閆明龍, 聶 晶, 劉勇峰, 劉林遠(yuǎn), 孫辰琛

（中國石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司西南分公司，四川 成都 610041）

彎管內(nèi)部油水兩項(xiàng)流的數(shù)值模擬

閆明龍, 聶 晶, 劉勇峰, 劉林遠(yuǎn), 孫辰琛

（中國石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司西南分公司，四川 成都 610041）

在油井出油管道以及石化生產(chǎn)中，油水兩項(xiàng)流是非常常見的現(xiàn)象。為了減少能耗、便于制訂防腐措施，利用GAMBIT軟件建模以及FLUENT軟件的可實(shí)現(xiàn) 模型對(duì)彎管中油水兩項(xiàng)流的壓力場(chǎng)和速度場(chǎng)進(jìn)行模擬。結(jié)果表明，管內(nèi)入口直管壓力呈逐階減小趨勢(shì)；彎管內(nèi)壁出形成低壓區(qū)且又內(nèi)向外逐漸增大；而速度分布正好與壓力分布規(guī)律相反，恰好與自由渦流理論的模型相符。且通過對(duì)油水兩項(xiàng)所占體積分?jǐn)?shù)分別為30%、50%、80%三種情況的模擬得出，由于水密度大于油的原因，隨著油相體積分?jǐn)?shù)的下降，管內(nèi)整體壓強(qiáng)減小，整體速度增大。

彎管；數(shù)值模擬；流動(dòng)；油水兩項(xiàng)流；FLUENT

在油田開發(fā)的中后期,為了提高采收率,人們常用注水的方法增加產(chǎn)量。而且隨著生產(chǎn)液中含水量的上升,從油井地面上的出油管道以致地層中的巖石空隙到均會(huì)產(chǎn)生油水兩相流動(dòng)且在石化生產(chǎn)中非常普遍所以 研究油水兩相流在集輸管道中的流動(dòng)規(guī)律對(duì)于減少能耗、制訂防腐措施方面具有積極的意義。20世紀(jì)初,Charles 等[1]發(fā)現(xiàn)在原油中摻入 40%～60%的水后,其在管道中流動(dòng)的沿程摩阻可降低 90%。Brauner等[2]指出了油水兩相流不同流型間的轉(zhuǎn)變機(jī)理,提出了各流型的摩擦壓降預(yù)測(cè)模型。我國對(duì)于兩相流的研究起步比較晚,陳杰[3]、蔡繼勇[4]、吳鐵軍[5]等通過試驗(yàn)研究,對(duì)油水兩相流的流型和轉(zhuǎn)換規(guī)律進(jìn)行了分析與探討。最近幾年,國內(nèi)外一些學(xué)者用流動(dòng)模擬和數(shù)值分析的方法研究油水兩項(xiàng)流方面有所進(jìn)展[6,7],且目前已逐漸成為油水兩相流研究的主要手段。

本文利用FLUENT軟件對(duì)油水兩相流在彎管內(nèi)的流動(dòng)情況進(jìn)行模擬[8], 采用k-ε可實(shí)現(xiàn)模型。

1 研究模型

1.1 物理模型

選取某輸油管道的一彎管管徑。直徑800 mm，彎徑比為2.4，彎管前后各為6 m。GAMBIT建模選Interview size為0.1運(yùn)用Hex/Wedge單元與Cooper方法對(duì)模型進(jìn)行的劃分。三維網(wǎng)格模型如圖1。

圖1 三維模型Fig.1 Three-dimensional model

1.2 控制方程

流體力學(xué)連續(xù)性方程

式中: ux、uy、uz分別為x、y、z三個(gè)方向的速度分量m/s; t為時(shí)間; ρ為密度,kg/m3。

動(dòng)量方程的本質(zhì)是牛頓第二定律。依據(jù)這一定律，可導(dǎo)出x、y、z三個(gè)方向的動(dòng)量方程如下：

本模型在FLUENT中定義為可實(shí)現(xiàn)k-ε型。

2 數(shù)值結(jié)果與分析

1) 使用FLUENT求解器進(jìn)行計(jì)算。其壓力云圖和速度云圖分別為圖2，圖3所示。

圖2 彎管內(nèi)壓力圖（油相占80%）Fig.2 Diagram of pipe inner pressure (oil phase 80%)

（1）因?yàn)榱黧w具有粘性, 所以在流體流經(jīng)管道拐角后就會(huì)產(chǎn)成旋轉(zhuǎn),形成漩渦,產(chǎn)生較大的管內(nèi)流體阻力, 從而帶來能量的損[9]失, 降低能量的利用率，所以彎管壓力由入口端到出口處總體上呈逐漸減小狀。

（2）當(dāng)?shù)竭_(dá)彎管內(nèi)側(cè)時(shí)出現(xiàn)低壓帶，彎管外側(cè)出現(xiàn)高壓帶，并在此段呈現(xiàn)由內(nèi)避面向外壁面逐漸增大的趨勢(shì)。而且此結(jié)果與速度分布正好相反，彎管內(nèi)壁處壓強(qiáng)最小的地方，速度越大。

（3）在出口直管處壓力成梯狀分布，而速度在Y方向分層比較明顯且速度分布在出口直管由內(nèi)向外逐漸增大。由于流體離心力作用和彎管處離心力作用產(chǎn)生的二次漩流效應(yīng)，所以在流體流經(jīng)彎管時(shí)改變速度方向和大小。

圖3 彎管內(nèi)速度分布圖（油相占80%）Fig.3 Diagram of velocity distribution of pipe inside (oil phase 80%)

2)以下分別對(duì)油相占總體積分?jǐn)?shù)的80%，50%，30%的壓力云圖（圖4）進(jìn)行比較。

圖4 彎管內(nèi)壓力云圖Fig.4 Diagram of pipe inner pressure

（1）管內(nèi)壓力場(chǎng)還是由進(jìn)口至出口壓力呈逐漸降低趨勢(shì)。但隨著油相比例減少，管內(nèi)整體壓強(qiáng)增大。這是因?yàn)楣軆?nèi)流體的粘度與密度的變化而變化。

（2）在不同油相體積分?jǐn)?shù)下彎管處內(nèi)壁面仍呈現(xiàn)低壓帶，但隨著油相比例的減少低壓帶面積明顯縮小。

3)對(duì)80%、50%、30%三種油相速度云圖（圖5）進(jìn)行比較。

圖5 彎管內(nèi)速度云圖Fig.5 Diagram of velocity of pipe inside

（1）模型彎管處由內(nèi)至外速度由大變小，出口直管速度由內(nèi)壁面至外壁面由小變大。

（2）隨著油相的減少管內(nèi)整體速度減小。這是因?yàn)樗拿芏葹?.0 g/cm3，油的密度分為兩種：1.難揮發(fā)油一般在0.89～0.93 g/cm3之間；2.易揮發(fā)油密度多在0.73～0.85 g/cm3之間，所以無論怎樣水的密度大于油。所以在入口壓力一定的情況下，隨著水相比例的增加管內(nèi)流體速度減小。

3 結(jié) 論

（1）采用FLUENT中的 可實(shí)現(xiàn)模型對(duì)彎管兩項(xiàng)流的計(jì)算結(jié)果與理論結(jié)果基本吻合。計(jì)算得出隨著油相比例減少，管內(nèi)整體壓強(qiáng)增大。且隨著油相比例的減少彎管處內(nèi)壁低壓帶面積逐漸縮小。

（2）彎管內(nèi)壓力分布規(guī)律為，在彎管處壓力隨內(nèi)壁面至外壁面逐漸增大，在整個(gè)管內(nèi)呈逐漸減小，而速度分布正好與壓力分布規(guī)律相反。這一特征也恰好與自由渦流理論的模型相符。

（3）由于水的密度大于油，所以在同等壓力入口的情況下，隨著水相比例的增加管內(nèi)流體整體速度減小。

［1］Charles M E.Water layer speeds heavy crude flow[J].Oil and Gas J ournal,1961,8(4):68-70.

［2］Bruaner N,RovinskyJ,Moalem Maron.Determination of the interface c urvature in strati-fied two phase systems by energryconsiderations [J].Int.JMulti-phaseFlow,1996,22(6):16-17.

［3］陳杰, 馮傳令, 蔡一全, 等. 油水兩相分層流動(dòng)的壓降研究[J]. 油氣儲(chǔ)運(yùn), 2001, 20 (9) : 37-40.

［4］蔡繼勇, 陳聽寬, 湯為, 等. 水平管內(nèi)油水乳狀液流動(dòng)特性研究[J].化學(xué)工程, 1999，27(3): 33-35.

［5］吳鐵軍. 水平管內(nèi)油水兩相流動(dòng)特性研究[D]. 西安交通大學(xué), 200 1，08: 22-24.

［6］Biberg D, Halvorsen G.Wall and interfacial shear st ress inpressur e driven two phase laminar stratified pipe flow[J].Int.J.MultiphaseFl ow, 2000, 26(10): 16-17.

［7］劉文紅, 郭烈錦, 張西民, 等. 水平管油水兩相流摩擦阻力特性試驗(yàn)研究[J] . 工程熱物理學(xué)報(bào), 2005, 26 (1) :80-83.

［8］金俊卿，鄭云萍。FLUENT軟件在油氣儲(chǔ)運(yùn)工程領(lǐng)域中的應(yīng)用[J].天然氣與石油,2013(02):48-50.

［9］談文虎，趙朝文，文代龍, 等. 鍛制彎頭內(nèi)部流場(chǎng)分析[J]. 天然氣與石油, 2013(04): 88-91.

Numerical Simulation of Oil-water Two-phase Flow in Elbow

YAN Ming-long, NIE Jing, LIU Yong-feng, LIU Lin-yuan, SUN Chen-chen
（PetroChina CPE Southwest Branch, Sichuan Chengdu 610041，China）

The oil-water two-phase flow is very common in oil pipe of well and petrochemical industry. In order to decrease energy consumption and formulate anticorrosive measures, GAMBIT software was used to establish the model, and pressure field and velocity field of oil-water two-phase flow in elbow were simulated by FLUENT software. The results show that the straight tube inlet pressure reduces gradually; low-pressure area is formed at inside wall of the elbow and it increases from inside to outside; distribution laws of the velocity and pressure is just opposite, just conform to the free vortex theory model. The results simulated under three cases of oil-water volume fraction of 30%, 50% and 80% show that, due to the density of water is higher than oil, as the oil phase volume fraction declines, the overall pressure in tube reduces, the overall speed increases.

Elbow; Numerical simulation; Flow; Oil-water two-phase flow; FLUENT

TQ 018

A

1671-0460（2014）12-2724-03

2014-05-05

閆明龍（1987-），男，遼寧撫順人，助理工程師，碩士，2012畢業(yè)于遼寧石油化工大學(xué)油氣儲(chǔ)運(yùn)專業(yè)，研究方向：天然氣管道儲(chǔ)藏與運(yùn)輸。E-mail：334850346@qq.com。