Экспериментальное исследование истечения газожидкостной струи через слой жидкости Иванников Антон Викторович

Описание экспериментальной установки

Истечение газожидкостной струи с массовым расходом Qm через слой жидкости характеризуется следующими размерными параметрами (рис. 2.1): высотой #б и размерами основания газожидкостного бугра D6 и D62 , размерами сечения газожидкостной струи у свободной поверхности d„ и о?ст2 (в случае осесимметричного основания )б = D62 и d„ = d„2); толщиной слоя жидкости над соплом Яс; характерным размером отверстия сопла 8; плотностью газа на срезе сопла ро и плотностью жидкости pL; динамическими коэффициентами вязкости газа JLIQ И ЖИДКОСТИ \IL; поверхностным натяжением между жидкостью и газом а; ускорением свободного падения g. Если истечение газа происходит в слой жидкости, обладающей неньютоновскими свойствами, то к перечисленным выше величинам нужно добавить параметры, учитывающие эти свойства. Например, если жидкость обладает свойствами вязкопластической жидкости, то к размерным параметрам добавляется предельное напряжение сдвига То. В случае истечения наклонной струи газа добавляется угол наклона сопла к вертикали а, а также длина газожидкостной струи, отсчитываемая вдоль средней линии струи LCT. Таким образом, функциональная зависимость выглядит как AQm, Нб, #с, б, Д 2, dn, іст2, 5, Іст, PG, Рь P-G, Q, a, g, a) = 0, (2.1) где Cj-реологические параметры жидкости.

Для ньютоновской жидкости реологическим параметром является только (і = 1) динамический коэффициент вязкости [iL, то есть С\ = fiL- Для вязкопластической жидкости реологическими параметрами являются предельное напряжение сдвига То и пластический коэффициент вязкости \xL (і = 2), то есть С\ = То и Сг = Д-L- Степенная жидкость характеризуется параметрами консистенции k, п (і = 2), то есть С\ = к, С2 - п. Для обобщённой (гершелевской) модели неньютоновской жидкости количество реологических параметров равняется трём: С\ - То, Сг = к, С3 = п. Следует заметить, что при п- 1 гершелевская модель переходит в вязкопластическую модель, при Хо-»0 и п 1 в модель для степенной жидкости, а при Хо-»0 и п-»1в модель для ньютоновской жидкости. Жидкости с более сложной реологией могут иметь количество параметров больше трёх.

Рассмотрим истечение вертикальной воздушной струи в слой ньютоновской жидкости (вода). В этом случае длина струи равняется толщине слоя жидкости 1ст = #с, угол наклона сопла к вертикали а=0. Показатель степени п = 1. Предельное напряжение сдвига т0 = 0, следовательно, число Хедстрема тоже равно нулю. Предположим, что плотности воздуха и воды, а также их вязкости при истечении струи в слой воды не изменяются и числа Рейнольдса и Вебера не оказывают значимого влияния. Тогда выражение (2.3), разрешённое относительно числа Фруда, примет вид [34,42] Fr = /(яб,ЯсДДт) (2.7) При истечении наклонной (с углом наклона а Ф 0) струи воздуха в слой воды, выражение (2.3) примет вид: Fr = /( б ДА АгДт стгЛт ) (2-8) Если зависимость (2.3) - (2.8) установлены, то они позволяют определить безразмерный расход по известным безразмерным геометрическим параметрам бугра при истечении газа через слой ньютоновской или неньютоновской жидкости.

Для получения зависимостей (2.5) отражающих связь параметров процесса истечения газожидкостной газовой струи через слой жидкости с образованием газожидкостного бугра на её поверхности на кафедре нефтегазовой и подземной гидромеханики РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина создана экспериментальная установка.

Схема экспериментальной установки показана на рис. 2.2. Экспериментальная установка [36, 38]состоит из бака 1 (350x400x300 мм), сделанного из прозрачного органического стекла, который заполняется жидкостью до некоторого уровня. Опыты проводились с водопроводной водой и водным раствором полимера. Сменные сопла с нужными размерами и формами отверстий при помощи резьбового соединения устанавливались на держателе 2, который представляет собой цилиндрический винипластовый корпус с резьбовыми отверстиями для установки сопла и подводящей трубки 15 со сжатым воздухом. Положение держателя сопла можно было изменять по отношению к свободной поверхности жидкости, как по высоте, так и по углу наклона. Для этого держатель сопла крепился к Г-образной штанге 13, которая находится в направляющем элементе 14, закреплённом на стенке бака, и при помощи фиксирующих винтов устанавливается на определённой высоте. На этом же блоке была установлена линейка, по которой перемещался указатель глубины погружения укреплённый на штанге. Угол наклона сопл можно было менять поворотом держателя в месте крепежа к штанге. Сжатый воздух подавался к соплу от компрессора 3 через гибкую трубку, подсоединённую к держателю 2. Для сглаживания пульсаций параметров сжатого воздуха, после компрессора был установлен ресивер 4 объёмом 40 литров, давление в котором регулировалось краном 5 и измерялось при помощи образцового манометра класса точности 0,4 с пределом измерения 4 кгс/см .

Результаты опытов по изучению геометрических параметров газожидкостного бугра при истечении горизонтальной струи в слой жидкости из круглых отверстий

Также была получена приближённая связь безразмерного радиуса бугра с радиусом газожидкостной струи, измерявшимся у свободной поверхности жидкости б 1,94-гст. (3.9)

Непосредственно на промыслах при оценке аварийного расхода площадь отверстия, из которого происходит выброс газа, может быть неизвестна, тогда использование (3.3) или (3.4) становится затруднительным. Поэтому, для нахождения массового расхода и дополнительно площади отверстия, из которого происходит истечение струи, следует решить совместно уравнения (3.3) и (3.7) или (3.4) и (3.8).

В ходе проведения экспериментов для определённых расходов измерялась не только высота бугра на оси сопла, но и высоты бугра на некоторых расстояниях от оси. Экспериментальные данные были обработаны в безразмерных переменных Z/HQ И y/R и была получена зависимость, описывающая профиль границы газожидкостного бугра для круглых отверстий

В работе [34] была получена зависимость только между геометрическими параметрами бугра и толщиной слоя жидкости. Получим аналогичную зависимость. Обработка экспериментальных данных в безразмерных переменных RQ/HC И Нб/Нс дала возможность получить следующую формулу: (3.12) где А = 0,493; В = 0,404 - для щелей и А = 0,505; В = 0,475 - для круглых отверстий. Экспериментальные данные для высоты бугра на оси и его полуширины, отнесённые к толщине слоя жидкости, а также график зависимости (3.8) представлены на рис. 3.15 и 3.16.

Измерения концентрации жидкости [37] в газожидкостном бугре проводились по методике описанной в главе 2. Измерения проведены при истечении вертикальной газожидкостной струи из круглого отверстия диаметром 1,3 мм при толщине слоя жидкости ПО мм для нескольких значений расходов. На рис. 3.17 представлен график зависимости концентрации жидкости cpL от безразмерной вертикальной координаты z , отсчитываемой от свободной поверхности для безразмерной толщины слоя Яс = 95,7.

В данной главе приводятся результаты опытов [32, 40, 44] по изучению внедрения горизонтальной газожидкостной струи в слой ньютоновской жидкости (водопроводная вода). Опыты проводились с использованием круглых отверстий диаметрами 0,5 мм и 1,3 мм. Толщина слоя жидкости над соплом изменялась в пределах от 15 до ПО мм. На рис. 3.17 - 3.23 представлены фотографии горизонтальной газожидкостной струи.

Как видно из рис. 3.17 - 3.23 структура горизонтальной струи от выхода из сопла и, кончая выходом из слоя жидкости, отличается от структуры газожидкостной вертикальной струи. Наблюдается разнообразие режимов распространения струи в слой жидкости до её выхода на свободную поверхность. На горизонтальную струю оказывают значительное влияние силы плавучести, за счёт чего траектория струи отклоняется от горизонтальной оси, и когда энергия струи становится меньше энергии подъёмных сил, струя распадается на отдельные пузырьки, то есть образуется пузырьковый шлейф. Длина внедрения струи Z.BH возрастает при увеличении расхода газа. При малых расходах (рис. 3.17 и 3.21) длина внедрения определяется как длина пузыря, образующегося на выходе из сопла. Для мелкой воды струя является сплошной пузырьковой, а форма газожидкостного бугра является несимметричной относительно центральной линии струи длиной Lc, с последующим образованием волн, передвигающихся в сторону от сопла. Ширина струи d больше ширины струи JCT2 по отношению вида спереди. Таким образом, формы сечений струи на выходе из воды и бугра имеют вид эллипсоидов. То есть, при горизонтальном истечении большой диаметр эллипсоида больше диаметра бугра при вертикальном истечении.

При проведении экспериментов, фотографии, части которых показаны на рис. 3.17-3.23, параметры горизонтальной струи (длину внедрения Lm, ширину струи под поверхностью жидкости d„ (вид сбоку), d„2 (вид спереди) и расстояние от сопла до центра шлейфа 10) определяли при помощи фотосъёмки. Высота газожидкостного бугра измерялась электронной линейкой. В процессе эксперимента объёмные расходы изменялись в пределах от 0,31-10-4 до 5,46-Ю"4 м3/с, а избыточные давления перед отверстием - от 3,92 до 294,3 кПа. Полученные экспериментальные данные для горизонтальной струи приведены в таблице 3.7 для отверстия с диаметром 0,5 мм и таблице 3.8 для отверстия- 1,3 мм.

Сравнение результатов экспериментального исследования газожидкостного бугра с опытными данными других авторов

Рассмотрим сечение струи у свободной поверхности с радиусом r j. Это сечение, согласно модели истечения, является частью основания газожидкостного бугра (рис. 2.1). Тогда, в этом сечении струи осевую скорость можно представить в виде то есть скорость газа равна скорости жидкости и при ku = 1 эта формула максимального поднятия свободной жидкой частицы в поле силы тяжести с начальной скоростью и. Коэффициент ku учитывает максимальную скорость поднятия частицы на оси струи при совместном движении с газом.

Подставляя соотношение (3.30) в (3.29) и разрешая полученное выражение относительно высоты газожидкостного бугра, получаем явную формулу для её нахождения

Конкретное значение интеграла (3.32), которое является постоянной величиной, в общем случае можно получить только применяя численные методы. Численным методам расчёта газожидкостного бугра посвящена, например, работа [111].

Теплицкий И.С. [61] при вычислении интеграла (3.32) использовал не указанную экспоненциальную зависимость, а степенную [60], коэффициент 109 ku отсутствовал, то есть был равен единице. При этих условиях для значений массовой концентрации газа Хст 0,1 им была получена приближённая оценка интеграла (3.32), совпадающая с [60] /(xGm)«0,13. (3.33) В результате, Теплицкий И.С. получил формулу для определения дебита газа по размерам газожидкостного бугра, которую можно разрешить относительно высоты бугра и представить в безразмерном виде Fr Яб = 0,75_2 _4. Как показали авторы работы [42], что также подтверждается Р R представленными опытами в диссертации, расчёты по указанной формуле дают сильно заниженные значения высоты бугра.

Однако, чтобы получать точные значения интеграла следует знать зависимость для определения объёмных концентраций газа на оси струи. Одна из таких зависимостей приведена в работе [120], которая является ограниченной в применении, так как получена на основе экспериментов только при одной толщине слоя жидкости

Формула (3.34) даёт значение объёмной концентрации газа на оси, тогда как в подынтегральное выражение (3.32) входит массовая концентрация газа на оси. Разрешая выражение (3.27) относительно объёмной концентрации газа на оси и подставляя полученную зависимость в (3.32) найдём Рь-РсФСт

Теперь можно получить зависимость высоты газожидкостного бугра от расхода. Для этого по известному расходу можно рассчитать число Фруда, а затем объёмную концентрацию на оси, например, по формуле (3.34) при z = Нс. Затем, подставляя найденное значение объёмной концентрации на оси в подынтегральное выражение (3.35), численно можно найти значение интеграла. Подставляя полученное значение интеграла в (3.31) можно определить высоту газожидкостного бугра.

Если нужно найти расход по известной высоте газожидкостного бугра по формуле (3.31), то требуется применение итерационного метода, так как формула (3.31) является неявным выражением относительно расхода. Поэтому можно рассчитать расход по высоте бугра графическим методом. По формуле (3.31) построить зависимость Н& = Яб(0 и затем найти по построенному графику с необходимой точностью расход.

Формула (3.23) справедлива как для вертикальных, так и горизонтальных струй, а также при истечении струи в неньютоновские жидкости. Для этого следует знать распределения скоростей и концентраций по сечению струй в указанных случаях, которые не имеются в литературе и требуют отдельного исследования. Если при горизонтальном внедрении газовой струи эллипсоидная форма бугра не сильно отличается от окружности, а при внедрении в неньютоновскую жидкость скорости на оси струи не сильно отличаются от профилей скорости и концентрации зависимостей (3.25 - 3.26), то формулу (3.31) можно записать в виде кэ - поправочные коэффициенты на эллипсоидность сечения пузырькового шлейфа у свободной поверхности при истечении в жидкость горизонтальной струи; кп - на отличие осевой скорости на оси струи неньютоновской жидкости или пузырькового шлейфа у свободной поверхности; кф - поправка на концентрации.

Таким образом, проведённое сопоставление результатов опытов автора диссертации с имеющимися данными в литературе подтверждают правильность проведённых экспериментов. Разобраны разные подходы к экспериментального получения зависимостей для высоты газожидкостного бугра от параметров истечения вертикальных и наклонных газожидкостных струй в ньютоновские и неньютоновские жидкости.

Сравнение полученных экспериментальных данных при истечении газа через слой ньютоновской жидкости с данными истечения газа через слой неньютоновской жидкости

В настоящее время в России эксплуатируется разветвлённая сеть магистральных, промысловых и морских газопроводов. При строительстве газопроводов приходится сооружать переходы через различные водные препятствия, такие как реки, озёра, водохранилища и болота. Для транспортировки добытого на шельфе газа на береговой приёмный пункт, строятся подводные морские газопроводы. При эксплуатации подводных переходов и морских газопроводов, а также при бурении газовых скважин на море могут возникать аварии, сопровождающиеся выбросом значительных объёмов газа. В ходе таких аварий при истечении газа в слой жидкости возникает газожидкостная струя, а на свободной поверхности водоёма возникает газожидкостный бугор. Другой пример - открытое фонтанирование скважины на суше, когда на устье образуется кратер, заполненный смесью бурового раствора и пластового флюида или при истечении газа через слой жидкости, находящейся в кратере грифона. По данным базы SINTEF [92] в период с 1970 по 1995 годы зафиксировано 320 выбросов газа и нефти при бурении и разработке месторождений в Мексиканском Заливе, Северном море и других континентальных шельфах. Крупные выбросы газа происходили в 1976 г. Fateh Field (Dubai), в 1985 г. Haltenbanken (Norway) и в 1990 г. на морском побережье Кореи. Выбросы газа представляют серьёзную опасность для морских нефтегазовых сооружений и их персонала, прибрежной инфраструктуры, судоходства, и наносят значительный ущерб окружающей среде. Для оценки последствий аварий и их успешной ликвидации необходимо знать законы распространения струй под поверхностью жидкости и их взаимодействие с ней. Таким образом, тема диссертации является актуальной и представляет большой практический интерес.

Целью работы является экспериментальное получение зависимостей для расчёта размеров газожидкостного бугра от расхода газа при истечении вертикальной или горизонтальной газовой струи через слой ньютоновской или неньютоновской жидкости.

Основные задачи исследования 1. Создание экспериментальной установки для изучения истечения газовой струи через слой ньютоновской или неньютоновской жидкости и разработка методики проведения опытов. 2. Измерение размеров газожидкостного бугра при истечении вертикальной или горизонтальной газовой струи через слой жидкости. 3. Получение расчётных зависимостей связывающих размеры газожидкостного бугра с параметрами истечения газа. 4. Сопоставление полученных результатов экспериментов с данными опытов других авторов. Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций

Для решения поставленных задач использована теория размерности с целью выявления основных параметров, влияющих на размеры газожидкостного бугра от параметров истечения газа в слой жидкости. Измерения проводились с помощью приборов научного назначения. Научные положения и выводы подтверждены как результатами собственных экспериментов, так и результатами работ других авторов. Результаты работы докладывались на восьми Всероссийских и научно-технических конференциях.

Научная новизна Разработана оригинальная методика экспериментальных измерений размеров газожидкостного бугра. Впервые установлены зависимости для расчёта геометрических параметров бугра, возникшего в результате истечения вертикальной или горизонтальной струи через слой ньютоновской или неньютоновской жидкости.

1. Установлена экспериментальная зависимость размеров газожидкостного бугра, образующегося на поверхности слоя при истечении вертикальной газовой струи через слой ньютоновской жидкости, в диапазоне безразмерных чисел Фруда, Рейнольдса, Вебера и толщин слоя: l,2 ;Fr 170; 6200s Res41600; 160 . We ; 1900; 40 k Hc . 320, соответственно. Указанные диапазоны безразмерных параметров шире по сравнению с диапазонами измерений в опытах проведённых другими авторами.

2. Впервые установлены экспериментальные зависимости для расчётов размеров газожидкостного бугра, образующегося на свободной поверхности, от параметров истечения горизонтальной газовой струи в слой ньютоновской жидкости, а также для вертикальной струи при истечении через слой неньютоновской жидкости.

3. Получена эмпирическая зависимость для определения расстояния от среза сопла до центра газожидкостного шлейфа, образующегося при истечении горизонтальной газовой струи в слой ньютоновской жидкости. 4. Разработан и реализован новый способ измерения размеров газожидкостного бугра.

Похожие диссертации на Экспериментальное исследование истечения газожидкостной струи через слой жидкости

Экспериментальное исследование вибрационной динамики центрифугированного слоя жидкости во вращающемся цилиндреПолежаев Денис Александрович

Экспериментальное исследование конвективных когерентных структур в горизонтальном слое жидкости, подогреваемом снизу и вращающемся относительно вертикальной осиХаджимуса Мохаммадали

Экспериментальное исследование структуры конвективных течений во вращающихся слоях жидкостиБаталов Владимир Геннадьевич

Исследование условий развития вихревых движений и тепловой конвекции в горизонтальном слое жидкости с электрически заряженной свободной поверхностьюКозин, Александр Васильевич

Численное исследование динамики парового слоя вокруг горячей частицы и распространение волн сжатия в жидкости с дробящимися пузырьками Санников Иван Николаевич

Исследование влияния вибрации на возникновение термокапиллярной конвекции и внутренних волн в слоях несмешивающихся жидкостейНовосядлый Василий Александрович

Теоретическое исследование влияния термо- и концентрационно-капиллярных эффектов на динамику тонкого слоя испаряющейся полярной жидкостиГордеева Варвара Юрьевна

Динамика структур и вихрей в осциллирующих тонких слоях жидкости Кияшко Сергей Васильевич

Гидродинамические характеристики термокапиллярного вихря в тонком слое жидкости на твердой подложкеФлягин Виктор Михайлович

Тепловая и концентрационная конвекция Марангони в тонких слоях жидкостиЗуев Андрей Леонидович