王 倩

(大慶油田有限責任公司測試技術服務分公司 黑龍江 大慶 163000)

0 引 言

T型管道具有結構簡單、拆裝方便等優(yōu)點，在油、液、氣輸送中被廣泛使用[1-2]。在這些領域應用的過程中對管道機械性能和流動性能都提出了新的要求。管道設計時，綜合考慮管道這兩種性能變得尤為重要，值深度研究。

目前，針對管道流場中流體的流動性等問題，有許多學者研究。魏顯達等[3]通過Fluent軟件有限元模擬三通內流體的速度、壓力和溫度場，獲得了其對應的分布云圖，為管材的選取和結構優(yōu)化設計提供了指導。成蕾等[4]通過有限元模擬對支管口直徑和流速對管內流體速度的影響規(guī)律進行探究，獲得了避免出現渦流現象的流速上限和管徑比。柳波等[5]利用雙歐拉模型和Fluent對考慮溫度場條件下喉管內氣固兩相流進行數值模擬仿真，獲得了溫度場對輸送系統的兩相流動特性的影響。韓思奇等[6]利用fluent對速度入口管徑變化的流場進行了分析，獲得了管徑的變化與管道內流體的最高速度以及管道內渦旋直徑的關系。邱立杰等[7]利用fluent對不同初始速度條件下彎管的內部流場進行了分析，獲得了彎管壓力場與速度場的變化及影響因素。紀宏超[8]等利用fluent數值模擬和有限元體積法研究了彎管油水兩相流動的速度、壓力、流線分步特性。白芳杰等[9]利用控制容積法,對熱油管道停輸后的自然對流進行了耦合求解,得到了管內典型流動洋相與等溫線的變化,。梁之西[10]等利用fluent數值模擬管道內流體的偏流機制從而設計出使用的管道均流結構,可以有效的緩解由彎管管道存在而引起的一系列問題。雖然上述研究在管道流場中流體特性分析方面有所貢獻，但主要集中在研究單個因素的影響，未能同時考慮多個因素的影響，并且未能對影響因素區(qū)分主次。

為此，本文以T型管為研究對象，提出正交優(yōu)化理論與流場數值模擬相結合的方法來研究多個影響因素的作用以及各個影響因素的主次關系和各個參數的最優(yōu)值。首先建立T型管模型，并通過流體方程對其進行分析，其次對其進行正交優(yōu)化設計，最后對其進行數值模擬與正交試驗設計與驗證。

1 數值分析模型的建立

1.1 T型管模型的建立

采用NX10.0軟件分別構建銜接處為直管的三維T型管模型。如圖1所示為T型管幾何示意圖，其中d為管的內徑，L1，L2分別為管段在出口段和入口段的長度。采用Fluent15.0對T型管內部流場進行有限元分析，有限元分析模型的幾何參數如表1所示。

圖1 T型管示意圖

表1 T型管有限元模型幾何參數

1.2 控制方程及邊界條件

油氣輸送管道中，油氣在三通管內的流動屬于湍流，簡化方程管道內的流體流動滿足質量守恒、動量守恒、能量守恒、狀態(tài)方程等。

1.2.1 連續(xù)方程

連續(xù)性方程(連續(xù)性方程式質量守恒定律在流體力學中的表現形式)在直角坐標系下表示為方程(1)。

跟蹤相之間的界面是通過求解一相或者多相的容積比率的連續(xù)方程來完成的。對第q相，存在以下方程：

(1)

其中，αq為質量源項，在默認情形下方程(1)右端源項為0，但當給每一相指定常數或用戶定義質量源，則右端不為0。主相體積分數的計算基于如下約束：

(2)

1.2.2 動量方程

通過求解整個區(qū)域內單一的動量方程，得到的速度場是由各相共享的。動量方程取決于通過屬性ρ和μ的所有相的容積比率，方程如下：

(3)

1.2.3 能量方程

能量方程在各相中也是共享的，表示如下：

(4)

其中：keff為有效熱導率；Sh為源項，包括輻射以及其他體積熱源;E為總能量。

VOF模型處理能量E與溫度T，作為質量平均變量:

(5)

這里每一相的Eq是基于該相的比熱和共享溫度得到。屬性ρ和keff是被各相共享的。Sh包含輻射的貢獻，也有其他的容積熱源。

1.2.4 邊界條件

假設混合流體的流動為穩(wěn)態(tài)湍流流動，液相流體為不可壓縮流且密度為常數，動力黏度為常數。為模擬實際狀況，入口邊界選擇速度入口，給定入口速度的大小和方向，出口邊界選為壓力出口。

管壁為壁面邊界，指定壁面為無滑移邊界條件，壁面邊界處采用標準壁面函數來處理。湍流模型采用標準k-ε模型。計算模型中考慮了重力，而對流動影響很小的升力、虛擬質量力等作用力進行了忽略。重力加速度為9.81 m/s2，方向為z軸方向。

2 不同參數的T型管道的正交優(yōu)化設計

正交試驗設計是利用正交表研究多因素多水平試驗的優(yōu)化方法，具有簡單直觀，便于多種方案尋優(yōu)的優(yōu)點。

本文將依據正交試驗設計原理，設計T型管道正交優(yōu)化設計因素水平表，在已確立正交試驗因素水平表的基礎上，結合實際要求來設計正交試驗方案。

2.1 T型管道的試驗因素及水平的確立

依據油氣管道輸送油氣的物理和實際模型可知，管道的幾何參數和油氣物理性質對油氣在管道中流動性具有較大影響。在此結合油氣的主要物理性質和T型管的特點，選取管道內徑、油氣的流速、油溫度和輸送距離等影響油氣流型的主要因素，建立T型管道的正交優(yōu)化設計因素水平表，如表2所示。

表2 T型管道正交優(yōu)化設計因素水平表

2.2 T型管道優(yōu)化設計正交表

結合已經確立的T型管道正交試驗因素及水平，在不考慮各個試驗因素交互作用的情況下，選取L9(34)正交表作為多指標正交優(yōu)化試驗方案，具體試驗參數設置見表3。

表3 正交試驗方案

3 管道的油氣流動數值模擬設置

目前對流體兩相管流的研究方法主要有3種，即理論分析、試驗測試、數值分析。由于數值分析相比前2種方法來說，具有理論要求和現場環(huán)境要求低的特點，所以在此選擇數值模擬的方法。

本文利用NX10.0軟件創(chuàng)建三維模型，并用ansys15.0自帶mesh平臺對模型計算域進行網格劃分。

在建模軟件中完成建模和網格劃分，將模型導入軟件。軟件中包含求解器和后處理器，通過求解設置模擬實際情況，通過后處理得到油氣混合流體管流的各流場分布，速度場、溫度場等結果，通過圖形工具直觀地觀察CFD數值模擬結果。

邊界條件及求解設置，利用軟件進行流體仿真計算，初始條件就是油氣在管道流動中設置的操作環(huán)境，設置重力加速度。邊界條件的設置要符合1.2節(jié)中選擇流體理論模型和控制方程，同時盡量模擬實際工況，依照實際工況設置各個邊界條件和參數。

在本研究中假設流體具有不可壓縮性，采用基于壓力型的求解，使用的是壓力修正算法。

4 正交仿真試驗與結果分析

在T型管道的正交優(yōu)化設計和管道的油氣流動數值模擬設置確立的基礎上，利用fluent軟件進行仿真模擬，得到各種工況下的流場情況。利用正交仿真試驗的結果綜合分析各因素的影響，對其結果極差分析確定主次因素，以入口處的流速和流量變化來衡量整個流場的流動性，并獲得每個因素的最優(yōu)水平；在以出口流速差作為試驗指標時，通過方差分析來分析得到的流速與溫度、輸送距離之間的影響作用，最終獲得所期望的最佳優(yōu)化參數。結合圖1數值仿真可以分為出口1試驗和出口2試驗2組數據進行，由正交試驗結果分析表6和表7可得到表8。

由表8可知，T型管無論是出口1還是出口2輸送時,管道內徑和油的進口速度是流速和流量變化的主要因素，管道長度和溫度均為次要因素，考慮到流量特性和流速特性越好時，均值越大，所以最佳組合均為：A3B3D1C2，即管道內徑為400 mm，油在出口1的速度為2.5 m/s,管道長度為1 000 mm，油的溫度為344 K。

流速與溫度、輸送距離之間影響作用的方差分析:選取顯著性水平為a=0.05，根據F比的大小可知，影響管道內油氣流速的重要因素為管徑、輸送速度、輸送距離、溫度，該結果與極差分析結果相一致，見表9。

表6 出口1正交試驗結果分析表

表7 出口2正交試驗結果分析表

表8 正交試驗結果極差分析表

表9 方差分析表

結合理論分析及正交試驗的結果，得到如下結論：

1)在出口流量和流速變化這兩項指標分析中，無論出口1和出口2，可以得出影響管道內油氣流速的重要因素為管徑(A)，輸送速度(B)，輸送距離(D)、溫度(C)。那么這也說明油氣在輸送時，影響流量和流速變化的這4種因素的主次順序是基本不變的。

2)綜合考慮較優(yōu)水平和影響重要性先后順序，無論在出口1，還是出口2，考慮油氣在管中的流動性，選取每種因素下的最大均值作為判定依據，獲得均為A3B3D1C2，即管道內徑為400 mm，油進口的速度為2.5 m/s，管道長度為1 000 mm，油的溫度為344 K。

5 結束語

本文以工業(yè)常用的T型管道為研究對象，建立了數值分析模型，提出一種基于正交優(yōu)化理論與數值模擬的T型管道流場參數優(yōu)化方法。該方法通過對影響流動性的因素進行分析，獲得了主要影響因素；采用了正交試驗與Fluent軟件有限元模擬相結合的方法進行了優(yōu)化仿真試驗，獲得最佳流動性的管道幾何參數和流體物理參數。利用該方法不僅可使得物理試驗和模擬試驗次數大大降低，便于加快產品的開發(fā)周期，同時為石油管道的參數和油氣物理性質輸送控制提供了理論依據和方法參照。