基于PIV实验的碱性/表面活性剂/聚合物溶液在环形降压槽内流场研究

摘要

为了研究不同分子量、不同流量ASP(碱性/表面活性剂/聚合物)溶液在实验室中流过环空减压槽时的流场变化，基于相似原理设计了环空管道模型。采用粒子图像测速(PIV)系统连续捕捉ASP溶液在不同实验条件下流动时的瞬态图像。采用Tecplot软件分析处理三元复合材料溶液流过带有不同减压槽的部分加压注入工具时的速度分布曲线。实验结果表明，涡流出现在降压槽底部;流量越大，涡中心离外壁越近;三元复合材料溶液中聚合物的分子量越大，其向壁面的速度梯度越大。槽数对涡的位置没有显著影响。该实验为部分压力注入工具内部流场的速度分布提供了一种新的研究方法。

1.介绍

在过去的几年里，由于对流道形状设计缺乏足够的理论依据，印尼利茂石油部分压力注入工具的应用受到限制。这也限制了卸压槽的设计和制造。因此，有必要对部分压力注入工具内部流场进行研究[1，2］．

与激光多普勒测速(LDV)的点测量相比，PIV可以对流场进行直接的表面测量，保证了测量的准确性和一定的空间分辨率。因此，PIV适用于分析流场的变化。PIV有两个明显的特点:它不扰动流场，通过瞬时流速矢量可以同时获得整个流场的图像。它是研究诸如涡流和湍流等复杂流动结构的有力工具[3.- - - - - -5］．

冯等人[6]模拟了聚合物溶液通过分层喷射器的流动过程和流场，发现聚合物在分层喷射器中的流动相对稳定。这对于防止机械剪切和降低聚合物注入过程中聚合物溶液的粘度损失是有好处的。孟等[7]利用PHOENICS软件对分层式喷油器内的流场进行了计算，发现分层式喷油器环形通道的形状对流场特性有很大的影响。Cai等[8]，采用商业软件Fluent对偏心喷油器内ASP溶液的流场进行了分析。模拟结果表明，流动的速度和压力具有周期性，且各周期相似。由于缺乏实验方法，主要采用Fluent数值模拟软件对部分压力注入工具的结构优化和注入工具降压槽内流场分布进行模拟分析。我们的研究是首次尝试用实验方法研究注射工具的流场。

本文通过室内实验对注射工具内部流场进行了研究。利用相似原理设计了一套PIV系统部分压力注入工具实验模型[9- - - - - -11］．进行了不同流量、不同组分、不同槽数的三个实验，并与实验模型进行了比较[12］．使用高速摄像机捕捉部分压力注入工具内的流场图像。Tecplot软件对实验数据进行了不同的后处理。在不同的实验条件下，确定了部分压力注入工具内的流场条件。得到了不同分子量、不同流量、不同槽数三种元素溶液对含弱碱聚合物内部流场的影响规律。为今后的降压通道设计提供指导。

2.相似原则

2．1．相似的比例

2．1．1．几何相似

本实验所用模型的形状与部分压力注入工具的原型完全相同。为了更好的观测质量，模型被放大到一定比例[13］．假设模型中减压槽的长度为l_米，直径为D_米，部分压力注入工具的实际泄压槽长度为l_p，直径为D_p．

几何相似性的比例表示为

2．1．2．运动相似

在类似的几何条件下，时间的尺度可以描述为速度的尺度可以描述为在哪里v为溶液流过压降槽时的平均速度;t解通过的时间长度是多少l卸压槽的。

2.1.3。动态相似

压力的尺度可以描述为

实验中使用的溶液与现场使用的溶液相同。这意味着ρ_p等于ρ_米．因此，可以得到以下公式:

2．2.标准的相似性

由于粘性力在实验中起着重要的作用，所以采用粘性力相似准则来判断相似情况。粘性力的相似判据为雷诺数。因此，如果原型的雷诺数与模型的雷诺数相等，就可以得到动态相似度。

非牛顿流体的广义雷诺数可以描述为

通过计算可得公式如下: 其中的价值n等于，也就是说,

实验需要

因为模型的截面是一个同心圆，模型的水力直径是模型的特征长度。特征长度可以描述为:

在哪里χ是潮湿的周边，为通道横截面面积，R流动截面的外半径，和为流动截面的内半径。

自，获取路径如下:

当实验模型的流量与现场条件的比值达到上述条件时，可以考虑动态相似。

2．3.流线型部分压力注入工具

仿真研究的主要目的是优化流线型部分压力注入工具中减压通道的内部结构。流线型分离注入工具结构如图所示1，改进的梭杆部分加压注入工具如图所示2．

如图所示1和2，减压通道为中间带有波形的实心柱。套管通过改变通道的横截面积，使溶液通过间隙流动，造成压力损失，从而达到减压的目的。压差式流量注入工具的槽长、槽距等各种结构参数适用于不同的工况。

２.４.实验模型

为了保证良好的粒子图像质量，采用亚克力材料制作实验模型。卸压槽尺寸如图所示3.．

3.实验方案与步骤

３．１．解决方案组成

本实验中聚合物溶液的水为合成盐水(盐度为6778 mg/L)。表面活性剂为0.3%烷基苯磺酸盐。弱碱为1.2%钠₂有限公司_3.．聚合物为大庆炼化公司生产的聚丙烯酰胺(HPAM)，分子量为1.6 × 10⁶， 1.9 × 10⁶， 2.5 × 10⁶,分别。

３.２．实验装置

实验使用的PIV为MiniPIV。高速相机曝光时间为1/128000秒。示踪颗粒为中空玻璃珠(d≤10)μ米,0.1 g / L)。

数字4显示了实验装置的原理图。所有的实验都是在没有光源干扰的房间里进行的。

图中的摄像机4在图中减压通道的倒数第二个槽中捕获解决方案的图像1．它是一个高速摄像机，是PIV系统的一部分。在实验中，至少要连续拍摄流场图像100张，选取中间的50张进行互相关计算。然后将矢量文件注入Tecplot 10.0软件，最终生成速度云图，拍摄精度为0.01。

3．3.实验方案

在模型分子量、流量、减压槽数相同的情况下，共进行3组PIV试验。实验方案如表所示1．


	聚合物分子量	聚合物浓度(毫克/升)	流量(m^3./天)	槽数

方案1	1.6×10⁶	2000	30.	18
	1.9×10⁶
	2.5×10⁶

方案2	1.6×10⁶	2000	20.	18
			30.
			50

方案3	1.6×10⁶	2000	30.	5
				10
				18

3．4．实验程序

实验步骤如下:（1）连接如图所示的实验设置4（2）制作实验中使用的聚合物溶液，加入示踪剂颗粒（3）开始实验，拍摄溶液在减压槽中流动的图像（4）使用Tecplot软件分析收集的图像

3．5．溶液粘度

三元复合体系中聚合物粘度与浓度的关系如表所示2．


	聚合物分子量	聚合物浓度(毫克/升)	溶液粘度(mPa⋅s)

方案1	1.6×10⁶	2000	42.3
方案2	1.9×10⁶		45.6
方案3	2.5×10⁶		51.4

根据表2，聚合物的分子量对三元复合体系的粘度有显著影响。随着聚合物分子量的增加，三元复合体系的粘度增大。

4.实验结果与分析

4．1.速度云图

通过Tecplot软件得到了不同分子量、不同流量、不同槽数的速度云图(随着槽数增加，降压通道长度增加)，如图所示5- - - - - -7．速度云图中不同的颜色代表不同的速度。在同一个图形中，红色表示最大速度，蓝色表示零速度。

(a) 1.6 × 106道尔顿

(b) 1.9 × 106道尔顿

(c) 2.5 × 106道尔顿

(一)20 m3 / d

(b) 30 m3 / d

(c) 50 m3 / d

(a) 5个减压槽

(b) 10个减压槽

(c) 18个减压槽

从图5时，最大速度出现在环空最小间隙处。溶液的总体流动方向是相同的。这是由于部分压力注入工具中减压槽的最小流动面积，此时溶液的流速与最大流速保持不变。随着溶液在部分压力注入工具内的持续流动，减压槽内的流动面积逐渐增大，导致流速逐渐减小。溶液的流动方向逐渐向减压槽中心扩散。在槽长约3/4时，流量逐渐增大，流动方向再次聚集。原因是随着减压槽内解的继续向前移动，流动横截面积变小，液体流动速度逐渐增大。顺时针涡在减压槽中心形成，涡中心速度最小，向通道壁面方向逐渐增大。

从图5，可以得出溶液粘度越大，涡周围的速度越大，特别是涡下方，而涡顶部的轴向速度梯度越小。

从图6，随着弱碱ASP溶液通过部分压力注入工具的流速减小，漩涡中心向左侧靠拢;流量越大，涡槽中心向右偏移越大。

从图中可以看出7在流量和成分相同的情况下，通过改变槽数，旋涡位置和速度分布变化不明显。

4．2．轴向速度分布图像

不同分子量聚合物的速度分布如图所示8．切线表示衬套与降压槽底部的距离，分别为10 mm、23 mm、32 mm、37 mm、40 mm和42 mm。

(a) 1.6 × 106道尔顿

(b) 1.9 × 106道尔顿

(c) 2.5 × 106道尔顿

数字8结果表明，对于相对分子质量较大的弱碱三元复合材料溶液，在通过部分压力注入工具时，流速在接近压力注入工具外壁时变小，在接近压力注入工具底部时增大。随着聚合物在溶液中的分子量的降低，速度梯度越小，溶液的速度与相邻高度的差越小。同时，环空最小间隙处的最大流速随着聚合物分子量的增加而减小。在弱碱三元复合体系中，环空最小间隙处的速度梯度随聚合物分子量的增加而增大。

不同流量下的流速分布如图所示9．

(一)

(b)

(c)

从图9时，流速较小，且靠近外壁处的溶液流量变化大于泄压槽环空间隙中心处的溶液流量变化。随着压力注入工具流量的减小，速度由减小到升高的位置逐渐向右移动。buck槽底部的流量大于涡中心的流量。越靠近泄压槽中心，流速越低。当buck槽底部靠近内壁时，速度由增大变为减小，这是由于部分压力注入工具装置中的粘性力所致。此外，当流量较小时，凹槽处的流速变化更为明显。

不同槽数的速度分布如图所示10．