结构中不存在等速核，但其具有强烈的卷吸作用，能将射流能量传递至更多周围的流体，因此，能在更远范围内保持较高速度(大于天然气水合物临界破碎速度即24 m/s [ 12 12 ] )。 图14 图14 (c)和(d)所示为2种空化射流的径向速度与切向速度云图。经观察可知旋转空化射流的径向速度分布范围更大，因此，在冲蚀水合物沉积物的过程中，旋转空化射流能对靶件施加更大的径向张力；旋转空化射流场中存在切向速度，能对靶件施加周向剪切力，从而能形成比较深的孔眼和更大的破碎面积。因此，旋转空化射流流体质点具有三维速度，在射流正向冲击力、径向张力及周向剪力作用下，其破岩效果优于收缩-扩张型空化射流的破岩效果。 (a) 速度分布云图；(b) 轴心线速度；(c) 径向速度；(d) 切向速度 图15 图15 (a)所示为旋转空化射流和收缩-扩张型空化射流的气相分布云图。由 图15 图15 (a)可见：旋转空化射流空化云的初生位置及分布范围远比收缩-扩张型空化射流的大，因此，其空蚀能力更强。经分析认为，旋转空化射流产生了更大极值及更大分布范围的“负压”区(如 图15 图15 (b)所示)，更有利于形成大尺寸的空泡及大范围的空泡群。因此，旋转空化射流的空蚀能力要远强于收缩-扩张型空化射流的空蚀能力。 (a) 气相分布云图；(b) 压力分布云图 4.2 　涡旋特性 2 对旋转空化射流及收缩-扩张型空化射流进行分离涡模拟，得到其涡结构的时序演化过程，使用Q-准则等值面对涡的拟序结构进行识别和表征，结果如 图16 图16 所示。从 图16 图16 (a)和 图16 图16 (b)可见：由于剪切层内的Kelvin-Helmholtz(K-H)不稳定性，2种喷嘴出口位置流体均发生内螺旋汇聚，形成一系列对称涡环。在流体向外流场运移的过程中，涡环运移速度逐渐降低，且均在 t =40 μs时，轴向 z =12 d ~13 d 的位置发生了涡环配对现象。值得注意的是，随着时间的推进，由叶轮旋转效应导致的中心涡也成为旋转空化射流涡结构的一部分。如 图16 图16 (b)所示，在充分发展的射流涡结构中，由于上游涡环运移过程中方位不稳定性增强，形成了射流流向的涡瓣结构；同时，随着射流的继续发展，射流的剪切脉动特性增强，涡环与涡瓣等结构相互作用，形成了大尺度的发卡涡。另外，由于射流涡中心是压力较低的区域，而旋转空化射流的涡结构更加丰富，径向扩散范围更大，因此，更容易形成“负压”区以获得更强的空蚀能力。 (a) 涡结构的时序演化过程(SCN喷嘴)；(b) 涡结构的时序演化过程(CDCN喷嘴)；(c) 充分发展的涡结构 为更好地观察2种射流流场剪切涡环演化的过程，截取流场充分发展涡结构中不同轴向距离处 x - y 截面的涡量云图，如 图17 图17 所示。由于旋转效应的介入，旋转空化喷嘴喉道处的涡结构已然存在严重的扭曲变形，在向外流场运移过程中，涡结构变形更剧烈；而在收缩-扩张型空化射流流场中，喷嘴出口处的涡环呈规整的圆形，具有良好的对称结构。当涡环运移至 z =16 d 处时，周向不稳定性使得涡环受到拉伸断裂。随着涡环的运移，涡环分解变形加剧，在 z =20 d 处失去了环状结构。 (a) SCN喷嘴；(b) CDCN喷嘴 4.3 　天然气水合物沉积物破碎特征 2 为评价旋转空化喷嘴和收缩-扩张型空化喷嘴的冲蚀效果，基于ZHANG等 [ 30 30 ] 设计研发的天然气水合物生成及空化射流可视实验装置进行射流破碎天然气水合物沉积物实验。实验用砂粒径为62.5~250 μm，中值粒径为112.2 μm，干砂孔隙度为40%，设计的天然气水合物饱和度为50%。实验中，喷嘴类型为唯一变量，2种喷嘴出口直径均为1 mm，喷距为5 mm；喷嘴入口流量为 5 L/min，出口围压为5 MPa，冲蚀时间为60 s。另外，对每种射流各进行两组重复性实验，以提升实验结果的准确性。 图18 图18 所示为天然气水合物沉积物旋转空化射流和收缩-扩张型空化射流冲蚀结果对比。从18(a)可知，根据冲蚀坑孔径变化情况，可将旋转空化射流冲蚀过程分为3个阶段：1) 阶段A。冲蚀初期，冲蚀坑直径随着冲蚀深度的增加持续快速增大，此阶段冲蚀坑形状大致呈圆台形；2) 阶段B。随着冲蚀过程的进行，冲蚀坑体积出现了快速增长，这是因为旋转空化射流具有三维速度，射流正向冲击力破坏沉积物基质后，径向“张”力及周向“剪”力产生“扩孔”效应，不断对冲蚀坑壁面进行剥蚀，使得冲蚀坑在径向上不断扩展，直到超出旋转射流区域后停止，冲蚀坑最大直径为46 mm；3) 阶段C。射流冲蚀后期，冲蚀坑直径随冲蚀坑深度增大而逐渐减小，这是因为在大喷距情况下，射流能量耗散较多，冲蚀效果减弱；另外，强烈的空蚀作用有助于破坏水合物胶结结构，对冲蚀效果起到辅助作用。从 图18 图18 (b)可以看出，收缩-扩张型空化射流所形成的冲蚀坑上窄下宽，冲蚀坑直径随着冲蚀深度先增大后减小，冲蚀坑底部受射流径向拉伸作用出现球面状冲蚀结构。收缩-扩张型空化射流由于不存在切向速度，径向扩孔能力弱，所形成冲蚀坑的最大直径 (35 mm)小于旋转空化射流冲蚀坑的最大直径。对2种射流的冲蚀坑体积及破碎效率(破碎效率为冲蚀坑体积与冲蚀时间的比值)进行表征，结果见 图19 图19 。 图19 图19 中，破碎效率是基于2组重复性实验计算的平均值。对于天然气水合物沉积物而言，旋转空化射流的破碎效率约为收缩-扩张型空化射流的1.2倍，因此，在射流破碎开采海底水合物的过程中，应用旋转空化喷嘴可在提升水合物沉积物破碎效率的同时获得更大孔径的井眼。 (a) SCN喷嘴；(b) CDCN喷嘴 5 结论 1 1) 适当增加叶轮数和加旋角度能提升旋转空化射流流场中的空化初生及运移能力，增强对来流流体的导向作用和加旋效果，但叶轮数对流场的影响程度比加旋角度产生的影响小，本模拟中叶轮数最优值为3个，加旋角度最优值为360°。 2) 在喷嘴结构固定的情况下，提高入口速度能进一步提升流场中空化初生及运移能力，获得空蚀及射流冲蚀能力更强的旋转空化射流，而围压升高则会弱化射流的空蚀能力。 3) 旋转空化射流因兼具正向冲击力、径向张力及周向剪力和“梭形”空化云特点，能形成更大孔径的冲蚀坑，提升水合物射流破碎效率，比收缩-扩张型空化射流有更优的破岩效果。 4) 叶轮旋转效应导致的中心涡使得旋转空化射流的涡结构更加丰富，流场脉动和不稳定性大幅增强，流场中更易形成“负压”区，射流的空蚀能力增强。 参考文献 丁蟠峰 , 杨富祥 , 程遥遥 . 可燃冰的研究现状与前景 [J]. 当代化工 , 2019 , 48 ( 4 ): 815 - 818 . 可燃冰的研究现状与前景 DING Panfeng , YANG Fuxiang , CHENG Yaoyao . 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