（油气井工程专业论文）空化射流处理油田采出水技术研究.pdf

s t u d y o nt h et r e a t m e n t 。f o i l f i e i dp r o d u c e dw a t e r w i t hc a v i t a t i n gw a t e r je t t o n gd e s h u i ( o i l & g a s w e l le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db ys e n i o re n g i n e e r z h o uw e i d o n g a b s t r a c t c a v i t a t i n gw a t e rj e t i san e wt y p e 。fh i g h e f f i c i e n c yje t t h et e c m c a l i d e a 。i ：u s m g c a v i t a t i n g 、a t e rj e tt 。t r e a to i l f j e l dp r o d u c e d w a t e ri sp r o p 0 s e do nm e b a s i s o f _ ：e a r c ：h e s ? w a s t e w i rt r e a t m e n tb y u l t t a s 。n i cc a v i t a t i 。na i l dh y & a u l i c c a v i t a t i o n ，觚d 锄s l d e a1 s t e s t i f i e da c “l a l l yp r a c t i c a b l eb ye x p e r i m e n t t h em a i nm e c h a l l i s m 。f t r e a t m e n to no i lf i e l dp r o d u c e dw a t e r b yc a v i 。a t i n gw a t e r 3 7 t l s a n a l y z e d 缸。u 曲t h e 。r e t i c a li n v e s t i g a t i 。n b a s e d 。n t l l ev i e wo fe n g i n e e r i n a p p l l c a n 。? t h r e 二s i m p l ea n dp r a c t i c a lt y p e s 0 fc a v i t a t i 。nn o z z l e sa r e 。p t i m i z e df o rd e s 噜n l n 芋n o z z l e s t m c t u r e 孟ma l lc a v i t a t i 。nn o z z l e s ，w h i c h a r eh e l m h o l t zo s c i l l a t o r c a v i t a t i o nn o z z l e o g a n p i p er e s o n a t o rc a v 胁i 。n n 。z z l ea n da n g l ec a v i t a t i o nn 。z z l e a s s e m b l e qn o z z l e , an e w t v d e y p o l f ：二i t a t i 。nn o z z l e ，i sd e s i g n e d 矗。mm 抵n g u s e 。fc r h a r a c t 甜s t i c s0 fa n 妒ec a v i t a t l o nn o z z l e n en o w 蹦d s i nt h e s ef o u r 。p t i m i z e d c a v i t a i o n n o z z l ea r e8 i m u 协酣b y n u e t ：_ ： s 。肌a r eu i l d e rt h ed e s i g n e de x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n s ，锄d 脏8 i 删撕陀舢s 鼍_ 烈： c o n s i s t e n tw 池t h ce x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，s 。i t t e s t m e s t h a tt h es l m l l l a t i o nm e m o d 置冀b 1 1 芝d 。nn se q u a t i 。nw i t l l c a v i t a t i 。nm 。d e l a n ds t a n d a r dk m o d e l i sh i 曲c r e d i b l e 1 h e d i s m 枷o n s 。fp r e s 眦f i e l d ，v e l 。c i 哆f i e l da n dv a p o rv 。1 啪e 矗撒i o n 甜e 龃a l y s e d ：觚0 。m e p r i 删。p t i m i z a t i 。n 。f b e t t e r c a v i t a t i o nn o z z l es e f o rt h e e c l l i q u ei sm a d eb a s e d j eu s eo fv a p o rv 。l 啪ef r a c t i o n a st h ee v a l u a t i o np a r a r n e t e r , a n dm es i m u l a t i n g r e s u l t i n d i c a t e st h a tt h ea s s e m b l e dc a v i t a t i o nn o z z l e i sm u c hm o r ef e a s i b l ef o rf o n 。w i n g e x p e n m e ：l s t u “l n n u e n c eo f t h ei n l e tp r e s s u r ea n dt h el i q u i dt e m p e r a t u r eo nm ec 剁i t a t l o nd e g r e e m a s s e m b l e dc a v i t a t i o nn o z z l ei sa l s oi n v e s t i g a t e d t h ee x p e r i m e n ti sc a r r i e do u to nt h es p e c i a l i z e d s u i to fe x p e r i m e n t a ld e v i c e , w h l c h 1 s d e s i g n e df o rt h et r e a t m e n t 。f 。i m e l dp r 。d u c e d w a t e rb yc a v i t a i n gw a t e r j e t b a s e do nt h e f r e s u 。l tt h a tt h et e c l u l i q u e i sp r o v e df e a s i b l eb yt h ee x p e r i m e n t ，t h ec m d a l0 p t l 肌? o n 。： a v a i l a b l ec a v i t a t i 。nn 。z z l es t r u c t u r e s f o rt h et e c h n i q u ei sm a d e b yu s i n g0 ft h e 。p t l m l z e d n 。z z l es t m c t u r e ，t 1 1 ei n n u e n c eo fi n l e tp r e s s t i r e ，c i r c u l a t i o nn u m b e r a n dl e n 酬d i 锄e e r 眦1 。 o fn o z z l eo nt h ec o d r e m o v a lr a t i oi si n v e s t i g a t e db y t h ee x p e r i m e n t o nt h eb a s i so fe x p e r i m e m a lr e s u l t s ，t h em u l t i s t a g ec a v i t a t i o n n o z z l ed e s l g np r o p o s a l b yt h et a n d e m c o n n e c to fs e v e r a la s s e m b l e dc a v i t a t i o nn o z z l e s i sp r o p o s e d b yo p t i m i z i n gt h e d e s i g np r o p o s a lu s i n gt h ef l u e n ts o f t w a r e ，i ti s f o u n dt h a tt h ef u n c t i o no fm u l t i - s t a g e c a v i t a t i o ni nt h em u l t i s t a g ec a v i t a t i o nn o z z l ec a nb ea c h i e v e do n l yb yt h ed e s i g no fa d o p t i n g t h es i n g l e s t a g en o z z l ed i a m e t e rf r o ms m a l lt ob i g ，a n de a c hs i n g l ec a v i t a t o nn o z z l eh a sg o o d c a v i t a t i o ne f f e c t t h et h r e e s t a g ec a v i t a t i o ns y s t e mi sd e s i g n e di nd e t a i la sa ne x a m p l eo f m u l i t i - s t a g e t h ep r i m a r yd e s i g no ft h ed e v i c ef o ro i lf i e l dp r o d u c e dw a t e rt r e a t m e n tb y c a v i t a t i n gw a t e rj e ti sp r o p o s e da tl a s t ， k e y w o r d s ：c a v i t a t i n gw a t e rj e t ，o i l f i e l dp r o d u c e dw a t e r , n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，n o z z l e 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名： 硷：毖亟，日期：- 4 年岁月7 日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷版 和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和 复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他 复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名：幽丝 指导教师签名： 日期：- 4 年夕月1e t 醐。叫年朋z 7 日 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的目的与意义 随着世界石油工业的迅速发展，油田采出水的处理已成为当今石油从业者关心的一 个重要课题。在处理方法的选择上在考虑经济效益的同时，更多的关注减少对环境的污 染【1 2 】。经处理后的油田采出水主要用于回注，a p i 的研究表明【3 1 大约有7 1 的采出水 用于回注采油，2 1 无效回注地下，国内的污水利用率较低，大量的污水无效回注地层 或外排。油田在生产开发过程中不仅产生大量的采出污水，同时还要消耗大量清水资源。 胜利油田每年在低渗透的超前注水开发、三采配聚用水、热采锅炉给水等方面需要约 2 0 0 0 万立方米清水。石油行业存在大量清水消耗和污水外排的矛盾，可见，采出水处理 是否得当是影响油田能否持续发展、保证经济效益的重要因素。 目前，国内油田采出水处理一般采用传统的“老三套工艺【4 】，即以“混凝沉降 一过滤”为基础，再辅以阻垢、缓蚀、杀菌、生化法、吸附法、膜分离等方法进行处理， 经处理后的油田采出水的含油量和悬浮物含量等指标一般能达到国家污水综合排放标 准( g b 8 9 7 8 1 9 9 6 ) ，而影响油田采出水外排的主要因素是化学需氧量( c h e m i c a lo x y g e n d e m a n d ，c o d ) 值偏高。探索一种能够有效降低污水中c o d 值的低成本、无污染的高 效处理方法是世界各国的石油专家学者研究的一个新方向。 随着对空化现象研究的不断深入，各领域的研究人员在寻求减少空化效应带来的危 害的同时，也开始积极地寻求利用它的各种方法和途径。当前在利用空化作用降解有机 物、杀菌处理、降低污水的c o d 值等方面已取得了一定的突破，但大多集中在超声空 化技术研究上。虽然该方法具有较好的处理效果，但能量利用率低，难以实现规模化应 用。同超声空化技术相比，水力空化具有能量利用率高，易于实现工业化应用的特点【5 】， 因此开展水力空化技术具有重大的现实意义。正是基于空化作用的良好处理效果和水力 空化的强大处理能力，我们提出了利用空化射流这种高效的水力空化技术处理油田采出 水的技术设想。 本研究旨在通过理论分析和和实验研究证实利用空化射流处理油田采出水可行的 基础上，研究影响该技术作用效果的主要因素的影响，对基于空化射流技术的油田采出 水处理装置的主体部分进行初步设计，以促进工业上应用空化射流大规模、低成本处理 油田采出水技术的发展与成熟。开展好空化射流处理油田采出水技术的研究，不但可以 有效地降低外排水的c o d 值，减少环境污染，而且可以拓展空化射流技术的应用空间， 第1 章绪论 推动空化射流技术研究的发展和进步。 1 2 油田采出水处理方法研究进展 油田采出水是伴随采油作业采出的经原油脱水分离后的含油污水，是一种含有固体 杂质、液体杂质、溶解气体和溶解盐类等较为复杂的多相体系。不同油田地质条件、原 油特性、采油方法、集输及分离条件等因素对油田采出水的组成和特性均有较大影响， 所以不同油田处理油田采出水所选用的处理工艺和处理方法也不尽相同。目前国内外含 油污水的处理技术按处理原理可分为4 种：物理法、化学法、物理化学法和生物法。 1 2 1 物理法 物理处理法的重点是去除采出水中的矿物质和大部分固体悬浮物、油类等，包括重 力分离法、离心分离法、粗粒化法、过滤法、膜分离法等。 ( 1 ) 重力分离法 重力分离法是初级处理方法，它利用油和水的密度差及油和水的不相溶性，在静止 或流动状态下实现油珠、悬浮物与水分离。重力除油的主要设备有横向流除油器、波纹 板聚结油水分离器、聚集型油水分离器、立式除油罐和斜板式隔油池等。最近新的密置 波纹板除油器能除去最小粒径为4 0 p m 的油珠 6 1 。波纹板聚结油水分离技术是重力分离 和聚结分离结合于一体的一项新型油水分离技术，具有能耗低、分离效率高、设备简单、 结构紧凑等优点。 ( 2 ) 离心分离法 离心分离法是使装有采油污水的容器高速旋转，形成离心力场，因颗粒和污水的质 量不同，受到的离心力也不同，相对密度大的水受到较大的离心作用被甩到外侧，相对 密度小的油珠则被留在内侧，并聚结成大的油珠而上浮达到分离的目的。 ( 3 ) 粗粒化法 粗粒化法是利用油一水两相相对聚结材料亲和力的不同来进行分离。含油废水通过 装有粗粒化材料的装置，水中油份在润湿聚结、碰撞聚结、截留、附着等过程的作用下， 油珠由小变大，从而得到去除。该技术主要用于处理分散油，只有聚结作用，没有破乳 功能。其技术关键是粗粒化材料，粗粒化材料有亲油性的材料、亲水性材料，以及石英 砂、煤粒等无机材料。该法具有体积小、运行方便、操作简单的优点，缺点是易堵塞。 ( 4 ) 过滤法 过滤法是将采油污水通过设有孔眼的装置或通过由某种介质组成的滤层，使污水中 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 的悬浮物得以去除，主要是利用颗粒介质的截流、惯性碰撞、筛分、表面黏附、聚并等 作用，将水中油份去除。一般所用过滤器有压力式和重力式两种，目前我国油田过滤器 普遍采用的是压力式，例如核桃壳过滤器、石英砂过滤器、多层滤料过滤器等。 ( 5 ) 膜分离技术 膜分离法是利用特殊膜所具有的选择透过性，对污水中的某些微粒或离子性物质进 行分离和浓缩的方法。目前膜技术在油田采出水处理中应用最为广泛的是微滤 ( m i c r o f i l t r a f i o n ，m f ) 、超滤( u l t r a f f l t r a t i o n ，u f ) 、纳滤( n a n o f i l t r a t i o n ，n f ) 和反渗透 ( r e v e r s eo s m o s i s ，r o ) 系统川，而国内外研究较多的是管状陶瓷微滤、中空纤维微滤、 管状聚合物超滤和反渗透系统。m f 和u f 主要是针对采出水中油和悬浮物的去除，特 别是对控制悬浮物颗粒粒径非常有效，r o 系统主要是针对采出水的脱盐。膜技术用于 污水处理其处理效果好，处理后的水纯度高，但存在膜污染严重而清洗频繁等问题，同 时膜处理工艺的经济性还需要作进一步的确认。 表1 1 一般膜过滤过程主要参数对比哪 t a b l e l - 1m a i nc h a r a c t e r i s t i c so fc o m m o nm e m b r a n ef d t r a t i o np r o c e s s 过滤粒子大小，典型的膜过滤压力， 膜过滤类型主要机理渗透通量 ( p )( 毒r o 0 0 5筛分0 0 3 一0 3高 1 2 2 化学法 化学法在油田污水处理中主要用于含油污水的深度处理，该法主要用于处理采油污 水中不能单独用物理方法或生物方法去除的一部分胶体和溶解性物质( 特别是乳化油) ， 还可以通过化学作用将采出水中的污染物转化为无害物质，使水质达到标准。常用的方 法有化学破乳法和化学氧化法等。 ( 1 ) 化学破乳法 化学破乳法包括盐析法、酸化法、凝聚法，最传统和常用的药剂是铝盐及铁盐系列。 乳化油呈稳定状态，要达到油水分离首先要破乳。破乳是向水中投入化学药剂，药剂在 水中水解后能形成带正电荷的胶团，并能与带负电荷的乳化油发生电中和作用，降低其 表面电位，再经过处理使油粒聚集，粒径变大，浮力也随之增大，从而达到油水分离的 目的。 3 第l 章绪论 ( 2 ) 化学氧化法 化学氧化法是转化采油污水中污染物的有效方法，能将污水中呈溶解态的无机物和 有机物转化为微毒、无毒物质或转化成容易与水分离的形态，分为氧化剂氧化法，电解 氧化法和光化学催化氧化法。 ( 3 ) 高级氧化技术 高级氧化技术 9 ( a d v a n c e do x i d a t i o nt e c h n o l o g i e s ，a o t s ) 是目前化学法研究的一个 新方向，是通过产生羟基自由基o h 而将污染物氧化降解的技术。该法主要包括臭氧氧 化、二氧化氯氧化法等。关于高级氧化技术在油田采出水处理中应用的研究，大都处于 初期可行性研究阶段。 1 2 3 物理化学法 物理化学法主要包括气浮法、吸附法、电化学法等，这些方法一般具有适应性较强、 选择性广、处理较彻底等优点，但有些方法工艺未成熟且能耗大。 ( 1 ) 气浮法 气浮法f l o 】是依靠气泡能表面吸附油粒或悬浮物以达到分离的目的。在采油污水中通 入空气或其他气体产生微细气泡，使水中的一些细小悬浮油珠及固体颗粒附着在气泡 上，形成水气广油粒三相混合体系，随气泡一起上浮到水面形成浮渣，然后使用适当 的撇油器将油撇去。气浮设备繁多，但根据气泡生成机理，大致可分为溶气气浮、散气 气浮和电解气浮3 类。 溶气气浮处理深度大，对乳化油具有较好的处理效果，缺点是能耗大，设备结构复 杂，占地面积多，操作严格；散气气浮具有体积小、能耗低、结构简单、易于维护、管 理方便的优点，但处理深度较弱；电解气浮兼有凝聚、共沉、电化学氧化及电化学还原 等作用，分离微小油滴和悬浮物的能力较前两种方法强。 ( 2 ) 吸附法 吸附法是利用吸附剂的多孔性和大的比表面积，将采油污水中的溶解油和其他溶解 性有机物吸附在表面从而达到分离。根据固体表面吸附力的不同，吸附可以分为表面吸 附、离子交换吸附和专属吸附3 种类型。 ( 3 ) 电化学法 电化学法包括电凝聚、电气浮和电火花法。电凝聚是利用溶解性电极电解采油污水， 从溶解性阳极溶解出金属离子，金属离子水解生成氢氧化物，它能吸附和凝聚乳化油与 溶解油，然后沉淀可除去油；电气浮是利用不溶性电极电解采油污水，在电解分解作用 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 和初生态的微小气泡的上浮作用下，使乳化油破坏，并使油珠附着在气泡上；电火花法 是利用交流电来去除采油污水中的乳化油和溶解油，在电场作用下筒内的导电颗粒问会 产生电火花，在电火花和水中均匀分布的氧的作用下，油份被氧化和燃烧分解。 1 2 4 生物法 微生物以水中的有机物作为营养物质，通过吸收、吸附、氧化分解等作用，一部分 有机物转化为微生物体内的有机成分或增殖成新的微生物；另一部分有机物被微生物氧 化分解成简单的无机或有机物质，从而使采油污水得到净化。生物法可分为好氧生物法、 厌氧生物法和厌氧一好氧生物法。同其它处理方法相比，生物法具有成本低、操作简便、 有机污染物降解效果好等优点，国内外均进行了大量研究。g i l b e r tt 【1 1 】利用活性污泥法 处理采油污水，研究表明停留时间为2 0 d 时，能去除采油污水中9 8 - - - 9 9 的碳氢化合 物。龚争辉【l l 】等采用气浮生物接触氧化技术对孤岛油田采油废水进行现场试验，发现 处理后污水c o d 去除率为4 2 2 ，石油类去除率为8 9 3 。 1 3 基于空化效应的污水处理技术研究 由于在空化现象发生的同时，由于空泡的溃灭会产生一系列高温、高压的物理化学 反应过程，在这种极端的环境条件下，污水中的无机物、有机物和微生物细菌等在这种 条件下可通过反应去除，达到净化污水的目的。 ：； 1 3 1 超声空化技术 超声空化是指液体中的微小气泡核在超声波作用下被激化，表现为泡核的振荡、生 长、收缩及崩溃等一系列动力学过程，该过程是集中声场能量并迅速释放的绝热过程。 w u 1 3 1 等用超声频率为2 0 k h z 的超声辐射质量浓度为4 6 7 、8 和0 5 3 m g l 的c c k 溶液， 6 分钟后三种溶液中c c l 4 的降解率均达到9 5 ；p c t d c r x 4 l 等用超声频率分别为2 0 、2 0 0 、 5 0 0 和9 0 0 k h z 的超声波辐射处理苯酚浓度为1 0 m m o l l 的溶液，辐射过程中用氧气饱 和反应液，苯酚最快的降解速度为4 9 i u n o l ( l m i n ) ；中国石油大学的李书光 1 5 1 等探讨了 不同空化状态下超声波对石油污水c o d 的降低作用，结果表明：石油污水的c o d 降低 率随着时间的增大而增大，随温度和p h 值的增加而减小。 由于超声空化的能量利用率较低，单纯利用超声空化对有机污染物处理降解率不 高，研究人员开始研究添加多种化学药剂实现对降解的强化作用。l i n 1 6 1 等利用超声空 化技术和h 2 0 2 联合作用对二氯酚进行处理，发现在同样的条件下加入h 2 0 2 后二氯酚的 降解率可提高7 2 ；陈伟f 1 刀等采用超声过氧化氢联合技术降解水中的4 氯酚，考察了 5 第1 章绪论 超声波强度、溶液的初始p h 值、4 氯酚的初始浓度等对降解过程的影响，得到该技术 的降解机理主要是自由基的氧化作用。k u b o 1 8 1 等研究了添加 r i 0 2 的情况下利用超声辐 射对苯酚的降解，发现当苯酚的溶解量超过0 0 4 - 0 4 9 c m 3 时，降解率随t i 0 2 的增加 而增加。另外，还有利用超声空化技术和0 3 、f e 等联合应用研究的报道【1 9 1 。 总而言之利用超声波空化技术处理含有卤代烃、酚类、芳香烃和醇类等污水的研究 表明，对上述污染物均有一定的处理效果。超声空化技术的优点有其降解条件温和，降 解速率快，适用范围广，可以单独或与其它水处理技术联合使用，尤其是对工业废水中 的有机物的降解非常显著，对有机物的处理更直接，且没有二次污染。但由于目前的技 术和手段的限制，工业化应用难度很大，成本较高。 1 3 2 水力空化技术 相对超声空化用于污水处理的研究而言，水力空化的研究起步较晚。1 9 9 3 年p a n d i t 2 0 1 等人研究了水和蓖麻油与红花油的水力空化水解过程，结果表明：水力空化的能耗要比 传统方法低很多。1 9 9 8 年k a l u m u c k l 2 1 】等利用不同的空化喷射装置在不同的操作条件下 进行了降解卜硝酸苯酚的试验，结果表明：水力空化确实对卜硝酸苯酚有降解作用， 并且与超声波方法相比，该装置的能效呈二次方比例增加。扫晚【捌等利用不同的消毒技 术对地表水的净化进行了试验研究，与传统的消毒技术相比，水力空化技术是一种既经 济又具有应用潜力的替代技术。2 0 0 1 年s i v a k u m a r 2 a 等成功地采用孔板水力空化装置处 理了溶液、诺丹明b 化合物和印染废水，试验表明：空化强度和空化数可以用不同 的孔板进行有效控制，水力空化装置可有效处理该类废水。2 0 0 4 1 2 4 年李志义等人用水力 空化对油脂和纤维素进行水解的试验，结果表明：达到相同的水解度时，水力空化比超 声空化节能5 0 - 7 0 。2 0 0 6 年陈利军f 2 5 】等人采用水力空化技术强化h 2 0 2 对水中苯酚 的降解，研究表明：苯酚降解率随着入口压力的增大而增大。2 0 0 7 年k s a m p a t hk u r n a r 和v i j a y a n a n ds m o h o l k 6 1 通过控制成核速度和驱动空泡运动的压力波动两个主要参 数，采用收缩扩散的喷嘴结构对水力空化反应器进行了概念设计。 超声空化和水力空化用于处理污水的实验均表明利用空化效应降解有机物等污染 物是切实可行的。水力空化技术的初步研究发现该技术较超声空化具有能量利用率高， 成本相对低廉，易于实现规模化应用的特点，因此开展利用空化射流处理油田采出水的 技术研究具有很强的可行性和良好的现实意义。 1 4 论文的总体研究思路及主要内容 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 根据课题的研究目标，在理论调研分析的基础上，首先利用f l u e n t 软件完成空化射 流喷嘴内部流场的数值模拟研究，之后在实验室内完成了利用空化射流处理油田采出水 的实验研究，最后对该技术的空化处理装置进行了初步设计。 论文的主要内容包括以下几方面： ( 1 ) 空化射流喷嘴的设计及喷嘴内部流场的数值模拟 根据理论调研的成果，以便于实现工程应用为出发点，选择了角形空化喷嘴、氦姆 霍兹谐振腔空化喷嘴、风琴管自振空化喷嘴和组合设计的空化喷嘴四种结构相对简单的 喷嘴进行设计；建立四种喷嘴的数学模型，利用f l u e n t 软件进行数值模拟，初步优选适 宜该技术应用的空化喷嘴结构，分析影响该技术作用效果的主要因素及其影响规律。 ( 2 ) 空化射流处理油田采出水的室内实验研究 设计加工了一套基于空化射流的油田采出水处理实验装置，以c o d 去除率作为评 价处理效果的主要参数，优选适宜该技术应用的空化喷嘴结构，考察了影响该技术作用 效果的主要因素，得到了其影响规律。 ( 3 ) 空化射流处理油田采出水主体装置的初步设计 根据理论分析和实验研究的成果，完成了多级空化系统的设计，利用f l u e n t 软件进 行数值模拟发现，设计的装置具有可行性。 7 第2 章空化作用的基本理论 第2 章空化作用的基本理论 空化是一种复杂的流体动力现象，自从该现象被发现以来，国内外学术界从避免空 化对水力设备造成危害和利用空化效应两方面入手对空化现象进行了较为系统的研究， 取得了一定的成果。 2 1 空化现象概述 2 1 1 空化的过程及特点 对于空化现象，现在还难以给出一个简明而严格的定义。一般把液体内部局部压力 降低时，液体内部或液固交界面上蒸汽或气体的空穴( 空泡) 的形成、发展和溃破的过程， 称为空化刚。 任何液体在其静止或运动过程中因受环境和气体分子运动的影响，不可避免地会 有一些气体溶入，因此液体中就会悬浮着一批气相的微泡，称为搿气核 。当液体的当 地压力受到某些因素的影响，降低到一定程度时，溶解在液体中的气体就会从中析出， 在这个过程中析出的气体会通过泡壁扩散到气核中。由物理学知道，在恒温条件下并且 忽略形成小气泡时表面张力的微小作用，当液流局部的绝对压力降低到当地温度下的饱 和蒸汽压力时，液体内部的气核将迅速膨胀，在液体内部形成含有水蒸气或其它气体的 空泡。当空泡内部压力达到一定程度时，由于内部压力的限制，空泡将停止增长。当这 些气泡随液流进入高压区时，蒸汽高速凝结、空泡剧烈的溃灭，流体质点便向空腔中心 高速运动，产生强烈的冲击，结果使瞬时的局部压力和温度急剧上升，从而产生空化现 象。如果空穴中气体的量非常大，溃破的强度就会稍弱一些。 一般来讲空化现象的全过程应该包括空泡的孕育与初生、发育与长大以及收缩和 溃灭三个阶段。全过程的每一个阶段( 或子过程) 都取决于系统内部动水压力的变化。总 的来说空化具有以下特点： ( 1 ) 空化是液体的现象，即只发生在液体中： ( 2 ) 空化是水动力作用的结果，即空化是局部压力降低产生的现象，是包含液相和 气相等的多相流现象： ( 3 ) 空化现象是包括空化初生、发育和溃灭的一种动态过程。 2 1 2 空化的分类 美国加州理工学院r t k n a p p 教授综合考虑了发生空化的条件、空穴区结构及水 动力特性等因素，将空化分为以下四类 2 7 拍1 ： 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 ( 1 ) 游离型空化 它是一种由在水中形成的单个的随水流一起运动的不稳定空泡( 或空穴) 组成的空 化现象。这种游移的、不稳定的空泡可以在固体边界附近、水体内部的低压区、游涡核 心或紊动剪切的高紊动区域内出现。这些随水流一起运动的空泡在其发展过程中会形成 若干次扩大、收缩过程，当其流经低压区时，尺寸增大；当其运动到压力较高的区域时， 会迅速形成收缩、再膨胀( 再生) 、再收缩的振荡过程，以致最后溃灭消失。再收缩、再 膨胀的次数决定于空泡内的空气含量及周围压力状况。 ( 2 ) 固定型空化 固定型空化发生在初生空化的临界状态以后，当水流从绕流物体或流过通道的固体 边壁面上脱流，在壁面上形成看似不动，实际上是随时变动的不稳定的空穴。这种空化 有时经过发育成长后，可自尾部逆流回充，形成固定型空穴的溃灭，产生周期性循环的 过程。固定型空化的空腔长度随压力场而变，即随着压力降低，空腔长度增大。如果空 腔增长至主流尾端完全脱离边壁的状态，成为超空化。 ( 3 ) 漩涡型空化 。漩涡型空化发生于液体的漩涡中心，在螺旋桨叶梢附近的梢涡、螺旋桨的毂涡、与 导管二次流动有关的漩涡流、水翼和支架交界面的漩涡中均常出现这种空化。在高剪切 度区域水流中形成漩涡时，由于漩涡中心压力最低，而且漩涡使卷入涡心的气核可以较 长时间处于低压区中，所以漩涡中心可以首先形成空化。当足够强的剪切梯度出现在某 一区域内形成漩涡时，其涡心的绝对压力降低到液体的临界压力时就会形成漩涡空化。 漩涡空化经常发生于绕流物体后的尾流中，或淹没射流的界面上。漩涡空化可能是固定 的，也可能是游移的，如尾流中的漩涡空化就是不稳定的、多变的。 ( 4 ) 振荡型空化 振荡型空化，又称为无主流空化，其特点是一般发生在不流动的水体中，水体可经 受多次空化循环过程。在振荡空化中，造成空穴形成和溃灭的作用力是水体所受到的一 系列连续的高频压力脉动，这种高频压力脉动可以由淹没在水体中的物体表面振动形 成，也可以由专门设计的传感器造成。这种高频振动的振幅应足够大，以使局部水体中 的压力低于蒸汽压力，否则不会形成空化。 除上面讲到的分类方法外，还可以根据空化发展阶段和空穴的位置、形状等对空化 作用进行分类( 见表2 1 ) 。 9 第2 章空化作用的基本理论 表2 - 1 空化的其它分类方法 t a b l e 2 - 1o t h e rc l a s sm e t h o d so fe a v i t a t i o n 分类方式类别 空化发展阶段初生空化、附体空化、超空化 空穴位置沿界空化、分离空化 空化形状涡状、云状、片状、泡状、点状、条纹状空化 水流情况 恒定流空化、漩涡流空化 2 2 空化数 影响水中空化产生与发展的主要变量有流动边界形状、绝对压力和流速等，此外， 水流粘性、表面张力等也有一定影响，其中最基本的参数为压力与流速。在研究水流中 的空化现象时，采用空化数来表示。它是一个无量纲的参数，其物理意义是： 空化数= 糕糍 经典的空化理论把液体的饱和蒸气压视作液体发生空化的临界压强，空化数可用下 式表示： c n = 萼p 产 ( 2 - 1 ) 。“二 式中c n 空化数； p 。流场中某点的绝对压强，p a ： p ，液体的饱和蒸汽压力，p a ； p 液体的密度，埏m 3 ； 流场中某点的速度，m s 。 空化数是描述空化状态和特性的一个重要参数，它有三方面的意义： ( 1 ) 判别空化初生和衡量空化强度 当流场内最低压力达到空化核不稳定的临界压力p 。( 也称为不产生空化流动时的最 小压力) 时，空化现象就会首先在该处发生，这时的空化数称为临界空化数或初生空化 数，即： c = 黜 协2 ， 对任何流场，当c n c 蜥时不会发生空化；当c n c n 。时，则会发生空化。另一方 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 面，对于给定的流场，空化程度随( c 两一c n ) 值的增大而增加。c n 值越大，流场越不 容易空化；c n 值越小，流场越易空化。 ( 2 描述设备对空化破坏的抵抗能力 各种水力机械都有相应的c n 值，c n 值越低，说明产生空化所需的压力降越大，因 而该设备抵抗空化破坏的能力越强。 ( 3 ) 衡量不同流场空化现象的相似性 在r e 数、f r 数、w e 数等相似准数相等的情况下，当两种流动状态的空化数相等 时，则可认为其空化现象也相似。需要注意的是，当原型与模型几何相似，且f r 数及空 化数相等时，两者间不一定存在动力相似，这一现象称为“比尺效应 。这是因为影响 空化初生的因素众多，空化数本身并未包括所有的影响空化的因素在内，故当流场的比 尺改变时，这些因素的影响所表现的程度也就不同。 2 3 空泡动力学基础 2 3 1 球形空泡的静力平衡条件 首先对静止状态的孤立球形空泡( 气核) 进行分析，研究其平衡条件。假设小空泡内 只含有水蒸气，如图2 1 所示。 i 芝一 图2 1 球形空泡的静平衡 f i 9 2 - 1 s t a t i cb a l a n c eo fs p h e r a h t yb u b b l e 在忽略水中气体扩散的情况下，空泡的平衡条件为： p = p ，一百2 0 ( 2 - 3 ) 式中p 空泡周围壁上的水体压力； a 泡内的饱和蒸汽压力： r 空泡的半径： 仃水的表面张力系数。 第2 章空化作用的基本理论 显然，空泡的膨胀条件是： p p ，一2 0 r ( 2 _ 4 ) 实际上，一般空泡中除水蒸气外，还含有从周围水体扩散到泡内的原溶于水的某些 气体，此时的静力平衡方程为： p = p ，+ p 。一2 c r r ( 2 5 ) 式中p g 泡内的气体分压力 如果认为a 是常数，并且由于周围水体的热容量很大，气泡质量很小，气体由水体 向泡内扩散引起的热量不平衡很快会由周围水体调节，这样气泡内蒸汽和气体的温度可 以认为是常数。 假设r 变化的过程很慢，视为理想气体等温过程，则有： p g = p s o 圪v = p g n 醚r 3 ( 2 - 6 ) 式中p g o 、r o 、吩别为某一初始状态时的气体分压力、气泡半径和体积。 由( 2 - 4 ) 可知，初始状态时应有下列关系： p g o = p o p ，+ 2 0 i r o ( 2 7 ) 将式( 2 4 ) 代入式( 2 - 5 ) ，可以得出静力平衡条件下r 与所对应的泡外压力p 之间的 关系： p = a + ( 风一a + 2 w r o ) ( 岛r ) 3 - 2 0 i r ( 2 8 ) 2 3 2 理想球形空泡动力学 设空泡周围水体为均匀介质。下面着重研究周围水体的运动及动力特性。 先考虑最简单的情况，假设在正压缩与膨胀全过程中空泡保持球形，主要考虑惯性 作用而忽略其它因素( 粘性、压缩性等) 的影响，并且认为周围静止的不可压缩水体的运 动是由于突然作用外力而产生的。由于静止的水体是无旋的，故周围水体的运动应该是 无旋运动。即存在速度势9 ，缈应当满足l a p l a c e 方程式，t i p 窘4 - 窘+ 鲁= o c 2 劫 ! = ，= f 7 q l 良2却2 。瑟2 一v 怕 7 如果采用球面坐标，则可改写成： ，- 鲁+ 2 粤：0 ( 2 - 1 0 ) 新1铆 式中，由泡中心起至水体中某点的极距。 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 由于泡周围水体的运动为球对称，故流速为： “，= 却d r ( 2 1 1 ) 这样，式( 2 1 0 ) 可写成下列形式： 广娑+ 2 “，= 一l _ a ( 1 2 u r ) = 0 ( 2 - 1 2 ) o r，o r 故可解出： 砧，= c r 2( 2 1 3 ) 式中c 某一常数。 当，= r 时，空泡壁上水体质点的运动速度即为空泡壁的膨胀或压缩速度“，令 掰，= r ，则上式中的常数c = r 2 应。这样水体中任一点的速度为： 甜，= c r 2 = r 2 r r 2 ( 2 1 4 ) 而速度势为： 9 = 一r r 2 r ( 2 1 5 ) 由流体力学可知，有势流动中伯努利方程式的积分可以写成下列拉格朗日柯西形 式： 号+ 鲤0 t + 三2 ( 警) 2 = pk 加， _ 如果将式( 2 1 5 ) 求得的9 分别对，及，求导后代入式( 2 1 6 ) ，则可求出水体中任意点 压力的计算公式： a 口 2 r 赢2 + r 2 震 a t， 挈= 掣 ( 2 - 1 7 ) - = 一 i z - i ，j 务，2 故： 号= 半一j 1 学例 ( 2 - 1 8 ) o t二t ? 式中j 空泡壁运动的加速度( 式中座和爱是r 对时间f 的一阶、二阶导数，以下 同) 。 设在流场内，距空泡中心无限远处的压力为儿，则由式( 2 1 8 ) 可知： f ( f ) = a p ( 2 1 9 ) 将式( 2 1 9 ) 代入( 2 1 8 ) 即可得出空泡壁( ，= r ) 的运动微分方程式： r 衷+ 三友2 = 旦墨二2 生( 2 2 0 ) 1 3 第2 章空化作用的基本理论 式中 n 空泡壁处的压力。 上式即为r a y l e i g h 在1 9 1 7 年发表的空泡运动方程式。 用式( 2 - 2 0 ) 可以求出空泡周围水体内压力的瞬态分布以及空泡直径随时间的变化情 况，r a y l e i g h 假设： p 曩= p ，+ p 暑一2 a r r ( 2 - 2 1 ) 由式( 2 6 ) ：p 暑= p g o v o v = p 窖。露r 3 取r = 震7 r o ，艿= p g oi p o ，p o = 戌- p ，f = ( p o p ) 1 7 2 r r o ，y = p o c r r o 。 则式( 2 1 9 ) 可化为无量纲的r a y l e i g h 方程： r l r ” + ；j - r 一研。3 ，+ 2 叨一1 + l = 0 ( 2 - 2 2 ) 式中 疗= 鲁，狰= 警 p l e s s e t 考虑到液体的粘性对空泡运动的影响，对r a y l e i g h 方程做了进一步完善，得 到了r a y l e i g h - p l e s s e t 方程【2 9 1 ： 4 胁_ 2 3r 2 心素 ：k 萄小枷二，一等 q 。2 3 式中液体动力粘滞系数： 七无量纲常数。 需要说明的是，长久以来，研究人员采用不同的假设，得到了若干描述球形泡壁运 动的方程式，其中最为典型的有r a y l e i g h 、t r i l l i n g 和g i l m o r e 三种方程。上