陈文徽，韩岐清，李少甫，孙福山，王新红

浅谈射流泵内部流场数值模拟研究现状

陈文徽，韩岐清，李少甫，孙福山，王新红

（大港油田采油工艺研究院，天津 300280）

水力射流泵是石油开采中一种重要的举升设备，由于其没有运动部件，结构紧凑，被广泛应用于复杂结构井和特殊井的开采。总结了射流泵工作原理、内部流动特点以及内部流场研究方法，论述了射流泵内部流场研究技术的发展现状。在归纳目前部分射流泵内部流场数值模拟研究成果的基础上，总结了目前研究方法存在的不足，为今后射流泵生产参数优化提供了理论指导和研究方向。

水力泵；内部流场；研究现状；数值模拟

射流泵是石油开采中一种重要的举升设备，因其无运动部件，结构紧凑，排量范围大，对定向井、水平井和海上丛式井显示出良好的适应性，被广泛应用于复杂结构井的开采。射流泵主要包括喷嘴、喉管和扩散管三部分，其工作原理是动力液通过喷嘴时，流动面积减小，速度升高，致使压能下降，在喷嘴附近形成了相对低压区，吸入地层液并与动力液在喉管进行混合，再经扩散管，压能得到一定恢复，从而完成对混合液的举升。所产生的低压，将直接决定泵的抽吸能力。因此深入研究射流泵内部流动机理，明确其流场分布，对射流泵应用参数优化具有重要意义。

目前针对射流泵内部流场研究，主要包括实验与数值模拟。在实验研究方面，通常的测试手段主要是速度与压力探针、热线风速仪和激光测速仪对射流泵内部流场进行测量，但是只能获得单点数据。对于复杂的湍流射流结构，全流场测量更具实际意义。20世纪90年代以来，计算机应用规模日益扩大，使射流泵内部流场在计算机上模拟成为可能。CFD模拟方法是近年来发展迅速的一种新型研究方法。CFD模拟方法是通过应用计算机进行数值计算，根据结果分析包含有流体流动和热传导等相关物理现象［1］，并对其随时间的变化规律进行研究，在参数合理的情况下可得到准确的模拟结果，避免了复杂的实验研究，有效降低研究成本。在当前石油行业节能增效的要求下，CFD模拟由于应用成本低、模拟耗时短、计算准确度好的特点，可以对现场射流泵参数的优化起到一定的指导作用，具有较好的实际应用价值。

1　射流泵内部流动研究

射流泵内流体的流动雷诺数较大，属于强剪切湍流，由于湍射流流入一定的速度和压力流场内，其流动不具备相似性质，使问题复杂化，这给射流泵内部流动机理的研究带来了极大的困难。

1.1湍流射流

湍流射流是射流流型的一种，其特点是射流速度大，因而雷诺数较高，当其达到或超过临界值时，切面会出现很多小涡旋，并因其各自的无规则运动发生动量、热量和质量的交换。射流依据其流入空间的不同，可以分为有限空间射流和无限空间射流两大类。如果射流的流入空间相对其本身很大，边界远离射流，致使射流受到边界的影响较小，这便是无限空间射流。如果流入空间相对射流本身而言不足够大，致使射流受到了边界的影响，则称为有限空间射流。根据射流周围流体的性质，射流包括淹没射流和非淹没射流两大类。如果射流周围流体与射流的性质相同，该种射流被称为淹没射流；如果射流周围流体与射流的性质不同，该种射流被称为非淹没射流。

采油举升工艺中射流泵内流体的流动受到喉管管壁限制，并且动力液与地层液具有不同的物理性质，所以其属于有限空间非淹没射流。

1.2湍流数值计算方法

湍流是一种高度非线性的复杂流动，由各种不同尺度的涡旋叠合而成。目前对湍流数值模拟方法可以分为以下三种方法：

1.2.1直接数值模拟（DNS）

湍流流动虽然复杂，但可直接利用N-S方程对湍流进行模拟计算。这种方法最早在七十年代初提出，其优势在于无需简化和近似湍流流动，并能获得更精确的结果。但其计算量庞大，对计算机的计算能力、速度要求很高，在工程计算的应用方面适应性较差。

1.2.2大涡模拟（LES）

大涡模拟方法通过对计算区域尺寸大到能够包含湍流流动中出现的大涡进行计算，但其采用的最小计算网格大小仍然比小涡尺度大很多，为简化计算，可以只对大涡利用瞬时N-S方程进行直接计算，对于小尺度涡旋则建立模型来表征其对大尺度涡旋的影响。该方法减少了计算量，但仍对计算机的速度要求较高。

1.2.3雷诺平均法（RANS）

工程应用所需要的是湍流所引起的平均流场的变化，雷诺平均法正是描述平均流场而广为应用的湍流数值模拟方法。该方法主要通过将N-S瞬时方程中的变量分解成平均量和脉动量两部分，避免了N-S瞬时方程的直接求解，很大程度上减少了计算，对解决实际问题具有很好的效果。其核心是求解时均化的方程，同时要采用湍流模型来使方程组封闭。

2　国内应用现状

目前，对水力射流泵内部流场研究主要是通过实验方法和数值模拟方法。数值模拟方法因其快速简便的特点，得到了广泛的应用：

陈如恒，张来斌等［4］针对采油过程中射流泵内部强湍流场具有逆压力梯度以及扩散管边界不规则的特点，建立了

扩散器贴体坐标系统，并应用高雷诺数k-ε模型和考虑逆压力梯度的壁面函数法模拟了射流泵内部强湍流场。在应用多种方法模拟的基础上，充分考虑松弛因子、迭代初始值及贴体坐标系中网格数目等影响收敛的各种因素，获得了较为符合实际的结果。

梁爱国等［5］通过应用混合有限分析法、贴体变换技术以及k-ε双方程紊流模型，对射流泵内部流场进行了数值模拟，研究了不同喉管长度下射流泵内部流场的变化规律，从而确定得出射流泵喉管的最佳尺寸，对射流泵设计具有一定的指导意义。

王常斌等［6］建立非等间距加密网格斌应用强雷诺数的k-ε湍流模型对射流泵内部流场进行了数值模拟。研究结果表明，射流泵内部流场轴向速度剖面在扩散管段表现出较好的自相似性，而在喉管段则未出现，发生变化的转折点与喉管的长度有关。流场的湍动能的峰值主要出现在喷嘴出口与扩散管入口处，由于湍动能的不平衡特性，导致部分能量损失。

杨雪龙等［7］通过对不同湍流模型和不同壁面函数的组合，研究其对射流泵内部流场模拟的影响。结果表明，在射流泵流量比较小时，组合都可以较好的符合实验数据，而当流量继续增大后，都出现了大于10%的模拟误差。而通过对湍流模型常数的修正，可以将模拟结果与实验误差减少到5%以内。

周凌九等［8］为明确工作流体与吸入流体的掺混过程，分别利用基于雷诺平均法的不同双方程湍流模型以及大涡模拟对射流泵内部流场进行了数值模拟。结果表明大涡模拟对射流泵内部强湍流流场模拟结果更为符合实际，能够模拟剪切层的漩涡结构，准确地反映工作流体和吸入流体间的动量和能量混合过程，与实验结果吻合较好。而基于雷诺平均法的同双方程湍流模型无法预测涡流结构，在喉管段的高速核心区掺混过程中的能量耗散也过快，大涡模拟可以获得射流泵能量掺混过程更为准确的结果。

3　结论

1）CFD数值模拟方法在分析射流泵流场研究方面已经得到广泛的应用，通过数值模拟，可以详细地描述流场分布，可为射流泵的参数优化提供一定的依据。

2）工程模拟射流泵流场主要采用雷诺平均法，能够减少计算量，具有一定实际应用价值，但其描述内部流场细节的能力不如大涡模拟。

3）射流泵的内部湍流流场复杂多变，相与相之间分布不均，并且存在相互作用，使得数值模拟也存在很大的困难，模拟结果常常与实际工况差距较大，因此还需要结合现场应用情况对其模拟参数进行调整拟合，使其结果符合实际，从而指导现场参数的优化。

［1］ 范海平，曾小林.基于计算流体动力学的流量系数研究［J］.机电设备，2007，（2）：9-12.

［2］ 卜长根.轻型井点降水变参数射流泵的设计［J］.水文地质工程地质，2013，（1）：45-47.

［3］ 王小鹏，陈颂英，王小鹏，等.不同湍流模型对圆射流数值模拟的讨论［J］.工程热物理学报，2008，29（6）；957-959.

［4］ 陈如恒，张来斌，黄红梅.采油射流泵内流场数值模拟计［J］.中国安全科学学报，1995，（S1）：169-173.

［5］ 梁爱国，刘景植，龙新平，等.射流泵内流动的数值模拟及喉管优化［J］.水泵技术，2003，（1）：3-6.

［6］ 王常斌，林建忠，石兴.射流泵湍流场的数值模拟与实验研究［J］.高校化学工程学报，2006，20（2）：175-179.

［7］ 杨雪龙，龙新平，肖龙洲.不同湍流模型对射流泵内部流场模拟的影响［J］.排灌机械工程学报，2013，31（2）：98-102.

［8］ 周凌九，袁玲丽.射流泵内部流动计算中不同湍流模拟方法的比较［J］.排灌机械工程学报，2013，31（1）：25-30.

Status of Jet Pump Internal Flow NumericalSimulation Study

Cheng Wen-hui，Han Qi-qing，Li Shao-pu，Sun Fu-shan，Wang Xin-hong

The water jet pump is oil exploration in an important process of lifting，since it has no moving parts，compact structure，is widely used in mining complex structures and special wells wells.This article summarizes the jet pump principle，internal flow characteristics and internal flow field research methods，discusses the status of the internal flow field of jet pump technology research.In the induction current portion jet pump internal flow numerical simulation study based on the results，we summarized the shortcomings of current research methods exist for the production of jet pump parameter optimization provide theoretical guidance for future research directions.

hydraulic pump；research status；internal flow field numerical simulation

TH38

A

1003-6490（2016）06-0088-02