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聚合物在低剪切流量控制阀内的流态判别与数值模仿

标签:聚合,聚合物,剪切,流量,控制,内的,判别,数值,模仿  添加时间:2020年12月05日  点击298

    在双管注聚过程中,为削减聚合物溶液的黏度损失,研制出低剪切流量控制阀。聚合物溶液在阀内流动时,聚合物分子链始终处于拉长、收缩的变形中武汉网站制作,消费在这个过程中的能量形成节流压差。聚合物分子链变形的同时又赓续恢复,能够降低黏度损失。聚合物溶液每流过低剪切流量控制阀内的一个降压槽,过流面积从小到大转变一次,流速从高到低转变一次,流态及流场分布也响应产生一次转变。为研究这个转变规律,笔者对低剪切流量控制阀进行数值模仿。

    1 流体性子

    注聚溶液属于黏弹性的非牛顿流体。对注聚采用的聚合物溶液进行流变性实验,分别测得不同剪切速率对应的剪切应力值(γ1,τ1),(γ2,τ2),…,(γn,τn),效果如图1所示。

聚合物在低剪切流量控制阀内的流态判别与数值模仿

图1 流变性实验效果

    通过对实验数据进行拟合分析,认为聚合物溶液吻合非牛顿流体幂律模式,本构方程为:

    τ=Kγn    (1)

    式中,τ为剪切应力,Pa;γ为剪切速率,s-1;K为稠度系数,Pa•sn;n为流性指数。同时,拟合得出K=0.1378Pa•sn,n=0.5603。

    2 流态判别模型的建立

    流体在同心环形空间内任意位置x处的黏度为:

    聚合物在低剪切流量控制阀内的流态判别与数值模仿    (2)

    式中,η为表观黏度,Pa•s;υ为流速,m/s;D1和D2分别为环空的内径和外径,m。

    剪切速率为:

    聚合物在低剪切流量控制阀内的流态判别与数值模仿    (3)

    剪切速率沿环空半径方向转变曲线所包含的面积(S,m2)为:

    聚合物在低剪切流量控制阀内的流态判别与数值模仿    (4)

    平均剪切速率:

    聚合物在低剪切流量控制阀内的流态判别与数值模仿    (5)

    平均剪切应力:

    聚合物在低剪切流量控制阀内的流态判别与数值模仿    (6)

    聚合物在低剪切流量控制阀内的流态判别与数值模仿    (7)

    聚合物在低剪切流量控制阀内的流态判别与数值模仿    (8)

    式中,Re为雷诺数;ρ为流体的密度,kg/m3

    式(8)化简得

    聚合物在低剪切流量控制阀内的流态判别与数值模仿    (9)

    对于同心环形空间,稳固性参数Y和X是判别非牛顿流体流动状况较为理想的方法,采用参数Y和X得出环形空间的临界雷诺数的计算式分别为:

    聚合物在低剪切流量控制阀内的流态判别与数值模仿    (10)

    聚合物在低剪切流量控制阀内的流态判别与数值模仿    (11)

    经计算河南人事考试中心网,ReY=2823网络刷票,ReX=1964,ReY>ReX。达莅临界雷诺数2823时的速度为3.12m/s,对应的聚合物的注入量为38.71m3/d。

    3 流动区域的数值模仿

    3.1 几何模型和网格划分

    根据低剪切流量控制阀内部的正纺锤连线型环形流道,建立二维几何模型,采用正交化非均匀网格进行划分,如图2所示,总网格数为116534。

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图2 流动区域的几何模型

    3.2 边界条件和计算条件

    速度入口边界,速度分别取3.22,4.02,4.83m/s(对应的注入量分别为40,50,60m3/d)。此时计算出的雷诺数均大于临界雷诺数2823北京户外广告,流动均为湍流状况。压力边界出口,表压为0。固壁采用无滑移边界条件,壁面上u=0。

    选用标准的k-ε湍流模型,动量方程、湍动能方程和耗散率方程均选用一阶迎风格式,压力速度场的耦合求解选取SIMPLEC方法。

    3.3 计算效果

    入口流量分别为40,50,60m3/d时的流动压耗计算效果如图3~图5所示。

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图3 入口流量40m3/d的流动压耗

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图4 入口流量50m3/d的流动压耗

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图5 入口流量60m3/d的流动压耗

    入口流量分别为40,50,60m3/d时的流动压耗分别为2.9,4.3,6.1MPa。从流动压耗的计算效果可以看出,低剪切流量控制阀具有较好的节流作用,对聚合物的限流阻力较大。产生的节流压差,能够知足扩张封隔器的坐封要求。节流压差随着配注量的增长而增大,可实现不同配注量的要求。

    单个降压槽速度等值线见图6,单个降压槽速度分布见图7。聚合物流经每个降压槽时,流场速度分布比较均匀,速度矢量转变较小,说明正纺锤型降压槽对聚合物黏度剪切率较小。

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图6 单个降压槽速度等值线

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图7 单个降压槽速度分布

    4 中心实验

    在1-12X332井开展了低剪切流量控制阀的应用实验,效果见表1。

表1 低剪切流量控制阀应用实验效果

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    实验数据注解,流量在33~62m3/d间的最大黏度损失率为6.83%,黏度保留率达到90%以上,节流压差达到5.98MPa,说明低剪切流量控制阀能够有用削减聚合物溶液的黏度损失。经比对,实验效果与数值模仿得出的节流压差数值接近,偏差在10%之内,验证了数值模仿效果的正确性。

    5 结论

    1)对注聚采用的聚合物溶液进行流变性实验,通过对实验数据进行拟合分析,认为聚合物溶液吻合非牛顿流体幂律模式。

    2)通过建立的流态判别模型,确定了注聚溶液在低剪切流量控制阀内流动的临界流量,便于数值计算时湍流模型的选取。

    3)中心实验与数值模仿的效果注解,低剪切流量控制阀具有较好的节流作用,能够有用削减聚合物溶液的黏度损失。

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