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      油水環(huán)狀流在突變管道內(nèi)的數(shù)值模擬研究

      2020-12-02 14:38:04姚建軍吳君強(qiáng)郭春雷
      廣州化工 2020年22期
      關(guān)鍵詞:水速水環(huán)油相

      姚建軍,吳君強(qiáng),郭春雷

      (1 中石化廣州工程有限公司,廣東 廣州 510000;2 中海油石化工程有限公司,山東 青島 266101)

      稠油由于其高粘特性,其直接輸送的可能性較小[1]。傳統(tǒng)的管道輸油方式常存在高耗能、易改變油品品質(zhì)以及需要配套的輔助設(shè)備等缺點(diǎn),如加熱、稀釋、乳化等輸送方式[2]。而水環(huán)輸送則可以克服上述缺點(diǎn),水環(huán)輸送稠油時(shí),核心油相不直接與管道內(nèi)壁接觸,外側(cè)水層可以包裹著核心油相在管道中流動(dòng),大大減小了輸送過(guò)程中的阻力,降低了成本[3]。近些年來(lái),隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展,數(shù)值模擬相對(duì)于實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)果更加直觀,因此,越來(lái)越多的學(xué)者將計(jì)算流體力學(xué)(CFD)技術(shù)應(yīng)用于水環(huán)的研究。

      國(guó)外將數(shù)值方法應(yīng)用于水環(huán)的研究相對(duì)較早,最初一些學(xué)者針對(duì)水環(huán)的數(shù)值模擬研究主要集中于水平管道[4],但在實(shí)際輸送稠油的過(guò)程中,并不能一直保持在水平流動(dòng),一些學(xué)者開(kāi)始針對(duì)豎直和微傾斜管道進(jìn)行了研究,然而,輸送稠油時(shí)還會(huì)經(jīng)過(guò)一些特殊部件,因此,后續(xù)學(xué)者針對(duì)水環(huán)經(jīng)過(guò)90°彎管、Π型管、180°彎管又進(jìn)行了研究[5-6]。國(guó)內(nèi)對(duì)于水環(huán)的研究起步相對(duì)緩慢,目前針對(duì)水環(huán)的數(shù)值研究主要集中在水平管道、水環(huán)經(jīng)過(guò)閥門(mén)、以及水環(huán)通過(guò)90°、180°彎管等[7-9]。

      目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于水環(huán)經(jīng)過(guò)特殊部件的研究鮮有涉及到突變管。然而,在長(zhǎng)輸管道中,突變管道也是常見(jiàn)的管道類(lèi)型,它對(duì)水環(huán)的流型有顯著影響,突變截面的變化甚至?xí)?duì)管道后10D距離處的流體產(chǎn)生影響[9]。因此,對(duì)水環(huán)經(jīng)過(guò)突變管道研究十分必要。本文利用FLUENT軟件,對(duì)水環(huán)經(jīng)過(guò)突變管道后的油水體積分布、二次流分布以及壓降特性進(jìn)行了分析,為突變管道中水環(huán)輸送稠油提供了理論指導(dǎo)。

      1 模型的建立

      考慮到油水環(huán)狀流在管道內(nèi)的流動(dòng)是三維的,并且突擴(kuò)/突縮截面的變化必然會(huì)影響水環(huán)流經(jīng)該位置處的流態(tài),因此,本文建立了三維數(shù)值模型。該模型均由兩段12 mm和25 mm的管徑組成,每段長(zhǎng)度均為300 mm。模型的尺寸如圖1所示。

      圖1 突變管模型

      2 數(shù)學(xué)模型

      2.1 控制方程

      FLUENT中計(jì)算流體的運(yùn)動(dòng)通常涉及到以下三個(gè)模型:VOF模型、歐拉模型、混合模型[6]。歐拉模型常用于含有顆粒流動(dòng)的流體中,混合模型常用于存在氣泡和顆粒的流體中,而VOF模型適用于互不相容的流體中。由于油水幾乎是互不相容的,且VOF模型可以很好的捕捉油水的界面特征,因此,本研究最終選用VOF模型進(jìn)行計(jì)算。

      連續(xù)性方程如下:

      (1)

      式中:ρ為流體的密度,kg/m3;U為速度,m/s;t為時(shí)間,s。

      動(dòng)量方程如下:

      (2)

      式中:P為流場(chǎng)中的壓力,Pa;g為重力加速度,m/s2;F為作用于系統(tǒng)的力,N;μ為流體的粘度Pa·s。

      式(2)中涉及到的粘度和密度可用如(3)~(4)表示:

      (3)

      (4)

      式中:p為相數(shù),由于本研究中只有油水兩相,所以p=2。αq、μq、ρq分別為第q相的體積分?jǐn)?shù)、粘度和密度。

      2.2 湍流模型

      在計(jì)算兩相流的運(yùn)動(dòng)時(shí),需要考慮湍流模型,F(xiàn)LUENT中常見(jiàn)的湍流模型主要有標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型、RNGk-ε模型和Realizablek-ε模型。由于油水物性穩(wěn)定,且油芯一直保持層流,環(huán)形保持紊流,綜合考慮計(jì)算時(shí)間和計(jì)算精度,最終確定選用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε模型進(jìn)行水環(huán)模擬研究[4]。

      標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型的方程如下:

      (5)

      (6)

      (7)

      (8)

      式中:kt為紊流動(dòng)能,m2/s3;εt為耗散率,m2/s3;μt為渦流粘度,Pa·s;Cμ=0.09,σk=1,σε=1.3,C1ε=1.44,C2ε=1.92。

      3 物性及邊界條件

      3.1 物性參數(shù)

      研究條件下油相粘度為0.22 Pa·s,水相粘度為0.001 Pa·s;油相密度為960 kg/m3,水相密度為1000 kg/m3。油水之前的界面張力設(shè)置為0.03 N/m。

      3.2 邊界條件

      突擴(kuò)和突縮管的進(jìn)口條件均為速度入口,研究條件下油相速度入口設(shè)置為1.0 m/s,水相速度入口分別設(shè)置為0.5 m/s、1.0 m/s、1.5 m/s。出口設(shè)置為壓力出口,出口壓力設(shè)置為0。突擴(kuò)管和突縮管的壁面均采用無(wú)滑移邊界條件。

      4 模擬結(jié)果及分析

      利用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)軟件從油水體積分布、二次流作用、壓降特性幾個(gè)角度分析了突擴(kuò)管和突縮管內(nèi)水環(huán)的流動(dòng)特性。為討論方便,在本研究中,定義L為距突變截面處的距離,當(dāng)截面位置處于上游時(shí),定義為負(fù),處于下游時(shí)定義為正;D為上游管道的直徑。

      4.1 油水體積分布

      圖2為油水入口均為1.0 m/s時(shí),突縮管內(nèi)水環(huán)隨時(shí)間變化的流動(dòng)示意圖。圖3為不同油水入口速度下,水環(huán)在突縮和突擴(kuò)管中的流動(dòng)分布圖。從圖3可以看出:油水在進(jìn)入突變截面之前,一直可以保持穩(wěn)定的環(huán)狀流動(dòng),而當(dāng)油水經(jīng)過(guò)突變截面后,核心油相逐漸向外側(cè)擴(kuò)散,并且在密度差的作用下,核心接觸管道上側(cè)內(nèi)壁,最終導(dǎo)致水環(huán)失穩(wěn)。從圖4可以看出,油水在突縮管道中流動(dòng)時(shí),一旦經(jīng)過(guò)突變截面,核心接觸管道內(nèi)壁,水環(huán)立即失穩(wěn);而油水在突擴(kuò)管道中流動(dòng)時(shí),在剛經(jīng)過(guò)突變截面時(shí),水環(huán)反而可以保持更加穩(wěn)定的流動(dòng),并且隨著水速的增加,成環(huán)效果更好。

      圖2 Vo=1.0 m/s,Vw=1.0 m/s時(shí),水環(huán)在突縮管內(nèi)的流動(dòng)分布

      圖3 不同入口速度下水環(huán)在突擴(kuò)和突縮管內(nèi)的流動(dòng)分布

      圖4 突縮管中不同位置處的油相體積含量

      圖4為進(jìn)口油速為1.0 m/s,不同水速下突縮管內(nèi)不同位置處的油相體積含量。從圖4可以看到:當(dāng)水速為0.5 m/s和1.0 m/s時(shí),水環(huán)在經(jīng)過(guò)突縮截面后油相體積含量略微增加,這可能是因?yàn)樗h(huán)經(jīng)過(guò)突縮截面時(shí)核心變形逐漸失穩(wěn);當(dāng)水速為1.5 m/s時(shí),水環(huán)經(jīng)過(guò)突變截面前后油相體積含量幾乎不變,且水環(huán)幾乎沒(méi)有失穩(wěn)。因此實(shí)際輸送時(shí)水環(huán)經(jīng)過(guò)突縮截面可以盡可能的增大水速以增加其穩(wěn)定性。

      圖5為進(jìn)口油速為1.0 m/s,不同水速下突擴(kuò)管內(nèi)不同位置處的油相體積含量。從圖5可以看到:水環(huán)在剛經(jīng)過(guò)突擴(kuò)截面時(shí),油相體積含量驟降,降低至極值后,又迅速上升。并且當(dāng)入口水速為0.5 m/s時(shí),水環(huán)經(jīng)過(guò)突擴(kuò)截面一段距離后的油相體積含量逐漸增大,這是由于此時(shí)水環(huán)失穩(wěn)加劇,油相占據(jù)了管道中的大部分位置;當(dāng)入口水速為1.0 m/s和1.5 m/s時(shí),水環(huán)經(jīng)過(guò)突擴(kuò)截面穩(wěn)定后的油相體積含量和之前幾乎沒(méi)有變化,因此,水環(huán)經(jīng)過(guò)突擴(kuò)管道時(shí),水速的增加可以延長(zhǎng)水環(huán)在管道中穩(wěn)定的距離。

      圖5 突擴(kuò)管中不同位置處的油相體積含量

      4.2 二次流作用

      由于水環(huán)在經(jīng)過(guò)突擴(kuò)/突縮管時(shí)的油水體積分布顯著不同,為解釋這一現(xiàn)象,研究了二次流對(duì)突變截面的影響,圖6為入口油水速度均為1.0 m/s時(shí),突變管道中的軸向截面的速度矢量和油水體積分布圖。從圖6可以看到,水環(huán)經(jīng)過(guò)突縮管道后核心油相接觸到管道的上側(cè)內(nèi)壁,逐漸失穩(wěn);然而水環(huán)經(jīng)過(guò)突擴(kuò)管后反而可以保持更加穩(wěn)定的環(huán)狀流動(dòng)。這是由于,油水在經(jīng)過(guò)突擴(kuò)截面時(shí)存在二次流的作用,在二次流的作用下,核心油相被“推向”管道中心,形成更加完美的核心環(huán)狀流;然而,突縮管中則不存在這一現(xiàn)象,水環(huán)經(jīng)過(guò)突縮截面后核心接觸管道內(nèi)壁便立即失穩(wěn)。

      圖6 V0=1.0 m/s,Vw=1.0 m/時(shí),突變管中軸向截面的速度矢量和油水體積分布圖

      4.3 壓降特性

      為進(jìn)一步了解水環(huán)在突變管道中的流動(dòng)機(jī)理,對(duì)突變管內(nèi)的軸向壓降進(jìn)行了分析。

      圖7為Vo=1.0 m/s時(shí),不同水速下突縮管中不同位置處的軸向壓力分布。從圖7可以看到,油水在進(jìn)入突縮截面之前,壓力穩(wěn)定,經(jīng)過(guò)突縮截面后,壓力驟降至0。并且當(dāng)入口水速為0.5 m/s時(shí),水環(huán)在進(jìn)入突縮截面前壓力較高,經(jīng)過(guò)突縮截面后壓降梯度大;當(dāng)入口水速為1.0 m/s和1.5 m/s時(shí),水環(huán)經(jīng)過(guò)突縮截面前壓力較低,經(jīng)過(guò)突縮截面后壓降梯度相對(duì)較小。這是因?yàn)楫?dāng)入口水速為0.5 m/s時(shí),油水在管道中成環(huán)效果較差,繼續(xù)增加水速至1.0 m/s和1.5 m/s后,水環(huán)的穩(wěn)定性增強(qiáng),成環(huán)效果變好。

      圖7 V0=1.0 m/s,不同水速下突縮管軸向壓力分布

      圖8為Vo=1.0 m/s時(shí),不同水速下突擴(kuò)管中不同位置處的軸向壓力分布。從圖8可以看到,油水在進(jìn)入突擴(kuò)截面之前,壓力逐漸降低,甚至出現(xiàn)了負(fù)壓,而經(jīng)過(guò)突擴(kuò)截面后,壓力先迅速增加,然后逐漸降低至0。這與突縮管中的壓力變化趨勢(shì)明顯不同,這是因?yàn)樗h(huán)在經(jīng)過(guò)突擴(kuò)截面時(shí),水層區(qū)域存在二次流的作用,水層中的二次流使流動(dòng)區(qū)域產(chǎn)生了速度“死區(qū)”,有利于核心向管道中心靠攏,這也可以解釋為什么水環(huán)經(jīng)過(guò)突擴(kuò)截面油相并不會(huì)污染管道內(nèi)壁。

      圖8 V0=1.0 m/s,不同水速下突擴(kuò)管軸向壓力分布

      5 結(jié) 論

      (1)利用CFD技術(shù)可以較為準(zhǔn)確地獲得計(jì)算結(jié)果,可以很好的獲得油水在管道內(nèi)的流動(dòng)規(guī)律。

      (2)水環(huán)經(jīng)過(guò)突縮截面時(shí)會(huì)迅速失穩(wěn),水環(huán)經(jīng)過(guò)突擴(kuò)截面時(shí),可以保持更加良好的穩(wěn)定性,并且隨著入口水速的增加,穩(wěn)定性增強(qiáng)。

      (3)水環(huán)通過(guò)突擴(kuò)截面時(shí),二次流的存在會(huì)增加水環(huán)的穩(wěn)定性,并且入口油速一定時(shí),水速的增加,其穩(wěn)定性增強(qiáng);然而水環(huán)在經(jīng)過(guò)突縮截面時(shí)卻不存在二次流作用,所以會(huì)迅速失穩(wěn)。

      (4)在實(shí)際條件下,水環(huán)輸送稠油需要改變管徑時(shí),應(yīng)優(yōu)先選擇使用突擴(kuò)管道,這樣可以增強(qiáng)其穩(wěn)定性。

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