SCI论文（www.lunwensci.com）
摘要：为分析喷淋注水方式对煤炭地下气化生产井内产出气体降温效果， 基于有限元方法采用 DMP 模型与Realizable k-ε 湍流模型 对不同质量流量 、喷淋锥角 、雾化粒子直径和喷淋周期下生产套管壁面温度与出口温度分布进行了研究 。分析结果表明， 增大质 量流量可显著提高喷淋降温效果与高温气体降温速率; 较小的喷淋锥角对降温效果的影响较小， 当喷淋锥角增大至 40°以上时， 套 管壁面温度将会随喷淋锥角的增大而有一定幅度的降低; 较大的雾化粒子直径可以略微提高喷淋管壁处的降温效果， 而较小的雾 化粒子直径可显著提高流场整体降温效果; 当喷淋总量一定时， 采用周期性喷淋的方式可以显著提高降温效果， 但当周期时间增 大时， 将会使壁面处温度有一定的升高; 最后优化选取 0.2 kg/s 质量流量 、45°以上喷淋锥角 、1 mm 左右雾化粒子半径 、0.01 s 周 期性喷淋等参数对生产井筒进行降温 。研究成果为煤炭地下气化喷淋参数的选取提供了技术依据。
关键词 ：煤炭地下气化,喷淋锥角,质量流量,有限元仿真,喷淋降温
Analysis of Spray Cooling of High-temperature Gas Produced by UndergroundCoalGasification Based on DMP Model and Realizable k- ε Turbulence Model
Zhao Huanzhen1. 2. Wang Jianjun2※， Zhou Sheng1. 2. Zhang Chao3. Ren Xiangyi2. Yang Chenjuan1
( 1. Mechanical Engineering College, Xi'an Shiyou University, Xi'an 710065. China;
2. CNPC Tubular Goods Research Institute, State Key Laboratory of Performance and Structural Safety for Petroleum Tubular Goods and Equipment Materials , Xi'an 710077. China;
3. 1st Gas Plant of PetroChina Changqing Oilfield Company, Jingbian, Shaanxi 718500. China)
Abstract: In order to analyze the cooling effect of spray water injection on the produced gas in the underground coal gasification production well, based on the finite element method, DMP model and realizable k-ε model were used to study the wall temperature and outlet temperature distribution of production casing under different mass flow, spray cone angle, atomized particle diameter and spray cycle. The results show that increasing the mass flow can significantly improve the cooling effect of spray and the cooling rate of high-temperature gas . Smaller spray cone angle has less influence on the cooling effect. When the spray cone angle increases to more than 40° , the casing wall temperature will decrease to a certain extent with the increase of spray cone angle. Larger atomized particle diameter can slightly improve the cooling effect at the spray pipe wall, while smaller atomized particle diameter can significantly improve the overall cooling effect of the flow field . When the total amount of spraying is certain, the periodic spraying can significantly improve the cooling effect, but when the cycle time increases, the temperature at the wall will rise to a certain extent. Finally, the parameters such as 0.2 kg/s mass flow, spray cone angle above 45° , atomized particle radius of about 1mm and 0.01 s periodic spray are optimized to cool the production shaft. The research results provide a technical basis for the selection of spray parameters of underground coal gasification.
Key words: underground coal gasification; spray cone angle; mass flow; finite element simulation; spray cooling
0 引言
近些年来， 煤炭地下气化技术 ( UCG ) 的发展给我 国煤炭资源的利用提供了新方法， 成为了我国能源领域 的重要研究方向之一 。煤层经氧化还原反应形成的高温 煤气在进入生产井时， 其最高温度能够接近 900 ℃ 。在 此温度下， 现行 API 套管强度难以满足使用工况， 对井 筒的安全性及密封性造成严重威胁 。为此， 需采用喷淋注水工艺对高温气体进行降温， 从而降低井筒整体温度， 准确预测流体温度分布， 为后续煤气化生产井井身设计 提供依据。
随着 CFD (计算流体力学) 技术的发展， 采用数值 计算方法对流体换热问题进行数值模拟的研究越来越多， 余清远等[1]对高温热管内气液两相流进行了传热特性分 析; 邓小叶等[2]对波节管内流体的温度分布进行了模拟，分析了波峰直径 、弧形段长度对流体传热特性的影响; 张朋等[3]利用有限元软件对密闭容器内液氮相变传热特 性进行模拟 。王文松等[4]采用数值模拟的方法， 对壳式 换热器内流体温度与流动状态进行分析 。王军等[5]采用 数值模拟计算方法对海底管道内试压海水温度场的变化 及其引起的压力变化 。 闫明宇等[6]对两相闭式虹吸管在 不同蒸发段的壁温 、充液率下的传热效率进行了数值模 拟 。王常斌等[7] 采用数值计算的方法计算了埋地热油管 道沿程温降， 分析了管道埋深 、管道半径 、管道流量、 保温层以及非稳态对管道传热的影响 。王永兴[8]对两股 流体的流动情况及混合时两种流体的流动情况进行了模 拟 。游江等[9]利用有限元法对逆流密闭式冷却塔填料区 的膜状流动用滴状流动近似模拟。
本文采用有限元分析法， 首先建立流体模型， 对煤 气化生产井产内流体温度场进模拟， 随后改变喷淋液体 质量流量 、喷淋锥角 、雾化粒子直径与喷淋周期， 探讨 各参数对高温气体降温效果的影响。
1 数学模型
本文在建立模型时做出如下假设[10- 13]： ( 1 ) 湍流 模型选用 Realizable k-ε 湍流模型; ( 2 ) 忽略喷淋管内 液体换热并且忽略流体温度对流体物理性能的影响; ( 3 ) 雾化模型采用滴液破碎模型; (4 ) 喷嘴模型选用 压力旋流喷嘴; (5 ) 所有壁面均认为是绝热且无滑移 壁面 。
对于连续相流体来说， 考虑其温度变化与组分变化， 其控制方程如下[14]。
( 1 ) 连续性方程：
+ div (ρu) = 0 ( 1 )
( 2 ) 动量守恒方程：
+ div (ρuu) = div (μ grad u) -+ Su ( 2 )
+ div (ρvu) = div (μ grad v) -+ Sv ( 3 )
+ div (ρwu) = div (μ grad w) - + Sw ( 4 )
( 3 ) 能量方程：
+ div (ρuT) = div (grad T) + ST ( 5 )
( 4 ) 忽略化学反应的发生， 组分方程为：
+ div (ρucs ) = div (Ds grad (ρcs )) + Ss ( 6 )
( 5 ) 输运方程：
+ =(μ +)+ Gk - ρε ( 7 )
+ =(μ +) 2ε
ρC 1 Eε - ρC2k +
( 6 ) 离散相颗粒的运动方程为： = fD (u - up ) + + fi
式中： ρ 为连续相流体密度， kg/m3; u、v、w 为速度矢量 在 x、y、z 方 向 上 的 分 量; μ 为 动 力 黏 度， Pa ·s; Su、Sv、Sw 为 x、y、z 方向上的广义源项; c p 为定压比热 容， J/ (kg·K ); k 为流体的传热系数; ST 为黏性耗散项; cs 为组分 s 的体积浓度， %; Ds 为组分 s 的扩散系数;fi (i =x, y, z ) 为附加加速度项; u)为连续相速度， m/s; -一up为 颗粒速度， m/s; ρp 为颗粒密度， kg/m3;fD 为曳力函数;
2 数值计
2.1 物理模型及网格划分
考虑煤气化生产井实际井身结构， 生产套管选用外 径 7 inch， 壁厚 12.65 mm 的 P110 套管柱 。 图 1 所示为喷 淋管处产出气体流经区域几何模型， 其流体区域结构尺 寸如表 1 所示 。将模型简化为二维对称模型并进行结构 化网格划分， 面网格采用四边形网格划分， 边界网格划 分方式采用数量定义， 生长比率为 1. 图 2 所示为局部网 格模型示意图， 共划分网格 155 000 个， 节点 157 081 个， 网格平均质量 0.99 812. 符合计算要求。
2.2 求解设置
本文采用基于压力的求解器 、瞬态 、湍流模型选择 Realizabe k-ε 模型， 选用标准壁面函数处理近壁面区域， 在求解控制中， 同时开启能量方程 、组分输运模型和离
散相模型; 压力-速度耦合方式采用 SIMPLE 算法， 对流 相全部采用 Second Order Upwind 模式[15]。
2.3 边界条件设置
( 1 ) 入口： 入口类型采用 Velocity-inlet， 速度大小 定为 75 m/s， 温度为 900 ℃， 离散相 BC 类型为reflect。
( 2 ) 出口： 出口类型采用 Pressure-outlet， 回流温度 为 25 ℃， 离散相 BC 类型为escape。
( 3 ) 壁面： 壁面类型为绝热无滑移壁面， 离散相 BC 类型为 reflect。
3 结果与讨论
3.1 流体温度场分析
图 3 所示为在质量流量为 0. 1 kg/s、喷淋锥角 45 ° 、粒 子半径为 1 mm 时不同喷淋时间下产出气体温度场分布情 况。由图可知， 产出气体温度在0.2 s 内降温迅速， 由于喷 淋液体在换热过程中不断吸热， 高温气体与液体之间温差 逐渐缩减， 换热效果逐渐降低， 导致高温气体在喷嘴处降 温效果最为明显， 温度可降至 200 ℃以下; 而壁面处降温 效果最差， 经充分换热后气体温度仍在 600 ℃左右 。由于 粒子之间相互碰撞、气液两相之间相互干扰、气体组分变 化等因素的影响， 造成流场内流体的不规则运动， 使得高 温气体温度在一定区间内上下波动， 不能达到稳定不变。
3.2 质量流量对降温效果的影响
为分析质量流量对降温效果的影响， 在其他条件相 同的情况 (粒子直径 1 mm 、喷淋锥角 45° 、连续喷淋) 下分别对质量流量为 0.05 kg/s 、0. 1 kg/s 和 0. 15 kg/s 下流 体温度场进行模拟 。图 4 所示为 0.2 s 时各质量流量下套 管内壁面处气体温度与模型出口处气体温度的分布， 由 图可知， 当质量流量为 0.05 kg/s 时， 壁面处气体温度最 低为 785 ℃， 出口处气体温度最低为温度为 653 ℃; 当质 量流量增大到 0. 15 kg/s 时， 壁面处气体的最低温度可降 至 390 ℃， 出口处气体温度最低为 358 ℃ 。增大质量流量 在显著提高降温效果的同时也提高了对高温气体的降温 速率; 同时， 在较大的质量流量下， 出口处的温度分布 区间明显减小。
3.3 喷淋锥角对降温效果的影响
图 5 所示为在相同条件 (质量流量 0. 1 kg/s 、粒子直 径 1 mm 、连续喷淋) 下不同喷淋锥角下 0.2 s 时壁面处气 体温度与出口处气体温度的分布， 由图可知， 在较小的 喷淋锥角下， 增大喷淋锥角几乎对降温效果没有任何影 响， 当喷淋锥角达到 40°以上时， 增大喷淋锥角会对降 温效果有小幅度影响： 在 40°喷淋锥角下， 最低壁面温 度为 589 ℃; 当喷淋锥角增大到 60°时， 壁面温度最低降 至为 542 ℃; 同时， 当喷淋锥角由 30°增大至 60°时， 其 开始降温深度由 1 158 mm 升高至 1 088 mm， 降温深度减 少约 6% 。
3.4 雾化粒子直径对降温效果的影响
图 6 所示为不同雾化程度下壁面处气体温度分布与 出口处气体温度分布 。 由图可知， 在其他条件 (质量流 量 0. 1 kg/s 、喷淋锥角 45° 、连续喷淋) 一定的情况下， 当提高雾化程度以减小粒子直径时， 壁面与出口处气体 的降温效果会显著增大 。当喷淋液体被雾化为 3 mm 直径粒子时， 壁面温度最低为 821 ℃; 当粒子直径雾化到 1 mm 时， 壁面处气体温度最低可降低至 557 ℃; 对于出 口气体温度分布来说， 当粒子直径由 3 mm 降低至 2 mm 时， 出口处气体最低为温度由 607 ℃升高至 617℃， 但当 继续增大雾化程度后， 出口处气体最低温度将会随之降 低 。 由此可知， 较大的粒子直径会在喷淋初期有较强的 降温效果， 但较小的粒子直径将会提高整体降温效果。
3 .5 喷淋周期对降温效果的影响
为讨论喷淋周期对降温效果的影响， 图 7 (a) 所示 为在质量流量 0. 1 kg/s 、粒子直径 1 mm 、喷淋锥角 45°时 不同喷淋周期 ( 0.002 s 间隔 、0.004 s 间隔和 0.005 s 间 隔) 下和 0.05 kg/s 、粒子直径 1 mm 、喷淋锥角 45°下的 连续喷淋情况壁面处气体温度分布 。 由图可知： 在其他 条件一定的情况下， 连续喷淋降温仅能使壁面温度最低 降至 785 ℃; 而采用周期性喷淋降温时壁面温度最低可 达到 716 ℃ 。图 7 (b) 为在质量流量 0.2 kg/s 、粒子直径 1 mm 、 喷 淋 锥 角 45° 时 不 同 喷 淋 周 期 ( 0.004 s 间 隔 、 0.005 s 间隔和 0.01 s 间隔) 下壁面处气体温度分布， 同 质量流量 0. 1 kg/s 、粒子直径 1 mm 、喷淋锥角 45°下的连 续喷淋情况做对， 结果表明， 当喷淋周期为 0.01 s 时， 可达到更好的降温效果 。另外， 较大的喷淋周期将会导 致部分高温气体不能充分换热， 使得壁面温度会有一定 程度上升。
4 结束语
( 1 ) 本文分析不同参数下喷淋注水对煤炭地下气化 生产井内产出气体降温效果的影响， 结果表明喷淋液体 的质量流量对降温效果的影响最大， 其次为雾化粒子直 径和周期性喷淋方式的影响， 而喷淋锥角对降温效果的 影响并不明显 。建议选取 0.2 kg/s 质量流量 、45°以上喷淋锥角 、1 mm 左右雾化粒子半径 、0.01 s 周期性喷淋等 参数对生产井筒进行降温 。研究成果为煤炭地下气化喷 淋参数的选取提供了技术依据。
( 2 ) 通过对比周期性喷淋方式与连续喷淋方式下壁 面温度分布情况可以确定： 在总注水量一定的情况下， 适当的周期性喷淋可以显著提高对产出气体的的降温效 果 。但随着喷淋周期间隔的增大， 部分高温气体不能充 分降温， 导致温度会在一定程度上增高， 不同工况下的 喷淋周期的选取尚需做进一步研究。
( 3 ) 考虑到煤气化生产井井下工况复杂， 对于雾化 喷头及整体喷淋系统的建设还需进行实物实验， 以佐证 本文结论的可靠性及可行性。
参考文献：
[1] 余清远,赵鹏程, 马誉高 . 基于 CFD 方法的高温热管特性研究 [J]. 核动力工程,2022.43(2):1-7.
[2] 邓小叶, 彭培英, 朱海荣,等 . 基于 Fluent 的波节管内流体流动 与传热特性研究[J]. 河北工业科技,2020.37(3):144- 150.
[3] 张朋 , 吴志林 . 基于 FLUENT 的液氮相变传热的数值模拟[J]. 低温与超导,2014.42(8):26-29.
[4] 王文松,刘霜 . 基于 FLUENT 的管壳式换热器数值模拟分析[J]. 管道技术与设备,2019(6):30-31.
[5] 王军, 李友行, 郑秋明,等 . 基于 FLUENT 的试压海底管道传热 特性分析[J]. 石油工程建设,2017.43(1):31-33.
[6] 闫明宇,孙铁,杨雪峰,等 . 两相闭式热虹吸管最佳传热工况的 数值分析[J]. 石油化工高等学校学报,2015.28(5):91-94.
[7] 王常斌,赵月, 贾雪松,等 . 热油管道温度场的数值模拟[J]. 管道 技术与设备,2011(3):9- 12.
[8] 王永兴 . 烟气混合流场模拟计算[J]. 山东化工 , 2018. 47(15):177- 179.
[9] 游江,周亚素,赵敬德,等 . 逆流密闭式冷却塔热力特性数值模 拟[J]. 建筑热能通风空调,2010.29(3):13- 16.
[10] Versteeg H K, Malalasekera W. An introduction to computation⁃ al fluid dynamics : the finite volume method[M]. 北京 : 世界图 书出版公司,2010.
[11] 陶文铨 . 数值传热学[M]. 西安: 西安交通大学出版社, 2001.
[12] 刘日超, 乐嘉陵,杨顺华,等 .KH-RT 模型在横向来流作用下射 流雾化过程的应用[J]. 推进技术,2017.38(7):1595- 1602.
[13] 徐锋 . 水冲压发动机喷嘴设计研究[D]. 上海:上海交通大学, 2007.
[14] 方达宪, 王艳华, 王伟,等 . 流体力学[M]. 南京:东南大学出版 社, 2018.
[15] 何川 . CFD 基础及应用[M]. 重庆:重庆大学出版社, 2015.
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