本發(fā)明涉及一種油田采出水氣浮處理裝置，尤其涉及一種油田采出水氣浮處理用新型微氣泡發(fā)生器及其分析方法。

背景技術(shù)：

石油開采過程中必然會相伴產(chǎn)生大量的采出水，尤其目前國內(nèi)外多數(shù)主力油田處于開采的中后期，油井采出液中的含水率甚至高達(dá)90％以上。無論是達(dá)標(biāo)排放，還是回注地層，或者是回用做鍋爐補(bǔ)給水，這些采出水都必須經(jīng)過處理，而去除其中的油分和懸浮固體(SS)是處理的主要內(nèi)容和目標(biāo)。

雖然由于各油田采出水的理化特性不同，相應(yīng)的處理工藝流程和配套設(shè)備也略有不同，但從單元處理技術(shù)上來講，不外乎有重力沉降、離心分離、氣浮、粗?；?、過濾、活性炭吸附、膜分離等。其中氣浮是一種應(yīng)用較為普遍的單元處理技術(shù)，具有工藝成熟、成本低廉、處理量大等諸多特點，在很多油田的采出水處理工藝流程中得到了廣泛應(yīng)用。例如，遼河油田的“斜板→浮選→過濾”流程，大港油田的“聚結(jié)分離→浮選→過濾”流程等，氣浮都是其中的關(guān)鍵性單元處理技術(shù)。

氣浮技術(shù)是通過某種方法產(chǎn)生大量的微細(xì)氣泡，并使其與污水中密度接近于水的固體懸浮物(SS)或液體污染物微粒相粘附，形成密度小于水的多相復(fù)合體，然后在浮力作用下上浮至水面形成浮渣層，最后通過去除浮渣層而實現(xiàn)固-液或液-液分離。應(yīng)用氣浮技術(shù)的前提條件是產(chǎn)生數(shù)量足夠、粒徑大小符合要求的微細(xì)氣泡，目前的產(chǎn)生方式有溶氣析出氣泡、引氣制造氣泡、微孔發(fā)泡、剪切接觸發(fā)泡和電解析出氣泡等幾種。

由于油田采出水的來源和性質(zhì)較為復(fù)雜，往往含有大量的固體懸浮物(SS)或機(jī)械雜質(zhì)，容易使溶氣析出氣泡配套使用的填料式壓力溶氣罐或飽和溶氣罐(Saturator)發(fā)生堵塞而影響正常工作，此外還存在操作復(fù)雜和運(yùn)行維護(hù)成本較高等不足，因此與溶氣析出氣泡相比，引氣制造氣泡在油田采出水處理中應(yīng)用相對更為廣泛，相應(yīng)的處理設(shè)備包括葉輪旋切氣浮設(shè)備和射流氣浮設(shè)備等，前者如Tridair Hydraulic^TM誘導(dǎo)氣浮系統(tǒng)、(Induced Static Flotation)系統(tǒng)、IGF分離器等都屬于此類產(chǎn)品，后者如Tridair^TM Mechanical IGF系統(tǒng)、氣浮系統(tǒng)、IGF系統(tǒng)等。令人遺憾的是，葉輪旋切氣浮設(shè)備和射流氣浮設(shè)備的最大缺點是所產(chǎn)生的氣泡粒徑較大，難以將除油效率提升到一個新的高度。因此，就油田采出水氣浮處理技術(shù)而言，迫切需要結(jié)構(gòu)簡單、操作方便和運(yùn)行維護(hù)成本較低且所產(chǎn)生氣泡粒徑較小的新型微細(xì)氣泡發(fā)生技術(shù)。

眾所周知，由于油田采出水來自地下數(shù)百米甚至數(shù)千米的地層深處，其中必然含有一些伴生氣的溶解組分，到達(dá)地面后在經(jīng)過油氣分離器或三相分離器等集輸處理設(shè)備實施油、氣、水多相分離的過程中，雖然大部分溶解的伴生氣會隨著環(huán)境壓力的逐漸降低而以微細(xì)氣泡的形式析出，但到達(dá)采出水達(dá)標(biāo)處理環(huán)節(jié)時其中仍然會殘存相當(dāng)一部分溶解的伴生氣。如果能夠研制開發(fā)一種設(shè)備，對該環(huán)節(jié)的采出水施以劇烈的震蕩消能，就可以使殘存的這部分低飽和度溶解伴生氣在短時間內(nèi)以微細(xì)氣泡的形式從采出水中析出。同時，這些微細(xì)氣泡自采出水中上浮時會攜帶油粒、固體懸浮顆粒(SS)等并一起浮升至水面，這樣就可以化不利因素為有利條件，大大簡化采出水的凈化處理工藝流程。這種通過對采出水施以劇烈的震蕩消能產(chǎn)生微細(xì)氣泡的方案構(gòu)思，可以借助傳統(tǒng)加壓溶氣氣浮工藝中溶氣釋放器的結(jié)構(gòu)理念來實現(xiàn)。溶氣釋放器作為常規(guī)加壓溶氣氣浮工藝中的重要設(shè)備，通過將填料式壓力溶氣罐或飽和溶氣罐(Saturator)中的溶氣水降壓消能，使溶解在水中的氣體析出，并以微細(xì)氣泡的形式釋放出來。顯然，溶氣釋放器降壓消能效果的好壞將直接影響到所產(chǎn)生氣泡的微細(xì)度和疏密度，進(jìn)而影響氣浮處理效果。

最早的溶氣釋放器采用簡單錐閥結(jié)構(gòu)，存在降壓消能效果差、生成微細(xì)氣泡數(shù)量少、微細(xì)度差等問題，因此新型溶氣釋放器的研制開發(fā)率先受到國外關(guān)注，并研制出了多種型號的系列化產(chǎn)品，如英國的WRC型和瑞典的AKA型等加壓溶氣氣浮用噴嘴。國內(nèi)對于溶氣釋放器的研究起步較晚，但發(fā)展較快，目前體系最成熟、市場占有率最高的溶氣釋放器為同濟(jì)大學(xué)研制的TV型、TJ型和TS型系列。但客觀分析不難發(fā)現(xiàn)，這些溶氣釋放器的適用條件大多需要較高的溶氣過飽和度和較高的進(jìn)水壓力，而且容易受機(jī)械雜質(zhì)堵塞的影響。

對于油田采出水而言，當(dāng)其中溶解伴生氣的飽和度較低(略高于常溫常壓時的飽和蒸汽壓)、進(jìn)水壓力也較低時，采用常規(guī)溶氣釋放器顯然難以釋放所期望的大量微細(xì)氣泡，而且其中必然含有的較多機(jī)械雜質(zhì)也容易堵塞常規(guī)溶氣釋放器，因此迫切需要進(jìn)一步改進(jìn)提高目前主流溶氣釋放器的工作性能。專利CN 102491442A中所提出的物理激發(fā)器實質(zhì)上就是一種溶氣釋放器，主要由進(jìn)水管、進(jìn)水節(jié)流孔板、激流反射環(huán)、反射激蕩器、固定承插座、蓋板和外壁筒等組成，水流在各部分形成的流道內(nèi)進(jìn)行消能降壓。發(fā)明人聲稱該物理激發(fā)器與常規(guī)溶氣釋放器相比有較大的升級改進(jìn)，能夠在較低進(jìn)水壓力和較低溶解過飽和度情況下獲得較好的溶氣釋放效果，雖然進(jìn)行了油田現(xiàn)場試驗，但迄今為止缺乏油田現(xiàn)場工程應(yīng)用的案例。另外，受設(shè)計能力和分析方法所限，該物理激發(fā)器在結(jié)構(gòu)設(shè)計上存在諸多不足：首先，內(nèi)部流道過于簡單，水流沖擊反射孔經(jīng)流道直接進(jìn)入穩(wěn)流區(qū)(流向僅改變一次)，降壓消能不夠徹底，很難實現(xiàn)殘存溶解氣的完全析出；其次，在正常工作過程中，反射激蕩器與蓋板之間的縫隙大小始終固定不變，無法實現(xiàn)縫隙大小在不同流量下的自動調(diào)節(jié)，進(jìn)而無法保證氣泡的均勻析出，造成設(shè)備的適應(yīng)性較差。

基于以上原因，有必要研制一款新型的溶氣釋放式微氣泡發(fā)生器，并相應(yīng)建立科學(xué)合理的現(xiàn)代設(shè)計分析方法，真正實現(xiàn)油田采出水中較低溶解飽和度伴生氣的完全釋放，生成滿足氣浮處理工藝要求的微細(xì)氣泡。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種油田采出水氣浮處理用新型微氣泡發(fā)生器及其分析方法。

本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：

本發(fā)明的油田采出水氣浮處理用新型微氣泡發(fā)生器，包括進(jìn)水管、上蓋板、外壁筒、下蓋板、芯體、彈簧支撐座、壓縮彈簧、鎖緊螺母；

所述外壁筒為圓筒狀結(jié)構(gòu)，與所述上蓋板通過螺紋連接，與所述下蓋板焊接，外壁筒下部沿徑向方向均勻布置多個出水孔(推薦為12個)，所述芯體置于所述外壁筒、上蓋板與下蓋板圍成的空間中；

所述上蓋板的下部為內(nèi)環(huán)臺階狀結(jié)構(gòu)，中心開有節(jié)流孔，所述芯體的上部結(jié)構(gòu)與所述上蓋板的下部結(jié)構(gòu)相對應(yīng)，形成多次直角轉(zhuǎn)向的寬流道，在所述芯體上部開有反射孔，并以該反射孔為中心向外開有圓周陣列的多條弧形分流槽(推薦為4條)，所述節(jié)流孔為通孔，所述反射孔為盲孔，所述上蓋板的上部對應(yīng)所述節(jié)流孔的部位設(shè)置所述進(jìn)水管；

所述壓縮彈簧外套在所述彈簧支撐座的上端，并與所述芯體下端的盲孔底面壓緊，所述彈簧支撐座的下部旋入所述下蓋板的螺紋孔中，且所述彈簧支撐座的下端穿過所述螺紋孔后固定有所述鎖緊螺母。

本發(fā)明的上述的油田采出水氣浮處理用新型微氣泡發(fā)生器的分析方法，其工作性能的分析評估和結(jié)構(gòu)合理化設(shè)計基于計算流體動力學(xué)(CFD)數(shù)值模擬來進(jìn)行，通過分析流場壓力降、湍動能，預(yù)測新型微氣泡發(fā)生器的工作特性和釋氣效果，并通過與同類微氣泡發(fā)生器的CFD數(shù)值模擬對比驗證所述油田采出水氣浮處理用新型微氣泡發(fā)生器的技術(shù)優(yōu)越性，同時還用于其他各類微氣泡發(fā)生器的研制開發(fā)。

由上述本發(fā)明提供的技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明實施例提供的油田采出水氣浮處理用新型微氣泡發(fā)生器及其分析方法，具有結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行維護(hù)方便、不易堵塞、能有效釋放污水中的低飽和度溶解伴生氣等優(yōu)點，可以方便地安裝應(yīng)用于油田采出水氣浮凈化處理等場所。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例提供的油田采出水氣浮處理用新型微氣泡發(fā)生器的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2a、圖2b、圖2c分別為本發(fā)明實施例提供的油田采出水氣浮處理用新型微氣泡發(fā)生器在y＝0平面上的靜壓分布云圖、速度云圖和湍動能分布云圖。

圖3為本發(fā)明實施例提供的油田采出水氣浮處理用新型微氣泡發(fā)生器與現(xiàn)有技術(shù)中主流溶氣釋放器的壓降和最大湍動能對比折線圖。

圖中各標(biāo)記如下：1-進(jìn)水管；2-上蓋板；3-外壁筒；4-下蓋板；5-鎖緊螺母；6-彈簧支撐座；7-內(nèi)環(huán)；8-出水孔；9-壓縮彈簧；10-芯體；11-反射孔；12-節(jié)流孔

具體實施方式

下面將對本發(fā)明實施例作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。

本發(fā)明的油田采出水氣浮處理用新型微氣泡發(fā)生器，其較佳的具體實施方式是：

包括進(jìn)水管、上蓋板、外壁筒、下蓋板、芯體、彈簧支撐座、壓縮彈簧、鎖緊螺母；

所述外壁筒為圓筒狀結(jié)構(gòu)，與所述上蓋板通過螺紋連接，與所述下蓋板焊接，外壁筒下部沿徑向方向均勻布置多個出水孔(推薦為12個)，所述芯體置于所述外壁筒、上蓋板與下蓋板圍成的空間中；

所述上蓋板的下部為內(nèi)環(huán)臺階狀結(jié)構(gòu)，中心開有節(jié)流孔，所述芯體的上部結(jié)構(gòu)與所述上蓋板的下部結(jié)構(gòu)相對應(yīng)，形成多次直角轉(zhuǎn)向的寬流道，在所述芯體上部開有反射孔，并以該反射孔為中心向外開有圓周陣列的多條弧形分流槽(推薦為4條)，所述節(jié)流孔為通孔，所述反射孔為盲孔，所述上蓋板的上部對應(yīng)所述節(jié)流孔的部位設(shè)置所述進(jìn)水管；

所述壓縮彈簧外套在所述彈簧支撐座的上端，并與所述芯體下端的盲孔底面壓緊，所述彈簧支撐座的下部旋入所述下蓋板的螺紋孔中，且所述彈簧支撐座的下端穿過所述螺紋孔后固定有所述鎖緊螺母。

所述進(jìn)水管、上蓋板和芯體之間的通道構(gòu)成該微氣泡發(fā)生器的消能降壓流道，所述芯體、外壁筒、上蓋板和下蓋板之間的空間形成該微氣泡發(fā)生器的穩(wěn)流空間，所述彈簧支撐座、壓縮彈簧、鎖緊螺母和芯體構(gòu)成該微氣泡發(fā)生器的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。

本發(fā)明的上述的油田采出水氣浮處理用新型微氣泡發(fā)生器的分析方法，其較佳的具體實施方式是：

其工作性能的分析評估和結(jié)構(gòu)合理化設(shè)計基于計算流體動力學(xué)(CFD)數(shù)值模擬來進(jìn)行，通過分析流場壓力降、湍動能，預(yù)測新型微氣泡發(fā)生器的工作特性和釋氣效果，并通過與同類微氣泡發(fā)生器的CFD數(shù)值模擬對比驗證所述油田采出水氣浮處理用新型微氣泡發(fā)生器的技術(shù)優(yōu)越性，同時還用于其他各類微氣泡發(fā)生器的研制開發(fā)。

本發(fā)明的油田采出水氣浮處理用新型微氣泡發(fā)生器，結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行維護(hù)方便、不易堵塞，即使在低溶解飽和度下也能有效釋放出油田采出水中的溶解伴生氣而形成大量微細(xì)氣泡，進(jìn)而助力后續(xù)的氣浮凈化處理。

在設(shè)計方案和設(shè)計理念上，現(xiàn)有技術(shù)中常規(guī)溶氣釋放器多通過減小平行平板間縫隙、流道內(nèi)設(shè)置阻流體等方式進(jìn)行消能降壓，該方式在高飽和溶氣水釋氣時具有較好效果，但壓降小、湍流強(qiáng)度弱、流道易堵塞、處理量低等缺點使其難以實現(xiàn)低飽和度溶氣水的完全釋放。本發(fā)明通過寬流道和弧形分流槽的結(jié)構(gòu)設(shè)計，水流經(jīng)反射孔初次消能后，主體水流從圓周分布的弧形分流槽流出，弧形分流槽顯著增加了水流的湍能強(qiáng)度和壓力損失，隨后從分流槽流出的水流形成整體旋流，水流在旋流、撞擊和返混作用下進(jìn)一步消能降壓，本設(shè)計理念不僅解決了流道易堵塞的問題，而且消能降壓效果顯著增強(qiáng)。從結(jié)構(gòu)上看，本發(fā)明的新型微氣泡發(fā)生器由進(jìn)水管、上蓋板、外壁筒、下蓋板、芯體、彈簧支撐座、壓縮彈簧和鎖緊螺母構(gòu)成。水流在內(nèi)部流道經(jīng)節(jié)流孔收縮、反射孔反彈、差速混合、整體旋流、直角轉(zhuǎn)向等作用下產(chǎn)生強(qiáng)烈的湍流和顯著降壓效應(yīng)，使得溶解在水中的低飽和度伴生氣有效析出。同時，壓縮彈簧在水流的沖擊下產(chǎn)生低幅高頻震蕩，使得低飽和度溶解伴生氣的析出更加充分。

在設(shè)計方法上，現(xiàn)有技術(shù)中的微氣泡發(fā)生器的結(jié)構(gòu)設(shè)計大多依據(jù)經(jīng)驗進(jìn)行，粗放地確定結(jié)構(gòu)參數(shù)，并且在實驗測試前無法預(yù)測所設(shè)計結(jié)構(gòu)的可行性，設(shè)計預(yù)期與實際效果之間往往存在較大差距，從而耗費(fèi)了大量的財力物力，且延長了設(shè)計研發(fā)周期。本發(fā)明革新了微氣泡發(fā)生器的設(shè)計方法，運(yùn)用計算流體動力學(xué)(CFD)軟件對微氣泡發(fā)生器的內(nèi)部流場進(jìn)行數(shù)值模擬計算，通過壓降、湍動能等參數(shù)驗證設(shè)計的可行性，并且可以與同類主流產(chǎn)品的工作性能進(jìn)行直觀對比。

本發(fā)明實施例提供的油田采出水氣浮處理用新型微氣泡發(fā)生器，具有結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行維護(hù)方便、不易堵塞、能有效釋放污水中的低飽和度溶解伴生氣等優(yōu)點，可以方便地安裝應(yīng)用于油田采出水氣浮凈化處理等場所。

與現(xiàn)有的各種溶氣釋放器相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點：

1、采用寬流道的整體布局，配合創(chuàng)新設(shè)計的弧形分流槽結(jié)構(gòu)形式，不僅從根本上解決常規(guī)溶氣釋放器流道較窄易堵塞的問題，而且整體水流通過分流撞擊、旋流、反混等新型消能降壓手段，助力低飽和度溶解伴生氣的有效釋放。

2、采取了臺階狀上蓋板、“弧形分流槽+芯體”、壓縮彈簧等的局部細(xì)節(jié)設(shè)計，使湍流耗散和降壓消能效果更加顯著。

3、采用計算流體動力學(xué)(CFD)數(shù)值模擬的設(shè)計方法，能夠有效預(yù)測微氣泡的發(fā)生效率，更加合理地選定結(jié)構(gòu)參數(shù)。

具體實施例：

如圖1所示，包括進(jìn)水管1、上蓋板2、外壁筒3、下蓋板4、芯體10、彈簧支撐座6、壓縮彈簧9和鎖緊螺母5。其中，進(jìn)水管1、上蓋板2和芯體10組成微氣泡發(fā)生器的消能降壓流道；芯體10、外壁筒3、上蓋板2和下蓋板4形成微氣泡發(fā)生器的穩(wěn)流空間；彈簧支撐座6、壓縮彈簧9、鎖緊螺母5和芯體10構(gòu)成微氣泡發(fā)生器的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)；消能降壓流道為寬流道形式，由進(jìn)水管1、內(nèi)環(huán)臺階狀上蓋板2和芯體10組成。上蓋板2為內(nèi)環(huán)臺階狀結(jié)構(gòu)，凸臺位置由兩條不同直徑的內(nèi)環(huán)組成，圓心位置開有節(jié)流孔12(通孔)。芯體10結(jié)構(gòu)分為上、下兩部分，上部為凸臺結(jié)構(gòu)，與上蓋板內(nèi)環(huán)對應(yīng)構(gòu)成多次直角轉(zhuǎn)向的寬流道，凸臺頂部開有反射孔11(盲孔)與節(jié)流孔12同軸布置，并以該孔為中心向外開有圓周方向上均勻分布的多條弧形分流槽(推薦為4條)；芯體10下部為圓柱結(jié)構(gòu)，底部開有盲孔，與調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)配合。穩(wěn)流空間為芯體10、外壁筒3、上蓋板2和下蓋板4形成的環(huán)形空間，外壁筒3為圓筒狀結(jié)構(gòu)，在其下部沿徑向方向均勻布置多個圓形出水孔(8)(推薦為12個)，這使得氣泡的流動路程短、聚并概率降低，且布水?dāng)U散均勻。調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)為由彈簧支撐座6、壓縮彈簧9和鎖緊螺母5構(gòu)成的組合機(jī)構(gòu)，彈簧支撐座6為圓柱狀結(jié)構(gòu)，整體分為上、下兩部分，上部圓柱與壓縮彈簧9配合，安裝位置位于芯體10下端盲孔中；下部圓柱開有外螺紋與下蓋板4中心螺紋孔相配合，其作用是通過旋轉(zhuǎn)鎖緊螺母5，調(diào)整彈簧支撐座6的伸縮量，進(jìn)而調(diào)整芯體10與上蓋板2臺階內(nèi)表面間的距離。壓縮彈簧9外套于彈簧支撐座6的上端圓柱，一方面起維持芯體10上表面與上蓋板2臺階內(nèi)表面間縫隙寬度基本恒定的作用，另一方面水流撞擊芯體10上部的反射孔11使壓縮彈簧9產(chǎn)生高頻低幅振蕩，加速溶解伴生氣的析出。

工作過程中，溶解有低飽和度伴生氣的油田采出水經(jīng)進(jìn)水管1進(jìn)入到微氣泡發(fā)生器，水流流經(jīng)節(jié)流孔12后，截面積減小，根據(jù)流體力學(xué)伯努利方程，相應(yīng)的水流速度提高而壓力降低；隨后，水流撞擊芯體10上端的反射孔11，折回進(jìn)入較大空間，主體水流通過弧形分流槽分流，并在圓環(huán)流道內(nèi)形成旋流，少部分水流經(jīng)芯體10與上蓋板2之間的縫隙排出，兩股水流以不同的速度和壓力撞擊上蓋板2臺階狀內(nèi)環(huán)，并進(jìn)行劇烈返混、碰撞。隨后，水流經(jīng)過上蓋板2臺階內(nèi)環(huán)與芯體10中部形成的縫隙，經(jīng)兩次直角轉(zhuǎn)向流出，進(jìn)入外壁筒3與芯體10和下蓋板4形成的穩(wěn)流空間中，最后經(jīng)圓形出水孔8排出。

本發(fā)明基于溶氣釋放的微氣泡發(fā)生方法，無需外加能源和配套設(shè)備，僅通過劇烈的消能降壓過程，將溶解在油田采出水中的低飽和度伴生氣釋放出來，即可產(chǎn)生滿足氣浮處理工藝要求的微氣泡，從而實現(xiàn)水質(zhì)凈化。

溶氣釋放式微氣泡發(fā)生器的結(jié)構(gòu)形式多種多樣，至今未形成一套設(shè)計理論和方法，結(jié)構(gòu)設(shè)計主要依靠經(jīng)驗數(shù)據(jù)或設(shè)計人員的個人感覺，主觀性較強(qiáng)。所設(shè)計微氣泡發(fā)生器的發(fā)泡性能只有在樣機(jī)加工完成后通過實驗測試才能得到驗證，此時不僅發(fā)泡性能有可能達(dá)不到設(shè)計預(yù)期，并且無法進(jìn)行有針對性的結(jié)構(gòu)改進(jìn)，從而延長了產(chǎn)品研發(fā)周期，造成大量的人力物力浪費(fèi)。為在微氣泡發(fā)生器設(shè)計階段便可預(yù)測其發(fā)泡效果，本發(fā)明提出一種基于計算流體動力學(xué)(CFD)的設(shè)計分析方法，所依據(jù)的基本物理原理為：油田采出水中低飽和度溶解伴生氣的釋放過程實際上為所溶解氣體分子脫離與水分子之間的范德華力，以氣核形式析出并長大為微細(xì)氣泡的過程。溶氣水在釋氣過程中，其中的壓力能大部分轉(zhuǎn)化為氣體分子的動能，并且溶氣水的壓力梯度越大，則溶氣水壓力能轉(zhuǎn)化為氣體分子的動能越多，氣體分子越容易析出；另一方面，溶氣水的湍動能越大，則所析出氣體分子碰撞聚結(jié)形成氣核的質(zhì)量越高，最終形成的微細(xì)氣泡粒徑越小、越均勻。因此，可以用溶氣水的壓力梯度大小和湍動能作為衡量微氣泡發(fā)生器發(fā)泡效率或工作特性的評價標(biāo)準(zhǔn)，而該過程目前可以借助商用計算流體動力學(xué)(CFD)軟件ANSYS FLUENT或CFX等完成。

這里以油田采出水氣浮處理用新型微氣泡發(fā)生器為例，闡述本設(shè)計分析方法的實施步驟如下：首先，用GAMBIT等前處理軟件建立微氣泡發(fā)生器流道的幾何模型，包括確定模型的幾何尺寸、選取模型坐標(biāo)和對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分；然后，選取數(shù)值模擬方法，在模擬過程中，設(shè)置模擬介質(zhì)為水，等溫流動、不考慮熱量交換，湍流模型選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，求解方法采用SIMPLE算法，離散格式為一階迎風(fēng)格式，設(shè)置入口邊界設(shè)為速度入口(velocity inlet)，具體速度值可以依據(jù)方程V＝4Q/(πD²)(式中V為入口速度，Q為設(shè)計流量，D為入口直徑)求得，出口為壓力出口，壁面為默認(rèn)固體壁面；設(shè)置收斂殘差和迭代計算步數(shù)；最后對設(shè)置完成的模型進(jìn)行計算，收斂后對計算結(jié)果進(jìn)行后處理，包括數(shù)值的統(tǒng)計和模型對比分析等。本實例中，幾何模型在網(wǎng)格劃分過程中最終劃分為325333個六面體單元、348496個節(jié)點，設(shè)置入口流速為0.8m/s、靜壓為0.1MPa，設(shè)置出口壓力15kPa，迭代殘差為1e-6，迭代步數(shù)設(shè)為100000，計算收斂后進(jìn)行如下后處理：

1、壓力模擬結(jié)果分析

圖2a為截取y＝0平面的靜壓分布云圖，從圖中可以看出，微氣泡發(fā)生器的消能降壓流道內(nèi)，靜壓能由入口的9.3x10⁴Pa降至出口處的1.2x10⁴Pa，能量耗散率達(dá)到87％。其耗散過程大致可以分為三段，即水流入口至芯體反射孔，分流槽入口至分流槽出口和分流槽出口至消能降壓流道出口，并且弧形分流槽的壓降梯度(約從6.7x10⁴Pa降至2x10⁴Pa)要遠(yuǎn)大于另外兩段的壓降梯度，說明寬流道弧形分流槽的設(shè)計能夠有效降低水流壓力，增強(qiáng)了水流內(nèi)能向溶氣分子動能的轉(zhuǎn)化，促使溶氣分子更快、更完全地析出。

2、速度模擬結(jié)果分析

圖2b為截取y＝0平面的速度云圖，由圖可以直觀觀察水流在流道內(nèi)的流動狀況。水流經(jīng)過節(jié)流孔后的速度迅速升高，撞擊反射孔后速度降低，隨后進(jìn)入弧形分流槽后速度再次升高并在內(nèi)環(huán)流道形成旋流，最終水流撞擊壁面速度再次降低，速度矢量的變化與設(shè)計預(yù)期相吻合。水流經(jīng)過劇烈的加速、返混和撞擊，流速在經(jīng)過升高和降低的反復(fù)變化，可以預(yù)測流道內(nèi)將形成較大湍流強(qiáng)度和局部真空度，加速溶氣的析出和高質(zhì)量氣核的形成。

3、湍動能模擬結(jié)果分析

圖2c為截取y＝0平面的湍動能云圖，從圖中可以看出，水流經(jīng)節(jié)流孔后湍動能急劇升高，經(jīng)反射孔后湍動能進(jìn)一步升高，在弧形分流槽入口處達(dá)到最大。在消能降壓流道內(nèi)，湍動能的分布相對比較均勻，水流在整體流道內(nèi)的湍流強(qiáng)度變化較為劇烈，與速度模擬結(jié)果相吻合。因此，可以認(rèn)為本發(fā)明設(shè)計的消能降壓流道能夠有效提高水流的湍流強(qiáng)度，進(jìn)而提高微氣泡發(fā)生器的釋氣質(zhì)量。

為對比本發(fā)明新型溶氣釋放式微氣泡發(fā)生器與主流溶氣釋放器在消能降壓性能方面的優(yōu)劣，現(xiàn)構(gòu)建相同規(guī)格下四種溶氣釋放器對應(yīng)的物理幾何模型，即英國WRC型溶氣釋放器(這里簡稱WRC型)、常規(guī)TS型溶氣釋放器(這里簡稱TS型)、專利CN 102491442A物理激發(fā)器(這里簡稱WLJF型)和本發(fā)明新型溶氣釋放式微氣泡發(fā)生器(這里簡稱BIPT型)，并設(shè)置相同的邊界條件進(jìn)行CFD數(shù)值模擬計算。統(tǒng)計四種溶氣釋放器模型的最大湍動能和消能降壓流道進(jìn)出口的壓降值，并繪制折線對比圖如圖3所示。從圖中可以看出，與WRC型和TS型相比，WLJF型在湍動能方面優(yōu)勢明顯，可以認(rèn)為其在低飽和度溶氣水釋氣生成微氣泡方面確實有一定效果。但另一方面，BIPT型的最大湍動能和消能降壓流道進(jìn)出口的壓降值顯著高于其他三種產(chǎn)品，這說明本發(fā)明所獨(dú)特的寬流道、弧形分流槽和多級消能結(jié)構(gòu)致使水流依靠分流、旋流、反混和撞擊等形式進(jìn)行消能降壓的效果更為顯著，預(yù)計在實際應(yīng)用中，配合壓縮彈簧產(chǎn)生的高頻低幅震蕩作用，將會進(jìn)一步提高消能降壓效果，從而確保本新型溶氣釋放器在低飽和度溶氣水釋氣生成微氣泡方面的效率。

本發(fā)明提到的基于計算流體動力學(xué)(CFD)的設(shè)計分析方法，通過設(shè)定相關(guān)評價標(biāo)準(zhǔn)，建立不同計算模型，可檢驗所設(shè)計溶氣釋放器的有效性并與已有結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行對比分析，也可以對比關(guān)鍵結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)變化對設(shè)計性能的影響作用并對結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)進(jìn)行優(yōu)選；還可以通過設(shè)定不同的操作參數(shù)，優(yōu)選最佳操作條件，預(yù)測工作特性。更為重要的是，本發(fā)明所提到的設(shè)計分析方法，可以推廣到所有缺乏成熟設(shè)計理論和方法的微氣泡發(fā)生器創(chuàng)新設(shè)計環(huán)節(jié)，為設(shè)計人員提供一種科學(xué)合理的設(shè)計分析手段。

以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明披露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。