趙仕浩 郝迎鵬

（中國(guó)石油天然氣管道工程有限公司工藝室）（中國(guó)石油大學(xué)（華東）儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院)

國(guó)內(nèi)成品油管道投產(chǎn)時(shí)，大多采用油頂水的方式將管內(nèi)積水置換出來(lái)。而對(duì)于地形起伏較大區(qū)域的管段，由于油水密度和黏度的差異，管線(xiàn)低洼處積水很難被全部攜帶出去，部分積水積聚在管線(xiàn)底部，造成管道內(nèi)腐蝕。若增大管線(xiàn)輸量，腐蝕產(chǎn)物就可能被油品沖刷并攜帶出去，造成過(guò)濾器、減壓閥等設(shè)備堵塞。因此若利用上游來(lái)油將低洼處積水?dāng)y帶出去，就可減輕管道內(nèi)壁腐蝕，避免發(fā)生計(jì)劃外的停輸事故[1-2]。

積水被油流攜帶爬坡過(guò)程是一個(gè)兩相流問(wèn)題。在不同工況下，油水兩相界面因剪切速率不同呈現(xiàn)不同的波動(dòng)特性[3-5]。目前，對(duì)液液兩相流界面波的研究大多集中在環(huán)狀流中。1989年，Bannwart等人[6]采用運(yùn)動(dòng)波理論對(duì)油水兩相核心環(huán)狀流動(dòng)的界面波速進(jìn)行了研究，理論研究得出的體積分?jǐn)?shù)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合。該研究認(rèn)為，對(duì)于上傾段爬坡流動(dòng)，由于油比水密度小，界面波速小于流動(dòng)核心速度。Rodriguez等人[7]攝像記錄了立管內(nèi)核心環(huán)狀流動(dòng)的油水界面波的幾何特性 （波長(zhǎng)、波幅和波形剖面圖）、波速以及持水率等信息，發(fā)現(xiàn)界面波長(zhǎng)越短，波形曲率就越大。隨后Rodriguez提出了立管核心環(huán)狀流動(dòng)的分析模型[8]，分析解表明波形特征取決于管線(xiàn)特性以及液體流速和物理性質(zhì)，所得預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合。本文通過(guò)數(shù)值模擬方法建立爬坡管段油流攜水模型，對(duì)爬坡過(guò)程中油水兩相界面波動(dòng)特性進(jìn)行了研究，并深入探討了不同工況下兩相界面的波動(dòng)特性。

1 爬坡管段油流攜水模型的建立

1.1 計(jì)算模型的選取

采用Fluent軟件對(duì)油流攜水爬坡過(guò)程進(jìn)行模擬。由于在爬坡管段油水兩相間存在明顯的界面，理論分析相界面波動(dòng)特性時(shí)需追蹤油水界面，因此計(jì)算模型選用VOF多相流模型。經(jīng)多次計(jì)算，將模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。對(duì)模型作如下設(shè)定：以油相雷諾數(shù)Re為依據(jù)，若Re<2000，選擇層流模型；若Re≥2000，選擇κ-ε湍流模型中的Realizable模型。采用三階MUSCL方法對(duì)動(dòng)量方程離散以提高模擬精度，Courant Number設(shè)為0.25。模擬采用固定時(shí)間步長(zhǎng)的方法進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采集頻率為100 Hz。為避免發(fā)散，隨著水相體積分?jǐn)?shù)和油相表觀(guān)速度的增大，將時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)置為0.005 s，但采集頻率不變。

1.2 邊界和初始條件設(shè)定

（1）邊界條件的設(shè)定

考慮課題實(shí)際背景，將入口邊界條件設(shè)為油相速度入口。若采用自由出口流動(dòng)邊界條件，模擬過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)油相回流現(xiàn)象 （reversed flow），這是不合理的，因此出口邊界條件設(shè)為壓力出口邊界，無(wú)壁面滑移。

（2）初始條件的設(shè)定

在模擬進(jìn)行前，需設(shè)定一定體積的積水平鋪在水平管段，以接近現(xiàn)場(chǎng)情況。由于需模擬不同持水率條件下界面波動(dòng)特性，采用用戶(hù)自定義方法編寫(xiě)水相的初始化函數(shù) （UDF）。

2 模型驗(yàn)證

2.1 模型結(jié)果實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性，將數(shù)值模擬結(jié)果導(dǎo)入TECPLOT后處理軟件得到水相的分布狀態(tài)，與實(shí)驗(yàn)室攝像得到的水相分布圖進(jìn)行比較如圖1、圖2所示；從模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)圖像中提取流場(chǎng)各參數(shù)的數(shù)據(jù)，驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果的正確性。

圖1 實(shí)驗(yàn)測(cè)得有機(jī)玻璃管不同油表觀(guān)流速下的積水分布狀態(tài) （管徑d=50 mm，角度θ=20°，持水率為0.05）

圖2 數(shù)值模擬不同油表觀(guān)流速下的積水分布狀態(tài) （管徑d=50 mm，角度θ=20°，持水率為0.05）

由圖1、圖2可看出，數(shù)值模擬得到的水相積水分布與實(shí)測(cè)積水分布相似；積水在油流剪切作用下積聚在管段爬坡處；隨著油相表觀(guān)流速的增大，水相進(jìn)入爬坡段且以偏心大水滴形狀存在；油相表觀(guān)流速增加到一定程度后，油水界面處開(kāi)始出現(xiàn)波動(dòng)，出現(xiàn)卷吸夾帶現(xiàn)象。對(duì)比實(shí)測(cè)圖像分析與數(shù)值模擬結(jié)果如表1所示。

表1 不同油相表觀(guān)流速下相界面波動(dòng)情況實(shí)測(cè)與模擬結(jié)果

根據(jù)上述分析可知，有機(jī)玻璃管中積水分布形態(tài)及其臨界表觀(guān)油速的預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值差別不大，模型預(yù)測(cè)結(jié)果具有一定的指導(dǎo)意義。

2.2 油水界面波監(jiān)測(cè)及界面波參數(shù)提取

數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，油水界面波沿著流動(dòng)方向衰減，在一種油流剪切速率下界面流場(chǎng)各處的界面波動(dòng)特性是不同的。為便于比較不同工況下油水界面波的性質(zhì)，本文依據(jù)式 (1)采用UDF自定義函數(shù)計(jì)算水相整體的質(zhì)心位置，在水相整體質(zhì)心位置處建立監(jiān)測(cè)面，對(duì)油水界面波進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

從監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中提取出各個(gè)子波的周期、振幅，結(jié)合相關(guān)性分析得到的波速值，就可以求解得到各個(gè)子波的波長(zhǎng)。由于界面波變化不一，本文采用統(tǒng)計(jì)分析的方法處理界面波參數(shù)。

3 模擬結(jié)果分析

3.1 不同油相表觀(guān)流速

對(duì)不同油相表觀(guān)流速下界面波的參數(shù)分布數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到界面波參數(shù)平均值變化曲線(xiàn)如圖3所示。分析可知，隨著油相表觀(guān)流速增加，界面波振幅與波速增大，而油水界面波的波長(zhǎng)和波周期減小。

圖3 算例工況下界面波參數(shù)平均值變化曲線(xiàn)

3.2 不同管道的上傾角

將不同管道上傾角界面波的參數(shù)分布數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到平均值如圖4所示。由圖4可以看到，波長(zhǎng)、波振幅和波速數(shù)據(jù)分布均值隨著傾角的增加而減小，而波周期則是隨著角度的增加而增加，因此上傾角對(duì)界面波的產(chǎn)生有抑制作用。統(tǒng)計(jì)各工況下60 s內(nèi)產(chǎn)生的波數(shù)發(fā)現(xiàn)，10°管段產(chǎn)生的波數(shù)大于30°管段產(chǎn)生的波數(shù)，再次驗(yàn)證了管道傾角對(duì)界面波的抑制作用。

圖4 算例工況下界面波參數(shù)平均值變化曲線(xiàn)

3.3 不同油品物性

分別采用汽油和柴油進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，對(duì)油水界面波動(dòng)特性進(jìn)行研究。實(shí)驗(yàn)工況為：管道直徑D為50 mm，初始水相持液率εin取10%，管道角度θ為10°， 油相表觀(guān)流速 Uos依次為 0.115 m/s、0.130 m/s、 0.145 m/s、 0.160 m/s、0.175 m/s。 統(tǒng)計(jì)分析對(duì)應(yīng)界面波動(dòng)參數(shù)，得到界面波參數(shù)平均值與標(biāo)準(zhǔn)差變化情況，圖中三角形實(shí)線(xiàn)表示汽油管道數(shù)據(jù)，下三角形虛線(xiàn)表示柴油管道數(shù)據(jù)。

從圖5可以看到，對(duì)于界面波的波長(zhǎng)均值和波速均值，汽油管段要大于柴油管段，但相差幅度不大；而在任意表觀(guān)流速下，柴油管段中界面波的波振幅均值恒大于汽油管段中的均值；汽油管段中的油水界面波的周期值均值恒大于柴油管道。

圖5 算例工況下界面波參數(shù)平均值變化曲線(xiàn)

3.4 不同管道直徑

對(duì)比管徑D分別為50 mm和70 mm兩條管段數(shù)據(jù)，得到界面波參數(shù)平均值結(jié)果如圖6所示。管徑70 mm油水界面波的波長(zhǎng)大于管道直徑50 mm油水界面波的波長(zhǎng)，但是對(duì)應(yīng)界面波參數(shù)數(shù)據(jù)較分散且相差幅度不大；管徑50 mm界面波的波振幅均值恒大于管徑70 mm中數(shù)據(jù)；管徑70 mm界面波波速均值大于管徑50 mm波速均值；管徑50 mm管道對(duì)應(yīng)界面波周期數(shù)恒大于管徑70 mm管道中的數(shù)據(jù)，因此產(chǎn)生界面波的頻率隨著管徑增加變快。

圖6 算例工況下界面波參數(shù)平均值變化曲線(xiàn)

4 結(jié)論

本文針對(duì)成品油低洼處積水建立了油流攜水爬坡段數(shù)值模型，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了模型的正確性。研究表明，油水界面波沿著流動(dòng)方向衰減。通過(guò)Fluent模擬對(duì)界面波結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響因素進(jìn)行了研究，依次分析了不同油相表觀(guān)流速、管道上傾角、油品物性、管道直徑等因素對(duì)界面波的結(jié)構(gòu)參數(shù)（波長(zhǎng)、波振幅、波周期、波速）的影響。結(jié)果表明，波長(zhǎng)受各個(gè)因素變化不明顯，均值比較穩(wěn)定；波振幅的變化能夠反應(yīng)油流對(duì)積水的擾動(dòng)強(qiáng)度，因此各因素對(duì)波振幅的影響與其對(duì)積水形態(tài)的擾動(dòng)相一致；波速的加快間接說(shuō)明界面擾動(dòng)的增加，其隨各因素的變化與波振幅變化趨勢(shì)相同。

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