爬坡管段油水兩相界面波動特性數(shù)值模擬研究

趙仕浩 郝迎鵬

（中國石油天然氣管道工程有限公司工藝室）（中國石油大學（華東）儲運與建筑工程學院)

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

積水被油流攜帶爬坡過程是一個兩相流問題。在不同工況下，油水兩相界面因剪切速率不同呈現(xiàn)不同的波動特性[3-5]。目前，對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]采用運動波理論對油水兩相核心環(huán)狀流動的界面波速進行了研究，理論研究得出的體積分數(shù)與實驗結果相吻合。該研究認為，對于上傾段爬坡流動，由于油比水密度小，界面波速小于流動核心速度。Rodriguez等人[7]攝像記錄了立管內核心環(huán)狀流動的油水界面波的幾何特性 （波長、波幅和波形剖面圖）、波速以及持水率等信息，發(fā)現(xiàn)界面波長越短，波形曲率就越大。隨后Rodriguez提出了立管核心環(huán)狀流動的分析模型[8]，分析解表明波形特征取決于管線特性以及液體流速和物理性質，所得預測結果與實驗結果吻合。本文通過數(shù)值模擬方法建立爬坡管段油流攜水模型，對爬坡過程中油水兩相界面波動特性進行了研究，并深入探討了不同工況下兩相界面的波動特性。

1 爬坡管段油流攜水模型的建立

1.1 計算模型的選取

采用Fluent軟件對油流攜水爬坡過程進行模擬。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特性時需追蹤油水界面，因此計算模型選用VOF多相流模型。經(jīng)多次計算，將模擬結果與實驗結果進行對比。對模型作如下設定：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方法對動量方程離散以提高模擬精度，Courant Number設為0.25。模擬采用固定時間步長的方法進行數(shù)據(jù)采集，采集頻率為100 Hz。為避免發(fā)散，隨著水相體積分數(shù)和油相表觀速度的增大，將時間步長設置為0.005 s，但采集頻率不變。

1.2 邊界和初始條件設定

（1）邊界條件的設定

考慮課題實際背景，將入口邊界條件設為油相速度入口。若采用自由出口流動邊界條件，模擬過程中會出現(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為壓力出口邊界，無壁面滑移。

（2）初始條件的設定

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

2 模型驗證

2.1 模型結果實驗驗證

為驗證模型的準確性，將數(shù)值模擬結果導入TECPLOT后處理軟件得到水相的分布狀態(tài)，與實驗室攝像得到的水相分布圖進行比較如圖1、圖2所示；從模擬結果與實測圖像中提取流場各參數(shù)的數(shù)據(jù)，驗證數(shù)值模擬結果的正確性。

圖1 實驗測得有機玻璃管不同油表觀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測積水分布相似；積水在油流剪切作用下積聚在管段爬坡處；隨著油相表觀流速的增大，水相進入爬坡段且以偏心大水滴形狀存在；油相表觀流速增加到一定程度后，油水界面處開始出現(xiàn)波動，出現(xiàn)卷吸夾帶現(xiàn)象。對比實測圖像分析與數(shù)值模擬結果如表1所示。

表1 不同油相表觀流速下相界面波動情況實測與模擬結果

根據(jù)上述分析可知，有機玻璃管中積水分布形態(tài)及其臨界表觀油速的預測值與實測值差別不大，模型預測結果具有一定的指導意義。

2.2 油水界面波監(jiān)測及界面波參數(shù)提取

數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，油水界面波沿著流動方向衰減，在一種油流剪切速率下界面流場各處的界面波動特性是不同的。為便于比較不同工況下油水界面波的性質，本文依據(jù)式 (1)采用UDF自定義函數(shù)計算水相整體的質心位置，在水相整體質心位置處建立監(jiān)測面，對油水界面波進行實時監(jiān)測。

從監(jiān)測數(shù)據(jù)中提取出各個子波的周期、振幅，結合相關性分析得到的波速值，就可以求解得到各個子波的波長。由于界面波變化不一，本文采用統(tǒng)計分析的方法處理界面波參數(shù)。

3 模擬結果分析

3.1 不同油相表觀流速

對不同油相表觀流速下界面波的參數(shù)分布數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，得到界面波參數(shù)平均值變化曲線如圖3所示。分析可知，隨著油相表觀流速增加，界面波振幅與波速增大，而油水界面波的波長和波周期減小。

圖3 算例工況下界面波參數(shù)平均值變化曲線

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)進行統(tǒng)計分析，得到平均值如圖4所示。由圖4可以看到，波長、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，因此上傾角對界面波的產(chǎn)生有抑制作用。統(tǒng)計各工況下60 s內產(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)，再次驗證了管道傾角對界面波的抑制作用。

圖4 算例工況下界面波參數(shù)平均值變化曲線

3.3 不同油品物性

分別采用汽油和柴油進行實驗，對油水界面波動特性進行研究。實驗工況為：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)計分析對應界面波動參數(shù)，得到界面波參數(shù)平均值與標準差變化情況，圖中三角形實線表示汽油管道數(shù)據(jù)，下三角形虛線表示柴油管道數(shù)據(jù)。

從圖5可以看到，對于界面波的波長均值和波速均值，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

3.4 不同管道直徑

對比管徑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)平均值結果如圖6所示。管徑70 mm油水界面波的波長大于管道直徑50 mm油水界面波的波長，但是對應界面波參數(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管道對應界面波周期數(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

4 結論

本文針對成品油低洼處積水建立了油流攜水爬坡段數(shù)值模型，并通過實驗驗證了模型的正確性。研究表明，油水界面波沿著流動方向衰減。通過Fluent模擬對界面波結構參數(shù)的影響因素進行了研究，依次分析了不同油相表觀流速、管道上傾角、油品物性、管道直徑等因素對界面波的結構參數(shù)（波長、波振幅、波周期、波速）的影響。結果表明，波長受各個因素變化不明顯，均值比較穩(wěn)定；波振幅的變化能夠反應油流對積水的擾動強度，因此各因素對波振幅的影響與其對積水形態(tài)的擾動相一致；波速的加快間接說明界面擾動的增加，其隨各因素的變化與波振幅變化趨勢相同。

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