吳國忠, 邢永強(qiáng), 呂　妍, 齊晗兵, 李　棟

(1. 東北石油大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院, 黑龍江 大慶　163318;2. 大慶石化公司 信息技術(shù)中心, 黑龍江 大慶　163318)

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多孔介質(zhì)內(nèi)油水流動(dòng)阻力系數(shù)實(shí)驗(yàn)分析

吳國忠1, 邢永強(qiáng)1, 呂妍2, 齊晗兵1, 李棟1

(1. 東北石油大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院, 黑龍江 大慶163318;2. 大慶石化公司 信息技術(shù)中心, 黑龍江 大慶163318)

基于多孔介質(zhì)油水遷移的阻力系數(shù)測量裝置,以水和油為工質(zhì),測量了其在近似均勻、混合粒徑玻璃球通道內(nèi)的流動(dòng)阻力特性,并擬合了速度-壓降的曲線關(guān)系表達(dá)式,計(jì)算得到了黏性、慣性阻力系數(shù)。研究結(jié)果表明:單相介質(zhì)在通過均勻粒徑多孔介質(zhì)區(qū)域時(shí)受到的慣性阻力影響比通過混合粒徑時(shí)受到的慣性阻力影響明顯??；黏性阻力影響比通過混合粒徑時(shí)受到的黏性阻力影響明顯大;多相介質(zhì)在通過均勻粒徑多孔介質(zhì)區(qū)域時(shí)受到的慣性、黏性阻力影響均比通過混合粒徑時(shí)小;在粒徑條件相同時(shí),單相介質(zhì)受到的慣性阻力影響明顯比多相介質(zhì)小,其黏性阻力影響明顯比多相介質(zhì)大。

多孔介質(zhì)； 油水遷移； 阻力系數(shù)實(shí)驗(yàn)

在研究輸油管道泄漏污染物遷移、油田驅(qū)油過程、污染土壤沖洗修復(fù)等問題時(shí),液體在土壤、砂石、地層等多孔介質(zhì)中的遷移特性是進(jìn)行相關(guān)研究的基礎(chǔ)[1-3],液體在多孔介質(zhì)流動(dòng)的黏性阻力系數(shù)和慣性阻力系數(shù)是進(jìn)行其遷移特性數(shù)值分析的關(guān)鍵參數(shù)。

目前,很多學(xué)者已對(duì)多孔介質(zhì)中的阻力系數(shù)進(jìn)行了研究[4-7],并提出了相應(yīng)的計(jì)算模型。劉雙科等[8]發(fā)展了彎曲流道的顆粒堆積型多孔介質(zhì)內(nèi)流體流動(dòng)的毛細(xì)管束模型,分析了低雷諾數(shù)、低孔隙率范圍內(nèi)顆粒多孔介質(zhì)滲透率、阻力特性；劉學(xué)強(qiáng)等[9]通過實(shí)驗(yàn)研究高雷諾數(shù)條件下多孔介質(zhì)內(nèi)單相流阻力特性,獲得了相應(yīng)的阻力關(guān)系式；于立章等[10]應(yīng)用相似理論減小多孔介質(zhì)通道的尺寸,建立顆粒填充多孔介質(zhì)的通道模型,對(duì)模型中的單相水絕熱流動(dòng)阻力特性進(jìn)行了數(shù)值模擬。張楠和孫中寧[11]以水和空氣為工質(zhì),用玻璃球模擬多孔介質(zhì)對(duì)氣-液兩相流動(dòng)阻力特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究；楊曉明等[12]通過高速攝影儀研究多孔介質(zhì)通道內(nèi)氣液兩相流體垂直向上流動(dòng)的流型,對(duì)分相模型阻力關(guān)系式和均相模型阻力關(guān)系式進(jìn)行了擬合；竇智等[13]利用標(biāo)準(zhǔn)砂，及純凈水、汽油組成多孔介質(zhì)油水兩相系統(tǒng),測定了相對(duì)滲透率與飽和度的關(guān)系曲線；施小清等[14]基于地下水隨機(jī)理論構(gòu)建滲透率隨機(jī)場,采用蒙特卡羅方法探討了泄露速度對(duì)非均質(zhì)飽和介質(zhì)中重非水相污染物運(yùn)移的影響。上述文獻(xiàn)表明,多孔介質(zhì)內(nèi)流動(dòng)介質(zhì)對(duì)其阻力特性影響顯著,而目前關(guān)于顆粒多孔介質(zhì)內(nèi)油水阻力系數(shù)研究甚少。

本文以輸油管道泄漏油水污染物在顆粒多孔介質(zhì)內(nèi)流動(dòng)阻力特性為研究背景,以油水為實(shí)驗(yàn)工質(zhì),設(shè)計(jì)了多孔介質(zhì)油水遷移的阻力系數(shù)測量裝置,測量了其在顆粒多孔介質(zhì)通道內(nèi)的流動(dòng)阻力特性,擬合了其速度-壓降表達(dá)式,得到了其黏性和慣性阻力系數(shù)。

1　實(shí)驗(yàn)方法

圖1為實(shí)驗(yàn)裝置示意圖,該裝置由進(jìn)液管段、實(shí)驗(yàn)管段、循環(huán)液體管段、固定支撐托架等部分組成。實(shí)驗(yàn)測量管段由長度1 500 mm、內(nèi)徑50 mm的不銹鋼管制成,水平安裝在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上。實(shí)驗(yàn)段內(nèi)可填充直徑為0.8～0.9 mm的均勻粒徑玻璃球，或直徑為0.8～0.9 mm與0.9～1.18 mm、按照體積比1:1混合的混合粒徑玻璃球,形成不同粒徑參數(shù)的多孔介質(zhì)通道。實(shí)驗(yàn)段內(nèi)安裝不銹鋼隔離篩網(wǎng)防止玻璃球流出。實(shí)驗(yàn)工質(zhì)為水和油,其中油是32#白油,油水體積比為1∶2。室溫時(shí)32#白油密度小于水,油水混合時(shí)會(huì)發(fā)生分層現(xiàn)象,加熱溫度至60 ℃時(shí)呈現(xiàn)良好的混合狀態(tài),適合實(shí)驗(yàn)操作,因此實(shí)驗(yàn)溫度控制在60 ℃。

實(shí)驗(yàn)工質(zhì)由入液管進(jìn)入儲(chǔ)液罐,經(jīng)加熱和攪拌到一定溫度后,由泵將其從儲(chǔ)液罐抽進(jìn)實(shí)驗(yàn)測量管段,然后實(shí)驗(yàn)工質(zhì)經(jīng)循環(huán)管回到儲(chǔ)液罐。介質(zhì)壓降通過差壓變送器測量,流量由流量變送器測量,由壓降和流量關(guān)系確定多孔介質(zhì)內(nèi)油水遷移的黏性阻力系數(shù)和慣性阻力系數(shù)。

圖1　實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

實(shí)驗(yàn)管段中多孔介質(zhì)內(nèi)流體的流速和壓降滿足一定的聯(lián)系,其速度-壓降關(guān)系表達(dá)式如下[15-16]:

ΔP=Av+Bv2

(1)

式中,A與B為擬合系數(shù)；ΔP為壓降,Pa；v為流速,m/s。

通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定A與B,然后可得到實(shí)驗(yàn)管段中多孔介質(zhì)內(nèi)流體的黏性阻力系數(shù)和慣性阻力系數(shù),其計(jì)算公式為：

(2)

(3)

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

圖2為在均勻粒徑和混合粒徑條件下水通過實(shí)驗(yàn)管段的速度-壓降數(shù)據(jù)及其擬合結(jié)果。由圖2可見：保證通道入口流速相同時(shí),單相介質(zhì)水通過均勻粒徑多孔介質(zhì)實(shí)驗(yàn)管段的壓降大于混合粒徑,而且隨著通道入口流速增加,這種趨勢更加明顯；當(dāng)流速超過0.04 m/s時(shí),實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)明顯偏離擬合曲線,說明速度-壓降關(guān)系表達(dá)式中的慣性項(xiàng)發(fā)揮了顯著的作用。

圖2　單相介質(zhì)的速度-壓降曲線

圖3為多相介質(zhì)的速度-壓降曲線。由圖3可見,保證通道入口流速相同時(shí),多相介質(zhì)油水通過均勻粒徑多孔介質(zhì)實(shí)驗(yàn)管段的壓降小于混合粒徑,而且通道入口流速增加其趨勢更明顯；但當(dāng)流速超過0.0 4m/s時(shí),實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)偏離擬合曲線優(yōu)于單相介質(zhì),從而說明油的黏性系數(shù)在通過多孔介質(zhì)實(shí)驗(yàn)管段時(shí)影響很大。由圖2和圖3可知：均勻粒徑相同流速時(shí),單相介質(zhì)水通過多孔介質(zhì)實(shí)驗(yàn)管段的壓降大于油水多相介質(zhì)；而在混合粒徑相同流速時(shí),單相介質(zhì)水通過多孔介質(zhì)實(shí)驗(yàn)管段的壓降小于油水多相介質(zhì)。

圖3　多相介質(zhì)的速度-壓降曲線

根據(jù)圖2和圖3中速度-壓降的擬合曲線確定A與B,通過方程(2)和方程(3)得到的多孔介質(zhì)內(nèi)流體的黏性阻力系數(shù)和慣性阻力系數(shù)的計(jì)算結(jié)果見表1(表中r為擬合度)。

表1　油水在多孔介質(zhì)中的阻力系數(shù)

可見：均勻粒徑時(shí)水的慣性阻力系數(shù)比油水小2.66%,而黏性阻力系數(shù)比油水大；混合粒徑時(shí)水的慣性阻力系數(shù)比油水小40.32%,而黏性阻力系數(shù)比油水大；水在通過均勻粒徑時(shí)的黏性阻力系數(shù)比通過混合粒徑時(shí)大,而慣性阻力系數(shù)比通過混合粒徑時(shí)小16.62%；油水通過均勻粒徑時(shí)的黏性阻力系數(shù)比通過混合粒徑時(shí)小24.32%,而慣性阻力系數(shù)比通過混合粒徑時(shí)小47.25%。

3　結(jié)論

研究采用玻璃球模擬多孔介質(zhì)區(qū)域,基于多孔介質(zhì)油水遷移的阻力系數(shù)測量裝置,分別以水為單相介質(zhì)和以水-白油32#兩相介質(zhì)作為為工質(zhì),測量了其在近似均勻、混合粒徑玻璃球通道內(nèi)的流動(dòng)阻力特性。通過擬合速度-壓降的曲線關(guān)系表達(dá)式對(duì)油水流動(dòng)的阻力系數(shù)進(jìn)行計(jì)算和分析,得到如下結(jié)論:

(1) 單相介質(zhì)在通過均勻粒徑時(shí)受到的慣性阻力比通過混合粒徑時(shí)小,而受到的黏性阻力比通過混合粒徑時(shí)大；

(2) 多相介質(zhì)在通過均勻粒徑時(shí)受到的慣性阻力和黏性阻力均比通過混合粒徑時(shí)?。?/p>

(3) 粒徑相同時(shí),單相介質(zhì)受到的慣性阻力比多相介質(zhì)小,而受到的黏性阻力影響比多相介質(zhì)大。

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Experimental analysis of resistance coefficient of oil and water flow in porous media

Wu Guozhong1, Xing Yongqiang1, Lü Yan2, Qi Hanbing1, Li Dong1

(1. School of Civil Engineering and Architecture, Northeast Petroleum University,Daqing 163318,China;2. Information Technology Center, Daqing Petrochemical Company, Daqing 163318,China)

Based on resistance coefficient measuring device of oil and water migration in porous medium,taking water and oil as working fluid, the resistance characteristics of water and oil flow in homogeneous approximation and mixed grain particle size glass ball channel were measured,and the velocity and pressure drop curve expression was calculated,and then viscous and inertia resistance coefficients of water and oil flow in glass ball were established. The results show that the inertia resistance of single phase medium is significantly smaller than that by mixing particle size,and the effect of viscous drag is larger than that by mixing particle size. The inertia and viscous drag of multiphase medium through uniform particle size porous media region are less than those with the mixed size. Under the same particle diameter,the inertial resistance effect of multiphase medium is obviously more than that of single-phase medium,but its viscous resistance is weak compared with single-phase medium.

porous media; oil-water migration; resistance coefficient experiment

10.16791/j.cnki.sjg.2016.10.010

實(shí)驗(yàn)技術(shù)與方法

2016-04-01修改日期：2016-07-06

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51274071)；中國石油科技創(chuàng)新基金研究項(xiàng)目(2015D-5006-0605)

吳國忠(1961—)，男，黑龍江林口，博士，教授，主要從事傳熱傳質(zhì)專業(yè)方向的研究E-mail：lidonglvyan@126.com

齊晗兵(1975—)，男，黑龍江齊齊哈爾，博士，教授，主要從事埋地管道泄漏檢測及三元廢水處理等方向的研究.E-mail：qihanbing@sina.com

O357.3

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1002-4956(2016)10-0034-04