水平-上傾圓管水滴運移數(shù)值模擬研究

趙仕浩 許道振 郝迎鵬

（中國石油大學(xué)儲運與建筑工程學(xué)院)

水平-上傾圓管水滴運移數(shù)值模擬研究

趙仕浩*許道振 郝迎鵬

（中國石油大學(xué)儲運與建筑工程學(xué)院)

運用VOF模型對爬坡圓管油水兩相三維流場進行了數(shù)值模擬，對油水分層波浪流產(chǎn)生的水滴的運移規(guī)律進行了研究。模擬研究表明，油水界面波是水滴產(chǎn)生的直接原因。對界面波動的相關(guān)參數(shù)與產(chǎn)生水滴的頻率和體積的關(guān)系進行了研究，同時對所產(chǎn)生的水滴的幾何參數(shù) （幾何形狀、長度、截面積等）、產(chǎn)生時間、間隔時間和出口流速也進行了討論。

油水兩相 界面波 水滴 數(shù)值模擬 圓管

0 前言

國內(nèi)成品油管道的投產(chǎn)初期常采用聯(lián)水試運的方式，這使得運營管道內(nèi)出現(xiàn)油水共存的現(xiàn)象，密度較大的水相很容易在低洼處積聚。由于油水密度差、油品的憎水性，成品油與存積水會形成分層的兩相流。若這部分水長時間存在，就會引起管道內(nèi)壁腐蝕，產(chǎn)生固體腐蝕產(chǎn)物[1]。當(dāng)計劃輸量提高時，油流對雜質(zhì)的攜帶能力增強，就會造成過濾器和減壓閥堵塞。目前針對油流攜水開展了一定的研究工作[2-3]。在實驗中發(fā)現(xiàn)，部分水相以水滴的方式被攜帶離低洼處。但是受實驗手段和條件的限制，目前對水滴運移及其分布特性的研究還比較薄弱。為深入研究水滴運移規(guī)律，更好地開展油流攜水研究，本文利用CFD技術(shù)對水平-上傾管段水滴運移規(guī)律進行了研究。

1 數(shù)值方法及其實驗驗證

1.1 控制方程

本文采用VOF模型進行數(shù)值模擬，動量方程為：

VOF模型跟蹤相的界面是通過求解一相或者多相的容積比率連續(xù)方程來完成的。對于q相，αq代表第q相流體的容積比率，這個方程為：

由于計算區(qū)域的雷諾數(shù)比較小，而且所考察的流型為分層波浪流，故采用層流模型。同時采用連續(xù)表面張力模型[4]模擬相界面上的表面張力：

其中，σ為表面張力常數(shù)，κ為界面曲率，εo為界面處的油相相含率。

1.2 計算區(qū)域和數(shù)值方法

模擬的管段內(nèi)徑為50 mm，水平長度為0.5 m，上傾管段長度為3 m。考慮到對稱性，取管段上下軸截面為對稱面，以提高運算速度。整個計算區(qū)域采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進行劃分，而且對管段壁面適當(dāng)加密。

采用D L Youngs[5]提出的幾何重構(gòu)格式計算相界面處單元面的質(zhì)量流率。對流項為二階迎風(fēng)格式，應(yīng)用SIMPLE算法進行求解。入口為速度邊界條件，出口為壓力邊界條件，壁面為無滑移條件。

1.3 模型實驗驗證

為了使模擬的結(jié)果接近實驗值，將由有機透明管道測得的水相分布狀態(tài)和模擬運行得到的結(jié)果進行比較，通過用戶自定義函數(shù)調(diào)整邊界條件和改進模型。如圖1所示，油流量為1.0 m3/h，含水率為10%，管道傾斜角度為10°，圖1（b）是實驗得到的結(jié)果，圖1（a）是模擬運行得到的結(jié)果，兩者在水相的分布狀態(tài)、流型以及水相存在的位置均達到相當(dāng)?shù)奈呛?。接下來便借助模擬運行得到的結(jié)果，對水滴的運移規(guī)律進行研究。

圖1 實驗與模擬運行結(jié)果比較

2 模擬結(jié)果分析

模擬運行分為兩個階段。第一階段，將實驗采集到的數(shù)據(jù)，如持水率、流量、水相分布位置等參數(shù)，采用用戶自定義函數(shù)的方式導(dǎo)入模型中。當(dāng)模擬結(jié)果與實驗結(jié)果達到吻合時，模擬得到的水相位置也就相對穩(wěn)定了。第二階段，即模擬數(shù)據(jù)采集及分析處理階段，采用用戶自定義方法開啟對水滴的監(jiān)測，本文監(jiān)測了出口處水滴面積隨時間的變化關(guān)系和管道內(nèi)全部水相體積隨時間的變化關(guān)系。為了進一步研究水滴的產(chǎn)生與界面波的關(guān)系，在界面處取兩個相鄰的截面用以監(jiān)測水相體積分數(shù)隨時間的變化關(guān)系。

模擬示例：在管道直徑為50 mm，流量為0.65 m3/h，水平段初始含水率為20%的條件下，在管段橫坐標為0.64 m和0.65 m處建立監(jiān)測面，同時監(jiān)測出口水相面積和全部管段水相體積的變化。模擬運行得到如圖2所示的數(shù)據(jù)，圖2（a）、 （b）為兩截面處水相體積分數(shù)隨時間的變化關(guān)系，圖2（c）為出口水相面積隨時間的變化關(guān)系，圖2（d）為管段內(nèi)水相體積隨時間的變化關(guān)系。

圖2 示例工況下模擬得到的監(jiān)測數(shù)據(jù)

2.1 油水界面波速計算

由于界面波沿長度方向上不斷衰減[6]，為了使兩相鄰截面測得的數(shù)據(jù)反應(yīng)出波的相關(guān)性，本文對采集到的數(shù)據(jù)進行歸一化處理，如圖3所示。對處理后的界面波采用相關(guān)算法，得到兩相鄰截面界面波的相關(guān)性系數(shù)圖，再由圖形分析得到兩者的滯后采樣時間，進而求出界面波的運行速度。在本實例下得到的滯后采樣時間為0.18 s，波的傳遞速度為0.56 m/s。

圖3 界面波相關(guān)性分析

2.2 水滴運移規(guī)律

將模擬得到的數(shù)據(jù)進行編程處理，可以得到此工況下水滴運移的相關(guān)參數(shù)，如水相體積減小速率、各個水滴的持續(xù)時間、間隔時間、水滴的體積大小等參數(shù)。圖4顯示了示例工況下水滴運移的結(jié)果，此工況下共檢測出8個水滴，這說明此工況下的界面波幾乎剛開始產(chǎn)生水滴。圖5顯示了各個水滴的長度和截面積隨時間的變化關(guān)系。通過測量水滴的長度和截面積，可以重建水滴幾何形態(tài)，為研究水滴在流場中的受力狀況提供依據(jù)。

圖4 水滴運移規(guī)律

圖5 水滴幾何參數(shù)

3 結(jié)論

本文運用VOF模型對水平-上傾圓管油水兩相三維流場進行了數(shù)值模擬，對油水分層波浪流產(chǎn)生的水滴的運移規(guī)律進行了研究，模擬得到的水相位置和試驗相符，表明了此模型的可行性。模擬研究表明，油水界面波是水滴產(chǎn)生的直接原因。通過監(jiān)測兩個相鄰截面含水率的方法得到界面波信號，對信號進行相關(guān)性分析得到波速等參數(shù)，這為研究界面波動參數(shù)與產(chǎn)生水滴的頻率和體積的關(guān)系提供了一種可行的方法。同時對所產(chǎn)生的水滴的幾何參數(shù)（幾何形狀、長度、截面積等）、間隔時間和出口流速也進行了討論，這些參數(shù)對于深入研究管道油流積水?dāng)y帶有著重要的意義。

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Numerical Simulation of Droplets Transport in Horizontal-upward Pipeline

Zhao Shihao Xu Daozhen Hao Yinpeng

This paper simulates the oil and water three-dimensional flow fields in horizontal-upward pipeline using VOF model and studies the migration rules of droplets caused by oil-water stratified laminar wave flow.Simulation study indicates that the oil-water interfacial wave is the direct reason of water droplets.Then it discusses the relation between the parameters of interfacial wave and droplet(such as frequency and volume),as well as the droplets’ geometrical parameter(geometry shape,length and cross-sectional area),emergence time,interval time and outlet velocity.

Oil-water two-phase flow;Interfacial wave;Droplet;Numerical simulation;Pipe

TQ 02

*趙仕浩，男，1984年生，碩士研究生。青島市，266555。

2011-04-03）