原油储罐沉积物超声空化清洗特性与机理的数值模拟研究

本研究针对超声清洗原油沉积物过程中多物理场耦合机制不明的问题，开发了以空化气泡生长半径和微射流速度为关键耦合变量的多场耦合模型，揭示了超声频率、压力及原油物性对清洗效率的影响规律。结果表明降低频率、提高压力可增强空化效应，而高粘度会抑制清洗效果，为超声空化技术在原油储罐清洗中的工业应用提供了理论指导。

　　

在能源工业领域，原油储罐底部沉积物的清理一直是个棘手难题。这些由胶质、沥青质与砂石等杂质形成的致密沉积物，不仅会堵塞出口管道、减少储罐容量，更可能因含有危险物质而对环境和生产安全构成重大威胁。传统清洗方法如机械清洗、热水循环和化学清洗剂等存在环境污染风险高、原油浪费严重等缺陷。相比之下，超声空化清洗技术以其低污染、高能效和安全性的特点，展现出巨大应用潜力。

然而当前研究存在明显空白：学术界对超声清洗过程中声场、流场与结构力场之间的耦合相互作用关注不足，导致对空化微射流去除沉积物的规律性和动力学机制认识不清。正是为了突破这一瓶颈，西南石油大学的研究团队在《Ultrasonics Sonochemistry》上发表了这项创新研究，通过建立多物理场耦合数值模型，首次实现了对超声空化微射流清洗全过程的可视化与量化分析。

研究人员采用了多项关键技术方法：基于Rayleigh-Plesset（R-P）方程的空化气泡动力学模型，结合VOF（Volume of Fluid）法的气液两相流模拟，引入RHT（Riedel-Hiermaier-Thoma）本构模型并创新性地加入Zener模型粘弹性项来描述沉积物的力学响应，以及SPH（光滑粒子流体动力学）方法处理微射流冲击过程。研究还通过高速摄像实验验证了数值模型的可靠性，实验样本来自新疆油田的真实原油储罐沉积物。

4.1 模型验证

通过对比水下脉冲放电实验数据，验证了空化气泡坍塌微射流动力学模型的准确性。模拟结果与Yang和Shan的实验结果高度一致，特别是微射流速度预测值与实验测量值的误差在合理范围内。沉积物清洗模型的验证则通过自主搭建的超声清洗实验平台进行，结果表明数值计算的空蚀坑直径与实验测量值相对误差小于10%。

4.2 空化气泡生长动力学分析

研究发现超声操作参数对空化气泡生长具有显著影响：降低超声频率、提高超声压力可增大气泡生长半径，而当超声压力达到100kPa时，气泡半径显著增大，表明这是空化阈值压力。原油物性方面，粘度增加会抑制气泡生长，密度变化则影响较小。

4.3 空化气泡坍塌动力学分析

4.3.1 微射流的形成与发展

模拟揭示了空化气泡靠近壁面时的非对称坍塌过程：靠近固体侧受到更强反作用力，使气泡相对侧（上方）更剧烈坍塌，形成向下的微射流。整个过程分为预坍塌阶段、中坍塌阶段和完全破裂阶段，最终形成的微射流速度可达55m/s。

4.3.2 超声参数对微射流速度的影响

微射流速度随超声压力增加而提高，从120kPa时的32.4m/s增加到1000kPa时的122.4m/s；而随频率增加从20kHz到100kHz，速度从55.2m/s降低到36.1m/s。

4.3.3 原油粘度对微射流速度的影响

原油粘度从8mPa·s增加到100mPa·s时，微射流速度显著降低，与Luo等的实验结果趋势一致。

4.4 气泡位置和数量对微射流速度的影响

通过多气泡模拟发现，微射流速度随气泡数量增加而提高，但气泡数量超过6个后提升不再明显；气泡间距增大则会导致速度降低。据此建立了考虑气泡数量和间距的微射流速度关联式。

4.5 重质沉积物清洗去除机理

4.5.1 超声操作参数对沉积物去除量的影响

空蚀坑直径和深度随超声压力增加而增大，沉积物清洗量φ从0.005增加到0.036；随频率增加从20kHz到60kHz，清洗量从0.011锐减到0.0069。

4.5.2 原油粘度对重质沉积物清洗去除量的影响

原油粘度增加会抑制空化气泡生长，削弱微射流强度，减少空蚀坑尺寸，当粘度超过40mPa·s后清洗效果不再显著变化。

4.5.3 微射流清洗沉积物的动力学分析与力学响应

微射流冲击沉积物表面产生应力波，当应力超过沉积物内聚力时产生颗粒间断裂，形成永久塑性应变和空蚀坑。应力波传播至罐底壁面时，在沉积物-壁面粘结界面上产生裂纹，促进沉积物去除。

4.6 应用分析

4.6.1 超声压力衰减效应

通过建立超声压力传播模型，发现单个0.5MPa超声换能器的有效空化区域直径约为0.8m，且径向水平方向的衰减比垂直底部方向更强。

4.6.2 工业原油储罐中的沉积物清洗

宏观数值模拟表明，单个0.5MPa超声换能器可产生超过0.47m半径的清洗效果，最大清洗强度出现在换能器正下方。通过宏观实验验证，数值模拟与实验结果相对误差小于6%。

4.7 讨论

研究指出了当前模型的局限性：实际工业超声空化过程中会产生大量非均匀分布的气泡，其成核位点随机分布，这种随机性和非均匀性未在当前建模框架中考虑。未来需要开展宏微观实验，研究真实空化过程中气泡簇的空间分布特性和成核行为。

研究结论表明，建立的多物理场耦合模型成功揭示了超声空化微射流清洗去除沉积物的动力学机制。量化表征了超声操作参数和原油物性对清洗效率的影响规律，证实降低频率、提高压力可增强清洗效果，而高粘度原油会抑制清洗过程。应力波在沉积物内的传播及其在沉积物-壁面界面的效应是去除沉积物的关键机制。通过宏观数值模拟和实验验证，证实单个0.5MPa超声换能器可实现约0.5m半径的有效清洗，为工业应用提供了重要设计依据。

这项研究不仅深化了对超声空化清洗机理的理解，更为原油储罐清洗技术的工业化应用提供了理论指导和技术支撑，对促进清洁能源生产、提高石油资源利用率具有重要意义。