гидравлика

ИСТЕЧЕНИЕ ГАЗОВЫХ СТРУЙ

РАБОТА 27

Определение расхода вертикальной газовой струи, истекающей в слой жидкости, по измеренным геометрическим параметрам газожидкостного бугра на поверхности жидкости

Учебно-лабораторная установка для исследования внедрения газовых струй в слой жидкости

Принципиальная схема установки показана на рис. 27.1.

Установка состоит из бака 1, сделанного из прозрачного оргстекла, ко-

торый заполняется жидкостью (водопроводной водой) до некоторого уровня.

Сменные сопла при помощи резьбового соединения установлены на держате-

ле 2. Положение держателя можно изменять по отношению к свободной по-

верхности жидкости, как по высоте, так и по углу наклона. Сжатый воздух по-

даётся к соплу от компрессора 3 через трубку, подсоединённую к держателю

2. Для сглаживания пульсаций воздуха, после компрессора установлен реси-

вер 4. Для устранения влияния на формирование газожидкостного бугра отраженных от стенок волн установлен волногаситель 12 в виде рамки, распо-

ложенный по периметру бака 1 на уровне свободной поверхности.

Рис. 27.1. Схема установки. 1 – бак; 2 – держатель; 3 – компрессор; 4 – ресивер; 5 – кран; 6

– датчик давления; 7 – электронный расходомер; 8 – электронная линейка; 9 – датчик концентрации; 10 – измерительная система PowerLab; 11 – источник света; 12 – волногаситель; 13 – Г – образная штанга; 14 – направляющий элемент штанги; 15 – подводящая линия к соплу

- 121 -

Для измерения геометрических размеров бугра и гидродинамических параметров вытекающей струи газа использованы как стандартные приборы промышленного изготовления, так и сконструированные в лаборатории.

Размеры бугра измеряются по теневому отражению с помощью сконст-

руированного датчика - электронной линейки 8 (рис. 27.2). Принцип работы линейки основан на непрерывной записи изменения напряжения на выходе электронной схемы в зависимости от количества затенённых фотодиодов бугром. Линейка выполнена в виде пластины, в которую вмонтирован ряд фо-

тодиодов. Линейка позволяет успешно решить задачу измерения геометриче-

ских размеров газожидкостного бугра, непрерывно изменяющего свои пара-

метры во времени.

Рис. 27.2. Электронная линейка с блоком питания и усилителем

Явления истечения струй в слой жидкости имеют место во многих тех-

нологических процессах нефтегазовой промышленности (струйные насосы,

флотационные технологии, истечение из насадков и так далее), а также могут возникать в аварийных ситуациях (аварийное фонтанирование скважин при затопленной области вокруг устья; разрыв газопровода, проложенного по дну водоёма и так далее). Измерение расхода газа (дебита) аварийно-

фонтанирующей скважины по параметрам газожидкостного бугра произво-

дится, когда недоступны другие методы измерения. Знание этого дебита необ-

ходимо для создания оптимального глушения скважины, в том числе, мини-

- 122 -

мальных затрат по времени на глушение и, следовательно меньшее воздейст-

вие выброшенного газа на состояние окружающей среды.

Геометрическая схема истечения вертикальной газовой струи плотно-

стью g из отверстия (сопла) диаметром dc через слой жидкости конечной толщины h и плотностью l представлены на рис. 27.3.

Рис. 27.3. Геометрическая модель истечения струи через слой жидкости.

H – высота бугра; h – толщина слоя жидкости; D –диаметр бугра; d –диаметр струи у поверхности слоя жидкости; dс – диаметр сопла; S – площадь круглого сопла; Qm – массовый расход газа.

Известны экспериментальные формулы, связывающие параметры исте-

чения [ ]

Qm H Lg0,5h S1,25 / 1,32h1,91S0,044 0,804H h2 690,2S

где L – плотность жидкости.

- 123 -

В формулы (19.144) не входит диаметр бугра, так как он функционально связан с высотой бугра и это обстоятельство учтено в формулах.

(27.240)

Методика обработки результатов опыта

1. .

2.Сравнивают полученный расчётный результат расхода с замеренным

спомощью компьютерной системы PowerLab. Для этого вычисляют относительное расхождение результатов по формуле

Q1 Q2 100% .

Q2

- 125 -

РАБОТА № 28

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ ГАЗА И ОЦЕНКА ПЛОТНОСТИ ГАЗОЖИДКОСТНОЙ СМЕСИ В СТРУЕ И ГАЗОЖИДКОСТНОМ БУГРЕ

Цель работы

1.Изучение насыщенности струи и газожидкостного бугра газом.

2.Сравнение полученных оценок концентрации в струе по параметрам струйного течения с концентрацией, измеренной методом отсечек.

Краткая теория

Плотность газожидкостной смеси определяется в заданном сечении струи следующим образом

см g l(1 ) l ( l g) ,

(28.241)

где индекс g относится к газу, индекс l к жидкости, - функция истинного газосодержания.

По определению функции истинного газосодержания для малой толщи-

ны слоя струи h имеем

где Sg - суммарная площадь, занимаемая газом в поперечном слое струи или бугра; S = Sg + Sl площадь поперечного сечения струи; Vg и Vl - объёмы,

- 126 -

занимаемые газом и жидкостью в малом слое струи толщиной h; V = Vg +

Vl - объём слоя.

Для малого объёма газа Vg для любого сечения струи справедливы оценки

h Sс Vg h Sg,

(28.243)

где Sс = dc2/4, Sg = dg2/4- площадь выходного отверстия сопла и площадь занимаемой газом в верхнем поперечном сечении струи.

Разделив обе части уравнения (28.243) на максимальный (приповерхностный)

объём смеси V, и, учитывая, что V = h Sd = h d2/4, получим оценку для истинного газосодержания в приповерхностном слое

Считаем, что на одном и том же уровне давление в струе равно давлению в жидкости, то есть гидростатическому давлению

pgн = pgв + lgh,

(28.245)

где pgн, pgв - давления на произвольных нижнем и верхнем слоях.

Поскольку температуру всюду считаем одной и той же, то отношение давле-

ния к плотности газа в любом сечении является постоянной величиной

p/ g = const.

(28.246)

Сначала дадим оценку истинного газосодержания в струе.

Согласно закону сохранения массы имеем (массовый расход газа, про-

ходящий через каждый слой один и тот же)

- 127 -

Qm = Vg g/ t = const.

(28.247)

Таким образом, используя (28.247), можно записать для разных слоёв (рис. 28.1)

Vg1 g1/ t = Vgс gс/ t,

(28.248)

где g1, gс - плотности газа в приповерхностном слое и у сопла, Vg1, Vgс -

объёмы газа в приповерхностном слое и у сопла, проходимые через фиксиро-

ванный слой за один и тот же момент времени.

Раскрывая значения Vg1, Vgс , перепишем формулу (28.248) в виде

dg2/4 hg1 g1 = dс2/4 hgс gс .

(28.249)

Рис. 28.1. К определению концентраций и плотностей

в струе (вблизи поверхности) и в газожидкостном бугре

Из (28.249) найдём

dg2 = dс2 hgс gс/( hg1 g1)

- 128 -