刘 欢,徐素国,梁卫国

(太原理工大学 采矿工艺研究所,太原 030024)

盐穴储气库建腔期边界区域流场的模化实验研究

刘 欢,徐素国,梁卫国

(太原理工大学 采矿工艺研究所,太原 030024)

为了解盐穴储气库建腔阶段中心管、外管循环流体所产生的对流扩散运动对盐腔壁区域流场速度的影响,运用相似模化原理建立了相似模型,采用粒子图像测速系统(PIV)和Fluent数值模拟软件，对不同条件下建腔阶段的边界附近流场进行测试与数值模拟。结果表明,正循环下,底部边界受到的流体对流扩散的影响要大于侧壁边界,在本模型中对距离盐腔侧壁边界0.2 m区域内流场速度影响非常小;反循环下,随外管的提升,对流扩散的主要影响区域发生变化,并且边界区域流体速度也随对流扩散的主要影响区域而变化;在反循环下,缩短外管长度和增大流量都会使得边界区域流体速度增大,但两者主要影响的边界区域范围有所不同。数值模拟和实验得出的结论吻合度较高。本实验结果对提高盐穴储气库建腔效率有一定的参考价值。

盐穴储气库;流场;边界区域;PIV测试;Fluent数值模拟

盐穴储气库水溶造腔是利用盐岩极易溶于水的性质,根据水溶采矿的原理[1-2]在地层沉积盐丘或盐岩层中,采用人工控制溶盐方式采出卤水,形成存储天然气的地下空间设施。目前，主要采用的是油垫法水溶造腔,即利用油水互不相容,以及油密度小和油不溶解矿物的特性,实现对腔体形态和体积的控制[3]。因此,了解盐穴储气库造腔阶段腔内流体的运移对储气库建造必不可少[4-5]。特别是边界区域流场的运移，因为在实际的建腔工程中,在采用一定的流量、外管长度和循环方式时,需要了解这种情况下,地下腔内流体受迫作对流扩散运动所波及或影响的最大范围,其是否会带动边界处流体的运动和提高边界流体的流速？如果没有影响到边界处流体,造腔相当于静态溶解的速度,不能实现高效建腔的目的；如果影响到边界处流体,使边界处流体流速增大,就会加快盐岩边界的溶蚀,缩短建腔周期,提高建腔效益。因此,了解边界流场是否受到强迫对流扩散的影响，如何提高边界区域流体速度，对实际工程有着重要的意义。

由于地下空腔内的情况我们无法直接观测，所以笔者以相似理论为基础，采用模化方法建立了能够反映储气库腔体物理本质的简化模型，定量研究边界区域流场是否受到影响。在建立相似模型后,依据建造的模型进行模化实验研究,对粒子图像测速系统(PIV)[6-7]输出的图形进行定量分析,并结合Fluent软件对实验进行数值模拟，对比分析了两者结果。

1 模化实验理论的建立

盐岩水溶造腔的过程是一个复杂的流体动力学和化学动力学过程[8]，因此要对实物进行简化。由于盐岩溶蚀的时间比较长,通过模型获取的流场状态相当于原型盐岩溶蚀腔体的一瞬间,所以忽略边界溶蚀反应,忽略温度差的影响,认为恒温腔体；把盐岩水溶造腔简化为溶质在溶剂的流动体系中的输运过程,最后将流体的运动视为黏性不可压缩流体的稳定等温运动。

无论采用何种相似准则,长度比尺的选择是最基本的,这里取几何比尺为

(1)

式中：lp为原型长度；lm为模型长度。

运用模化理论知识[9]推导模型应满足相似准则,得出

Eu=f(Re) .

(2)

式中：Eu为欧拉数；Re为雷诺数。

相似模型应该依据欧拉准则建立,由式(2)可知，雷诺数是欧拉数的自变量,因此只需求得实物与模型雷诺数相等。若实物的雷诺数进入自模区[10],只需两者雷诺数的大小处于同一数量级即可达到流动状态相似。这样，我们就可以根据两者雷诺数之间的关系来确定模型腔体尺寸、套管尺寸和流量大小，以及根据当量粗糙度选择套管材料。

2 模化实验研究

以某一盐穴储气库为背景,已建成的腔体最大的直径为70 m,高为140 m,将其近似为圆柱体。

2.1 相似模型的建立

依据模化实验理论建立圆柱体模型,其参数如表1所示。为降低圆柱体曲面对PIV实验观测的影响,在圆柱曲面外相隔2 cm处建造一个平面,圆柱体曲面与平面间可以注入与圆柱体内相同的液体。

表1 圆柱体实验模型参数

2.2 实验装置及材料

为了研究模型中边界流场是否受到强迫对流扩散的影响与强弱，本实验采用丹麦生产的丹迪牌粒子图像测速系统(PIV)观测与分析相似模型在实验条件下产生的流场。实验材料以荧光粉作为示踪粒子;另外由于浓度梯度变化引起扩散作用,因此要考虑扩散作用对边界流体速度和运移的影响,向模型中加入工业盐,加盐量为10 g/L。在进行PIV实验前,对模型做了流场示踪剂的实验,目的是观察流场的运移情况,对整个腔体的流场有概括性了解,以方便确定PIV实验的观测区域。

2.3 实验方案设计

在工程实际中,建造盐穴腔体初期普遍采用正循环,之后采用反循环。且反循环建腔的时间占腔体建造完成时间的绝大部分,在此期间外管的长度变化次数也最多。因此，实验中正循环采用一个外管长0.8 m和两种流量的条件,反循环采用外管长0.6，0.4,0.2 m和两个流量的条件。

1) 正循环流量选择为400，600 L/h；中心管长度0.9 m,外管长度0.8 m。反循环流量选择800，1 000 L/h两流量下各测试3组实验：第一组中心管长度0.9 m,外管长度0.6 m；第二组中心管长度0.9 m,外管长度0.4 m；第三组中心管长度0.9 m,外管长度0.2 m。

2) 确定观测区。实验前,先对该模型做示踪剂观测流体运移的实验,了解流体的运动规律,以便确定PIV实验观测区的位置。确定正循环条件下观测区域选择为图1中的A区域；在不同组反循环条件下观测区域选择图2中B，C，D区。这4个观测区域的尺寸都是0.2 m×0.2 m,在PIV系统Dynamic Studio软件中标定相同的尺寸。

图1 正循环观测区 图2 反循环观测区

3) 在每个观测区中选定如图3所示9个点,定量分析观测区内速度大小。在PIV系统软件中显示各观测区流场运动的矢量图,根据实验前标定的尺寸确定各点在矢量图中的坐标,鼠标拾取各观测区内点的坐标即得各观测点的速度,记录各点的x和y方向的速度大小,绘制各点合速度变化图。

图3 观测区内观测点图

3 模化实验结果及分析

通过上述实验方案,得到各观测区的流场矢量图和观测区内观测点的速度值。下面仅列出正循环流量400 L/h的A区流场分布和反循环800 L/h的B区流场分布的PIV测试处理图。因为采用由底向上的溶腔法,B区处于腔体底部,在建腔的任何阶段，B区流体的运移都是切实存在的。再依据各观测区内观测点的速度大小,对流场进行定量分析。

1) 正循环条件下,水从中心管进入,进口区域最大流速是2.745 5 m/s。从图4可知,淡水的运动趋势是从中心管流出向下运动,与盐水混合稀释盐水降低其浓度。由于越往下运动腔内底部盐水浓度越高，并受到腔体底边界的限制,受浮力作用流体转而向上运动；当运动到中心管管口区域,由于管口有源源不断的淡水流进腔体且中心管出水的流速最大,因此中心管管口附近压强变小,这就使得向上运动的流体中的一小部分,向进水口处流动,剩下的流体在有限腔体容积和腔内不断增大的压强驱动下,推动其向出口处流动,最后流出腔体,形成流体运移循环,降低腔内盐水浓度,加快盐岩水溶。从图4也可看出,流场的循环范围主要在0.2～0.3 m之间，而对循环范围以外流体的扰动影响是很小的。在600 L/h下流场的运动趋势与400 L/h基本相同,流体的循环范围和观测点的速度大小相比增大些。

图4 正循环A区流场矢量图

图5 反循环第一组B区流场矢量图

图6 第二组B区流场矢量图

图7 第三组B区流场矢量图

2) 反循环条件下B区的流场规律如图5-图7所示。第一组中心管长度0.9 m,外管长度0.6 m,流量选择800 L/h。水从外管与中心管之间的环口流入腔体,从中心管口流出。从图5中可看出，靠近腔体中心轴附近的流体是向下运动的；腔体底边界和侧壁边界处的流场有向上运动的趋势,对这一区域整体来看没有明显的流体运动规律,并且这一区域速度最大值在靠近腔体中心轴位置,速度最大值是0.003 3 m/s。这一速度相当于流场在做扩散运动,因此强迫对流运动对这一区域影响非常小,对流扩散的最大范围也仅在0.2～0.3 m。在第二组外管长0.4 m下,从图6中可看出，这一区域有了比较明显的流体运动规律,流体从靠近腔体中心轴附近区域进入观测区,然后向下运动,越往下盐水的浓度越高，受到腔体边界限制,水转向流体入口处(流体进入观测区的位置)回流。在这一区域,速度最大的区域位于腔体中心轴附近,最大值为0.03 m/s；边界附近的流体速度小于最大值,其流速受循环对流的影响也很小。在第三组外管长0.2 m下,从图7中可看出，流体速度最大值为0.72 m/s,流体运动的规律与第二组管间距流体运动规律相近,只不过在这一组中,流体回流的范围比第二组大；在1 000 L/h下,流场的运动趋势与800 L/h基本相同,观测点的速度大小相比增大。

3) 图8所示为在图1坐标系下,y=0.1，x=0.25这一点处即观测区内的5号点,速度最大；其次是8号点,其速度为1.96 m/s；然后是2号点,其速度为0.94 m/s。而中心管两侧流场中1号点速度最大,其为0.986 m/s,7号、8号点速度分别为0.183 m/s 和0.121 m/s。比较各观测点速度得出，中心管管口向下的流场速度大于两侧的流场速度。因此正循环下,底部边界受到的流体对流扩散的影响要大于侧壁边界,从图中也得出随流量的增大,观测点速度相应的增大。

图8 正循环A区观测点速度图

比较反循环3组观测点速度图可知，在图2坐标系下,直线x=0.05,x=0.1,x=0.15中，x=0.15上的点相对于另两条直线上观测点的速度稍大一些,说明靠近腔体中心轴附近速度大。在图9中流量800 L/h条件下，观测区内最大速度才为0.016 m/s,说明在这种反循环条件下,对流扩散对距离盐壁0.2 m这一区域影响很小,对流扩散对盐壁区域影响和波及范围最大在(如图3)x=0.2和x=0.3之间这个区域。增大流量,各观测区绝大部分观测点的速度相比之前有所增大。提升外管后,如图10所示,B区和C区内观测点速度相比之前管距位置有微弱变化(增大或减小),D区内观测点速度有明显增大。依据观测情况可知,淡水进入腔内向下运动,与盐水混合,由于腔内下部盐水浓度增大,受浮力作用,稀释盐水后的淡水转而向上运动,遇到盐腔顶壁限制后沿壁运动,使得盐腔边界上部区域速度有明显增大。再次提升外管如图11所示,C区和D区内观测点速度相比之前外管位置有些变化,B区观测点速度有明显增大。依据观测情况可知,淡水进入腔体后向下运动,稀释盐水与其混合,由于此时外管口与中心管口间距为0.7 m,相比前一管口间距之间的水位差增大,浮力也增大,受到浮力作用转而向上运动,流体沿顶壁和侧壁运动。由于外管已接近腔体顶部,距顶壁0.2 m,并不断有淡水流入,因此上部产生很大范围的沿壁流动,从而扰动了盐腔下部流体,使得下部流体速度有明显增大。

图9 反循环第一组观测点速度图

图10 第二组观测点速度图

图11 第三组观测点速图

因此,随外管的提升,边界区域速度有明显增大的部位在发生变化,也就是说随外管的提升,对流扩散的主要影响区域在发生变化。主要影响区域首先是中心管与外管之间区域,随外管提升转变为盐腔上部区域。当外管逐渐靠近腔顶时,对流扩散的主要影响区域转变为盐腔底部。在同一管口间距下,增大流量,比较3组观测点速度图可知,随流量的增大各观测区内观测点速度绝大部分都有明显增大。因此可得,增大管口间距(外管缩短),可以提高盐腔边界某一区域溶解速度；提高流量,可以加快盐腔整体边界区域的溶解速度。

4 数值模拟及结果分析

为了辅助与验证模化实验结果,数值模拟选用标准k-ε模型,利用Fluent[11-12]软件对模化实验进行数值模拟。数值模拟的盐腔尺寸和实验方案以及模化实验条件相同。

正循环流量400 L/h条件下如图12所示，反循环流量800 L/h条件下第一组、第二组和第三组的数值模拟速度云图及其侧壁边界、底边界及中心管构成的区域的局部放大图分别列于图13-图15。

图12 正循环数值模拟速度云图和出口速度矢量图

正循环条件下,数值模拟得出的中心管管口的流场运动趋势与PIV得出的近似相同。不同的是数值模拟中流场遇到底边界限制后,先沿边界流动一段距离,然后回流；而PIV系统测得此处流场没有明显的沿边界流动,但是其回流现象比数值模拟得出的现象要明显。

反循环条件下,数值模拟得出的B观测区与PIV得出的流场运动趋势近似相同。在反循环下第一组和第二组的流场运动趋势并不明显,因为速度非常小；而第三组B观测区速度变大,运动趋势变得明显。相比于PIV测出的结果，第三组观测区流场的运动发展更充分。从速度云图也可以验证观测点速度图是符合实际的。

依据实验方案在Fluent中设置监控点,待迭代收敛后记录收敛时数值,得出多数监控点的速度稍大于PIV得出的观测点速度,但是随外管的变化,各观测区整体的速度变化趋势与PIV得出的结果是一致的。因此模化实验结果的分析与数值模拟的结果比较吻合。

图13 反循环第一组 图14 反循环第二组 Fig.13 The first group of Fig.14 The second group of reverse cycle reverse cycle

图15 反循环第三组

5 结论

1) 在工程实际中，建腔初期采用正循环,外管长度不变时,增大流量可以提高腔内流体速度,提高建腔效率。正循环下中心管管口底部区域流体速度大于两侧流体速度,因此建腔初期底部边界扩展速度大于侧壁边界扩展速度,增大流量可以提高腔体边界扩展速度和增大腔体边界扩展范围。

2) 采用反循环建腔,固定外管高度时,增大流量,可以提高腔体整个边界区域流体的速度,从而提高建腔效率。若要提高腔体边界某一区域流体速度,可以通过变化外管长度来实现,提升外管至盐腔中部时,可以提高盐腔边界上部区域流体速度；继续提升外管至接近腔体顶部,可以提高腔体边界底部区域流体的速度,从而提高盐腔这一区域溶解效率。利用对流扩散主要影响区域随外管提升的变化规律，来调整盐腔溶解形状。了解边界区域流体速度随中心管口与外管口间距和不同流量的变化情况,对进一步研究建腔过程腔内流场的实验，以及对工程实际提出高效溶腔的建腔方案具有参考价值。

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(编辑：庞富祥)

Experimental Study Using Modeling Theory on Flow Field atBoundary Region of Salt-cavern Gas Storage

LIU Huan,XU Suguo,LIANG Weiguo

(InstituteofMiningTechnology,TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan030024,China)

In order to reveal the impact of convection diffusion in the circulating fluid between the central and intermediate tube on the flow velocity on salt cavity wall region during establishment of salt-cavern gas storage,analogous model was established by applying the similarity simulation principle,and flow field near the boundary was tested and numericaly simulated by using the particle image velocimetry system (PIV) and the numerical simulation software of Fluent under the different conditions of building cavity.The results show that the impact on the bottom boundary flow field was stronger than that for two lateral boundaries under the positive cycle,the velocity of flow field was little influenced at 0.2 m away from wall boundary of salt cavity in this model.With the intermediate pipe ascension,the main in fluencing scope of convection diffusion was changed under the reverse cycle,and flow field velocity of boundary region was changed with the main scope of convection diffusion.Under the reverse cycle,decreasing intermediate tube length and increasing flow could increase flow velocity of boundary region,but the main influences on the scopes of boudary region were different.Several advices improving the efficiency of building cavern in the engineering practice were put forward on the basis of experimental results.The numerical simulation results were in good agreement with the result of PIV test.

salt-cavern gas storage;flow field; boundary region;PIV test; numerical simulation of Fluent

1007-9432(2015)06-0691-06

2015-04-16

国家杰出青年科学基金资助项目：原位溶浸采矿理论与技术(51225404)；国家自然科学基金资助项目：钙芒硝矿原位溶浸开采的溶解-传质-渗透耦合作用机理研究(50804033)

刘欢(1989-)，男，黑龙江伊春人，硕士生，主要从事地下盐岩储气库建造方法及试验研究，(E-mail)lh_advance@126.com，(Tel)15525455643

徐素国，男，讲师，主要从事地下盐岩储气库建造研究，(E-mail)452234949@qq.com

TE822；TD871.1

A

10.16355/j.cnki.issn1007-9432tyut.2015.06.011