基于CFD的混砂车搅拌罐入水口规划分析及优化

黄芷薇 宋康康 邢丽丽

（长江大学机械结构强度与振动研究所，荆州 434023）

随着油气行业的发展，压裂在油气开采方面起着越来越重要的作用[1]。作为压裂的主要设备，混砂车的主要作用是为混砂车提供混合好的压裂液，经压裂泵加压后挤入井底岩层[2]。要想造出高质量的储层缝隙，要求混砂装置能够将压裂液与支撑剂快速均匀地进行混合，保证支撑剂在混砂装置出口端分布均匀。

混砂车性能直接影响压裂施工作业效果，从而影响原油增产措施效率及原油的产量，其稳定性、可靠性和安全性影响着压裂施工作业的整体工作效率。目前，针对压裂混砂搅拌装置的研究主要集中在不同桨叶叶型及桨叶所处位置对搅拌效果的影响[3-6]，对于混合时间及混合均匀度评判标准的研究较少，但可参考其他类型搅拌装置进行研究。本文借此对混砂搅拌装置混合效果进行进一步的研究。

本文利用Fluent软件对搅拌罐的内筒入水口数量进行改进优化，目的在于得到混合时间更短、混合均匀度更高的混砂车搅拌罐结构，为搅拌罐的设计提供理论指导。

1 三维模型及网格划分

以某企业混砂车搅拌罐为例进行优化，以期得到混合时间更短、搅拌均匀度更高的搅拌罐结构[7]。某企业混砂车搅拌罐结构如图1所示。水通过进水口进入外筒与内筒之间的环形空间，然后由上、中、下3层每层各6个进水口进入搅拌区域。进砂口设置在最上端，砂相和水相经过搅拌桨搅拌混合，混合后形成的混合液由底部排出口排出。其中，上叶轮设置导流装置，在便于液体形成上下的循环流动，从罐顶进入的部分砂粒随着导流装置被快速导入搅拌罐底部进行混合，保证了混砂的效率。固相砂粒和液相水在搅拌区内进行充分的搅拌混合，形成压裂液排出混砂罐经过压裂设备进行压裂作业。

对模型进行网格划分时，因为搅拌罐形状不规则，所以采用非结构化网格。将搅拌罐分为静止区域和搅拌区域两部分，靠近搅拌桨的部分搅拌速度较快，该部分的流体流动变化剧烈。为了保证计算的精度，需对此部分进行加密处理。最终共划分网格数量为 875 623网格单位。网格划分如图2所示。

2 数值模拟

2.1 流体力学模型

石英砂与清水的混合类型属于固-液两相流动，故需要引入多相流模型对其进行描述。Fluent中常用的多相流模型有VOF、Mixture、Eulerian等。考虑到石英砂与清水之间存在不同的速度，本文采用Mixture模型模拟固液两相流动。根据混砂搅拌系统的实际工作状况，搅拌系统的流场规律需满足质量守恒方程及动量守恒方程。

式（1）中：ρ为液体密度；t为搅拌时间；u、v和w是速度矢量在x、y和z方向上的分量。式（2）中：p和t分别表示微元上的压力和粘性应力的分量，g和F为微元上的体积力。

2.2 数值模拟设置

搅拌罐搅拌流体的流动属于旋转参考系中的流动，因此采用滑移网格模型。混合液为砂-水固液两相，属于固液悬浮搅拌，采用多相流Mixture模型。搅拌过程属于复杂的旋转流动，故采用Realizable k-ε湍流模型。

2.3 边界条件的设定

搅拌罐的转速设定为300 r·min-1，液相设定为水，固相砂粒视为拟流体。采用多重参考系模型（MRF）将反应区分成旋转及静止两个部分，搅拌器附近区域在旋转参考系下计算，其他区域使用静止参考系，交界面上的速度通过交界面interface转换。进砂口与进水口设为velocity-inlet，搅拌罐内筒上入水口数量设为18，排出口设为pressure-outlet，出口压力设为0，含砂比为30%，进砂速度和进水速度根据需求设定。

3 仿真结果及分析

3.1 有无内筒对比

对搅拌罐是否存在内筒两种结构的内部流场进行数值模拟，得到排出口平均密度随时间变化的曲线图如图3所示。

根据图3可以看出，增加内筒对混合时间并没有太大的改进效果。再对比排出口密度云图得到图4，可以看出，存在内筒的情况下，排出口的最大密度与最小密度之间差值更小，即排出口密度更均匀。

3.2 内筒上入水口数量

根据上述分析可以得出，内筒的存在能起到提高混合均匀度的作用。对此进行进一步分析，讨论内筒上入水口的数量对混合均匀度和混合效率的影响。为研究内筒上入水口数量对混合效率的影响，在保证入水口分布均匀的情况下，改变搅拌罐内筒上入水口数量，分别设置为6个、12个、18个及24个，以混合时间和排出口的密度分布为指标描述对混合效果的影响。对比分析结果如图5所示。

根据图5可以得出，入水口数量不同时，达到基本混合均匀情况的时间相差并不大。混合时间的定义与试验一样，采用国际上通用的95%规则，即取当固相浓度达到最终稳定浓度值的±5%时作为混合时间。入水口数量不同时，达到基本混合均匀情况的混合时间都在9.2 s左右。

不同入水口数量排出口密度分布图如图6所示。根据图6可以看出，在入水口数量不同时，排出口的固相体积分数均在30%左右，即固液混合基本均匀。此外，随着入水口数量的增加，排出口最大与最小处的密度差值逐渐减小，即排出口密度更均匀。

4 结论

（1）根据仿真结果得出结论，存在入水口的结构能使入水更加均匀，显著提高排出口均匀度，从而提高混合效果。

（2）不同入水口数量对达到混合均匀情况下的混合时间影响不大，但对混合均匀度影响较大，入水口数量越多，混合越均匀。