陳 暢,張 帆，張世富,張起欣

(后勤工程學(xué)院 a.軍事油料應(yīng)用與管理工程系; b.機(jī)械電氣工程系; c.國(guó)家救災(zāi)應(yīng)急裝備工程技術(shù)研究中心; d.軍事供油工程系, 重慶 401311)

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【后勤保障與裝備管理】

近海油料輸轉(zhuǎn)系統(tǒng)管線排空模型及數(shù)值模擬

陳 暢a,張 帆b，張世富c,張起欣d

(后勤工程學(xué)院 a.軍事油料應(yīng)用與管理工程系; b.機(jī)械電氣工程系; c.國(guó)家救災(zāi)應(yīng)急裝備工程技術(shù)研究中心; d.軍事供油工程系, 重慶 401311)

針對(duì)近海油料輸轉(zhuǎn)系統(tǒng)管線排空作業(yè)，建立了管線排空數(shù)學(xué)模型，運(yùn)用MATLAB軟件，計(jì)算了在不同工作壓力情況下，管線總的排空時(shí)間；分析了在不同時(shí)間間隔下，管線受到的摩擦阻力和速度分布情況；運(yùn)用ANSYS軟件，構(gòu)建了管線排空數(shù)值模型，分析了管線壓力分布、速度分布以及流體軌跡分布規(guī)律，對(duì)掌握管線排空作業(yè)過(guò)程中的力學(xué)規(guī)律具有指導(dǎo)意義。

近海油料輸轉(zhuǎn)系統(tǒng)；管線排空；數(shù)值模擬；ANSYS；MATLAB

軟質(zhì)管線因其較大的抗拉強(qiáng)度和較小的抗彎剛度，具有儲(chǔ)存空間小和便于收展的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于近海油料輸轉(zhuǎn)和其他海洋工程領(lǐng)域。在近海進(jìn)行油料輸轉(zhuǎn)作業(yè)后，為了實(shí)現(xiàn)管線快速撤收，必須先對(duì)管線實(shí)施排空作業(yè)。有關(guān)學(xué)者對(duì)管線排空進(jìn)行了相關(guān)研究。甘文瀟等[1]對(duì)目前采用的自流排空、水頂法排空、氣頂法排空等工藝技術(shù)特點(diǎn)，進(jìn)行了分析比較。吳秀全等[2]針對(duì)注汽鍋爐冬季點(diǎn)停爐排空管線凍堵問(wèn)題，提出了解決對(duì)策并進(jìn)行了改進(jìn)。劉忠輝等[3]對(duì)聚酯裝置漿料配制罐排空管線的堵塞原因進(jìn)行了分析。姜俊澤等[4]根據(jù)鋼質(zhì)機(jī)動(dòng)管線的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)制作了雙絲電容探針持液率檢測(cè)裝置，并用該裝置對(duì)排空過(guò)程中管內(nèi)的持液率進(jìn)行了實(shí)測(cè)。程雪[6]針對(duì)油庫(kù)及管線系統(tǒng)油污水具有不連續(xù)性、油水密度差較大、含油污水中含油量較低、懸浮物較少的情況,研制了采用聚結(jié)分離技術(shù)的污水處理裝置。李正陽(yáng)等[7]通過(guò)對(duì)機(jī)動(dòng)管線水頂油排空作業(yè)終端混油切割流程、設(shè)備操作的分析,測(cè)量了三通球閥的流動(dòng)特性,論證了三通球閥作為機(jī)動(dòng)管線混油切割閥的可行性。從目前文獻(xiàn)檢索的情況看，對(duì)管線排空方面的研究較少，尤其是對(duì)管線排空的模型化分析和數(shù)值分析還未見(jiàn)報(bào)道。本文從工藝的角度出發(fā)，結(jié)合作業(yè)實(shí)際，構(gòu)建了海上軟質(zhì)管線排空模型，并進(jìn)行了數(shù)值分析，對(duì)于分析管線排空過(guò)程規(guī)律有一定的意義。

1 管線排空工藝流程

在完成近海油料輸轉(zhuǎn)后，對(duì)管線進(jìn)行快速撤收前，必須對(duì)海上軟質(zhì)管線排空，由于所有都依托船載設(shè)備，必須在作業(yè)船設(shè)置排空單元，以實(shí)現(xiàn)對(duì)管線排空作業(yè)。排空單元可由空壓機(jī)、高壓儲(chǔ)氣罐、收發(fā)球裝置、高壓彈簧氣卷盤等組成，主要完成管線壓力試驗(yàn)、氣頂排空和收發(fā)清管球作業(yè)。排空工藝流程如圖1所示。

圖1 排空工藝流程

2 管線排空模型

根據(jù)管線排空的實(shí)際情況，建立管道排空模型[5]，排空模型示意圖如圖2。

圖2 排空模型示意圖

在t時(shí)刻氣液混合面到達(dá)圖 2中所示的位置，即混合面距離進(jìn)口距離為x，經(jīng)過(guò)dt時(shí)刻向出口方向移動(dòng)了dx的距離。

由普朗特公式結(jié)合雷諾數(shù)公式，可得

(1)

式(1)中λ為t時(shí)刻液體段的摩阻因數(shù)，Re為t時(shí)刻液體段的雷諾數(shù)，v為t時(shí)刻液體段的運(yùn)動(dòng)速度，υ為輸送液體的運(yùn)動(dòng)黏度。

以t時(shí)刻管道剩余的液體為對(duì)象，分析該段液體的受力情況：該段液體受到氣液混合面向出口方向的壓力P，受到管道出口處的壓力P0，同時(shí)受到摩擦阻力f，由牛頓定律可得：

(2)

式(2)中S為管道斷面積，ft為t時(shí)刻液體段受到的摩擦力，mt為t時(shí)刻液體段的質(zhì)量，at為t時(shí)刻液體段的運(yùn)動(dòng)加速度，γ為輸送液體的重度。

由沿程摩阻損失公式得：

(3)

根據(jù)牛頓內(nèi)摩擦定律得：

(4)

式(4)中τ為管道界面上的平均切應(yīng)力，i為管道的能坡度，hw為總水頭損失，hf為沿程摩阻損失，hj為局部摩阻損失，K為比例系數(shù)。

將式(1)至式(4)聯(lián)立可得：

(5)

3 管線排空數(shù)值模擬

1) 幾何模型建立。根據(jù)氣頂排空的作業(yè)方式，系統(tǒng)為裝備補(bǔ)給完油料之后，在空壓機(jī)的作用下，將空氣注入管道內(nèi)部，推動(dòng)清管器向前運(yùn)動(dòng)，清管器推動(dòng)管道內(nèi)的余油排出管道?？紤]到該模型是氣液混合模型，因此采用二維平面氣液混合VOF模型，即輸油管道軸向斷面，如圖3所示。

2) 網(wǎng)格劃分。由于采用二維平面模型，且模型為矩形，因此本文采用平面掃略(sweep)矩形網(wǎng)格劃分的方式，設(shè)置左端為模型出口(outlet)，右端為模型入口(inlet)，網(wǎng)格數(shù)量為30 354，節(jié)點(diǎn)數(shù)為4 560個(gè)，如圖4所示。

圖3 管道排空模型

圖4 管道排空模型網(wǎng)格劃分

3) 控制方程。其方程如下：

① 連續(xù)方程

用積分形式表示系統(tǒng)的質(zhì)量，可得：

m=?V(t)ρdV

(6)

按照質(zhì)量守恒定理，用數(shù)學(xué)方法表示，即

(7)

式(7)為連續(xù)方程的拉格朗日積分形式，結(jié)合輸運(yùn)方程和高斯公式，可以得到歐拉形式的連續(xù)方程，即

+▽·(ρu)=0

(8)

(9)

② 動(dòng)量方程

運(yùn)動(dòng)的流體微元的動(dòng)量可以表示為

udm=ρudV

(10)

動(dòng)量守恒原理是流體系統(tǒng)的動(dòng)量變化率等于系統(tǒng)受外力之和，即

?V(t)ρdV=∑F

(11)

式(11)中外力F主要包括體積力(質(zhì)量力)和面積力，結(jié)合應(yīng)力的張量形式、雷諾第二輸運(yùn)方程、高斯公式等，簡(jiǎn)化后的動(dòng)量方程為

(12)

③ 能量方程

(13)

式中∑W為單位時(shí)間內(nèi)外力對(duì)系統(tǒng)作功之和，∑Q為單位時(shí)間傳入系統(tǒng)的全部熱量。

4) 求解器與參數(shù)設(shè)置。選擇二維單精度基于壓力的瞬態(tài)VOF(Volume of Fluid) 模型，粘度方程選擇k-ε求解器方程；近壁面采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)的處理方法，選擇空氣(air)和柴油(diesel-liquid)作為研究的介質(zhì)；選擇階段1為空氣，階段2為柴油；在邊界條件的設(shè)置中，選擇壓力入口(Pressure Inlet)，壓力出口(Pressure Outlet)；在求解方法的設(shè)置中，選擇SIMPLEC的壓強(qiáng)速度關(guān)聯(lián)形式，設(shè)置適當(dāng)?shù)乃沙谝蜃右约坝?jì)算精度，選擇恰當(dāng)?shù)臅r(shí)間步長(zhǎng)、反饋時(shí)間和迭代次數(shù)，進(jìn)行迭代計(jì)算。

4 結(jié)果與分析

4.1 管線排空模型計(jì)算

式(5)可以整理成關(guān)于dx和dt的微分方程，按總長(zhǎng)度L=1 350 m，管線內(nèi)徑d=98 mm，利用Matlab軟件進(jìn)行計(jì)算機(jī)編程，計(jì)算壓縮機(jī)工作壓力分別為：3.0 MPa、1.0 MPa、0.7 MPa情況下的排空總時(shí)間T，求解結(jié)果如表1所示。

表1 利用Matlab編程得到排空時(shí)間結(jié)果

運(yùn)用Matlab編程，計(jì)算在不同時(shí)間間隔下，管道受到的摩擦阻力和速度分布情況，如圖5、圖6所示。

圖5 摩擦阻力隨排空時(shí)間變化情況

圖6 速度大小隨排空時(shí)間變化情況

從圖5、圖6可知：摩擦阻力隨著排空時(shí)間，開(kāi)始急速增大到某個(gè)值，隨后以十分緩慢的速度減小，到了某個(gè)時(shí)間點(diǎn)急速降低至基本為零；排空速度的大小從零開(kāi)始隨時(shí)間增大而逐漸增大，當(dāng)接近排空末端時(shí)，速度急劇增大。這主要是由于排空剛開(kāi)始階段管道內(nèi)充滿液體，其摩擦阻力較大，排空速度較慢，隨著排空任務(wù)的進(jìn)行，氣體段體積逐漸增大，液體段體積逐漸減小，摩擦阻力不斷減小，排空速度逐漸增大，當(dāng)液體段全部排空時(shí)，管道內(nèi)充滿了氣體，阻力基本為零，排空速度達(dá)到最大值。

4.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

1) 壓力分布規(guī)律。由迭代計(jì)算可以得到，管道排空時(shí)的壓力變化云圖，如圖7。

圖7 管道排空壓力云圖

從圖7可知：在進(jìn)行排空任務(wù)時(shí)，與空壓機(jī)高壓儲(chǔ)氣罐出口相連接處的壓力較高，沿著排空方向靜壓力不斷減小，在出口處?kù)o壓力最小；這是由于隨著排空的進(jìn)行，空氣段摩擦阻力較小，柴油段摩擦阻力較大。在考慮管道的承壓能力以及承壓安全時(shí)，主要對(duì)排氣入口端的關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行排查。

2) 速度分布規(guī)律。通過(guò)迭代計(jì)算，得到排空管線速度分布矢量圖，如圖8。從圖8可知：沿著管道排空方向，內(nèi)部流體的運(yùn)動(dòng)速度逐漸加大；從徑向進(jìn)行比較，排氣入口處存在最小值，出口處存在最大值；這是由于空氣段的摩擦阻力較小，柴油段的摩擦阻力較大，隨著時(shí)間的推移，整段管道的摩擦阻力不斷減小，因此排空速度沿著排空方向不斷增大；同時(shí)由于管道近壁面處存在邊界層，因此靠近管道壁面的速度小，管道內(nèi)部的速度大。

圖8 速度分布矢量圖

③ 流體粒子軌跡分布規(guī)律

通過(guò)迭代計(jì)算，得到內(nèi)部流體的軌跡分布圖，如圖9所示。

圖9 流體軌跡與靜壓力的關(guān)系

從圖9可知，在排空過(guò)程中，內(nèi)部流體主要包括空氣和柴油以及二者氣液混合體，在進(jìn)口段其壓力為最大值，即為壓縮機(jī)所能提供的最大壓力，隨著運(yùn)動(dòng)的進(jìn)行，其靜壓力不斷減小，最終在出口處達(dá)到最小值。

5 結(jié)論

本文對(duì)軟質(zhì)管線排空作業(yè)進(jìn)行分析，建立了管線排空數(shù)學(xué)模型，結(jié)合實(shí)際情況計(jì)算出壓縮機(jī)工作壓力在3.0 MPa情況下，總的排空時(shí)間為194.58 s，分析了不同時(shí)間間隔下，管道受到的摩擦阻力和速度分布情況。運(yùn)用ANSYS軟件，構(gòu)建了軟管模型，分析了壓力分布、速度分布以及流體粒子軌跡分布規(guī)律，對(duì)檢測(cè)管道的承壓能力以及承壓安全具有指導(dǎo)意義。

[1] 甘文瀟,江崇林,劉佩,等.長(zhǎng)江中上游浮動(dòng)碼頭液態(tài)?；饭芫€排空工藝技術(shù)探討[J].中國(guó)儲(chǔ)運(yùn),2014(3):135-136.

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(責(zé)任編輯 唐定國(guó))

Model and Numerical Simulation for Pipeline Evacuation of Offshore Oil Transportation System

CHEN Changa, ZHANG Fanb, ZHANG Shi-fuc, ZHANG Qi-xind

(a.Department of Military Oil Application and Management Engineering; b.Department of Mechanic and Electric Engineering; c.National Engineering Research Center for Disaster and Emergency Relief Equipment; d.Department of Petroleum Supply Engineering, Logistic Engineering University, Chongqing 401311, China)

This paper focuses on the pipeline evacuation of offshore oil transportation system. The mathematical model for pipeline evacuation was established, and the total emptying time under different working pressure was calculated by using MATLAB software. Frictional resistance and velocity distribution of the pipe under different time intervals was analyzed. The numerical simulation for the pipeline evacuation was carried out by using ANSYS software. The pressure distribution, velocity distribution and distribution law of the fluid trajectory are analyzed, which will make contribution to the analysis and control of the variation of the pipeline during the evacuation operation.

offshore oil transportation system; pipeline evacuation; numerical simulation; ANSYS; MATLAB

2017-01-25；

2017-02-26

軍需能源專業(yè)科研項(xiàng)目(YX213Z044)

陳暢(1990—)，男，博士研究生，主要從事油氣加注技術(shù)與裝備、油料勤務(wù)研究。

10.11809/scbgxb2017.06.017

format:CHEN Chang, ZHANG Fan, ZHANG Shi-fu, et al.Model and Numerical Simulation for Pipeline Evacuation of Offshore Oil Transportation System[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(6):76-79.

TE97

A

2096-2304(2017)06-0076-04

本文引用格式：陳暢,張帆，張世富，等.近海油料輸轉(zhuǎn)系統(tǒng)管線排空模型及數(shù)值模擬[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2017(6):76-79.