順序輸送邊界層區(qū)域混油的數(shù)值模擬

武程寬，王為民

（遼寧石油化工大學(xué) 石油天然氣工程學(xué)院， 遼寧 撫順 113001）

順序輸送邊界層區(qū)域混油的數(shù)值模擬

武程寬，王為民

（遼寧石油化工大學(xué) 石油天然氣工程學(xué)院， 遼寧 撫順 113001）

針對成品油流經(jīng)上、下坡管道時(shí)，對同種汽油與不同密度的柴油進(jìn)行順序輸送的混油問題，借助于VOF模型，建立三維流動(dòng)模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。研究輸送順序、流速、密度、管長對成品油管壁邊界層區(qū)域混油的影響。研究結(jié)果表明：對于上坡輸油管道前行柴油時(shí)柴油密度越小、速度越大有助于減少管壁處邊界層區(qū)域的混油量；對于下坡輸油管道前行汽油時(shí)柴油密度越小、速度越大有助于減少管壁處邊界層區(qū)域的混油量；和上坡時(shí)相比下坡前行汽油時(shí)更助于減少管壁處邊界層區(qū)域的混油量。

上下坡管道；密度差；邊界層區(qū)域；數(shù)值模擬

我國東南、西北等地區(qū)建成了幾條大型的成品油管道，由于地形復(fù)雜成品油經(jīng)過上坡、下坡等不同工況的管道。由于兩種油品的密度和粘度等物性的不同，接觸面易發(fā)生混油現(xiàn)象。在傾斜管道時(shí)相鄰油品物性的差異會大大增加混油量，因此對于傾斜管道的混油問題很有必要研究。針對此問題前人趙會軍、康正凌等人［1-3］已經(jīng)做了很詳細(xì)的研究，但是對于傾斜輸油管道邊界層區(qū)域的混油特性研究的很少，本文通過對上、下坡兩種工況條件進(jìn)行數(shù)值模擬來研究輸送順序、流速、密度、管長對成品油管道邊界層區(qū)域混油的影響，并對混油特性進(jìn)行分析［4,5］，希望對成品油管道的順序輸送設(shè)計(jì)技術(shù)提供理論指導(dǎo)。

1 模型的建立

以汽油和柴油進(jìn)行順序輸送來研究混油濃度的特性，內(nèi)徑500 mm，長為20 m的成品油管道順序輸送兩種油品，并采用六面體網(wǎng)格對三維物理模型計(jì)算區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分。針對上、下坡管道兩種情況進(jìn)行分析輸送順序、流速、密度、管長對成品油管道邊界層區(qū)域混油的影響。

1.1 順序輸送的物理模型

在湍流狀態(tài)下進(jìn)行順序輸送會減少兩種油品的混油量［6］。并采用湍流脈動(dòng)動(dòng)能方程模型模擬在傾角不同的下坡管道進(jìn)行順序輸送時(shí)的混油特性，應(yīng)用有限容積體積法進(jìn)行離散計(jì)算。由于順序輸送混油的濃度隨時(shí)間而變化，所以相應(yīng)的耦合方法應(yīng)用PISO算法［7］。

1.2 邊界條件和初始條件

上、下坡的順序輸送管道的模型較為簡單，只需設(shè)定入口邊界條件和出口邊界條件。為了輸入具體的流動(dòng)速度下坡的入口采用velocity-inlet速度入口邊界，出口為outflow的充分發(fā)展邊界條件。該模型需考慮重力作用，取Y=-9.81 m/s2。并設(shè)定油品速度均為2 m/s。通過控制時(shí)間來模擬輸送過程。首先啟動(dòng)VOF多相流模型,然后設(shè)置前行油品為基本相，后行油品為第二相,油品體積分?jǐn)?shù)為0，一段時(shí)間后，當(dāng)前行油品達(dá)到穩(wěn)定后再設(shè)置第二相油品的體積分?jǐn)?shù)為1，輸入后行油品進(jìn)行混油模擬。

1.3 物性參數(shù)的設(shè)置

取柴油和汽油的運(yùn)動(dòng)粘度分別為4.316×10-3、5.616×10-4Pa·s,密度分別取840、730 kg/m3。

混油粘度可以按下式進(jìn)行計(jì)算：

式中：vA、vB、vM—分別為A油品、B油品和混油的運(yùn)動(dòng)粘度,m/s2;

αA、αB—待定因數(shù)。（例如，在本文中對于柴油和汽油可取αA=0.8199, αB=-0.8964）。

2 上坡時(shí)混油的數(shù)值模擬

2.1 管壁處邊界層區(qū)域的混油圖

由圖1可以得到：當(dāng)前行汽油后行柴油時(shí)t=6s管壁處形成斜向下傾斜的混油，隨著后行油品不斷的運(yùn)行管壁處形成的混油越來越紊亂，混油尾、混油頭均變長，而且混油量逐漸變大。

1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0

圖1 管道表面和縱向區(qū)域的混有圖Fig.1 Mixed oil on the pipe surface and at longitudinal area

對比圖1中(a)和(b)在前行同一種油品t=10s時(shí)的混油圖：管道縱向區(qū)域的混油和管壁處混油相距一段距離且傾斜角度相一致。管壁處混油的形成是由于油品的粘度差引起管壁的層流底層處留下混油尾，隨著油品的運(yùn)行管壁處的混油也不斷的向前運(yùn)行，從而形成了一段很長的混油段。上坡時(shí)由于后行油品較重而且存在重力分力的作用加重了兩種油品之間的分子擴(kuò)散，從而使管壁處的混油的傾斜角變得越來越傾斜，混油尾也越來越長，同樣混油頭變得更加紊亂。由圖1可以看出：t =6 s時(shí)和前行汽油相比前行柴油在管壁處形成的混油較薄，隨著油品的交替運(yùn)行管壁處的混油呈斜向上傾斜，和前行汽油相比前行柴油在管壁處形成的混油頭比較尖，混油運(yùn)行的比較緩慢；這是由于后行汽油粘度較小對管壁處殘留汽油的沖刷能力較弱，致使管壁處的混油量增多且運(yùn)行緩慢。從圖2曲線圖中可以看出：前行柴油時(shí)在管壁處的混油量大于前行汽油時(shí)的混油量。

圖2 t =10 s后行油品管壁處混油的體積分?jǐn)?shù)Fig.2 The volume fraction of mixed oil of trailing oil product at t=10 s

2.2 上坡時(shí)不同柴油密度的混有圖

由圖3和圖4可以看出：前行汽油后行柴油時(shí)密度對混油的影響較大，柴油密度830 kg/m3的混油量大于柴油密度800 kg/m3的混油量，這是由于：前行汽油時(shí)柴油的密度越小所受到的質(zhì)量力和管壁的附著力越小，且層流底層的湍動(dòng)能變大導(dǎo)致混油量變小。當(dāng)前行柴油后行汽油時(shí)密度對混油的影響較小，在x =17 m左右時(shí)前行汽油和前行柴油分別出現(xiàn)了混油體積分?jǐn)?shù)突然減小的點(diǎn)，這是由于后行汽油粘度較小對管壁處殘留汽油的沖刷能力較弱使得混油頭變得又細(xì)又尖。

1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0

圖3 上坡時(shí)不同柴油密度的混有圖Fig.3 Mixed oil of diesel oil with different density in the uphill pipe

圖4 不同密度柴油時(shí)后行油品各截面體積分?jǐn)?shù)Fig.4 Trailing oil product volume fraction of different density diesel oil

2.3 上坡時(shí)不同速度的混有圖

繪制不同速度時(shí)前行汽油和前行柴油的混油圖（圖5）和后行油品各截面的體積分?jǐn)?shù)（圖6），由兩圖可以看出：當(dāng)速度的增大前行汽油后行柴油的混油量很接近，速度2.5 m/s時(shí)的混油量略大于速度2.0 m/s時(shí)的混油量；而前行柴油時(shí)很明顯可以看出速度2.5 m/s的混油量小于2.0 m/s的混油量。這是由于：后行汽油的粘度和密度均較小受到的質(zhì)量力和管壁的附著力較小，因此后行的汽油時(shí)鍥入到柴油的體積分?jǐn)?shù)大，混油量增多。

1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0

圖5 上坡時(shí)速度不同油品的混有圖Fig.5 Mixed oil under different speed in the uphill pipe

圖6 不同速度時(shí)后行油品各截面體積分?jǐn)?shù)Fig.6 Different speed trailing oil product volume fraction

3 下坡時(shí)混油的數(shù)值模擬

3.1 管壁處邊界層區(qū)域的混有圖

繪制了下坡管道不同輸送順序時(shí)表面邊界層區(qū)域、管道縱向區(qū)域的混油圖（圖7）和后行油品在管壁處混油的體積分?jǐn)?shù)（圖8），由圖7可以得到：

1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0

圖7 管道表面和縱向區(qū)域的混有圖Fig.7 Mixed oil of the pipe surface longitudinal area

圖8 t =10 s后行油品管壁處混油的體積分?jǐn)?shù)Fig.8 The volume fraction of pipe wall mixed oil of trailing oil product at t =10 s

當(dāng)前行汽油和前行柴油時(shí)隨著交替油品的運(yùn)行t=2 s時(shí)在管壁處分別形成斜向下和斜向上傾斜的混油，隨著后行油品不斷的運(yùn)行管壁處形成的混油均越來越長，混油頭變尖，而且混油量逐漸變大。對比圖7(a)和(b)中的前行汽油和前行柴油混油圖：兩種油品交替處產(chǎn)生的混油均以擴(kuò)散的形式向前運(yùn)行；管道縱向區(qū)域的混油和管壁處產(chǎn)生的混油的傾斜角度相一致并且均相距一段距離。從圖8曲線圖中可以看出：和前行柴油相比前行汽油在管壁處形成的混油量大，混油運(yùn)行的比較緩慢。這是由于后行柴油粘度、密度較大在重力分力的作用下加大了油品間的分組擴(kuò)散，致使管壁處的混油量增多且運(yùn)行緩慢。

3.2 下坡時(shí)不同柴油密度的混有圖

繪制密度不同的柴油與同種汽油進(jìn)行順序輸送后行油品截面的體積分?jǐn)?shù)圖（圖9）。由圖9可以看出：無論前行是哪一種油品，柴油密度830 kg/m3的混油量均大于柴油密度800 kg/m3的混油量，對比圖9中的圖可以看出：前行柴油時(shí)柴油密度越大對混油的影響較大。對比上坡和下坡（圖5和圖10）可以發(fā)現(xiàn)：密度對上坡時(shí)的前行柴油時(shí)的影響最小。

圖9 不同密度柴油時(shí)后行油品各截面體積分?jǐn)?shù)Fig.9 Volume fraction of trailing oil product of different density diesel oil

4 結(jié) 論

對于上、下坡工況時(shí)管壁層流底層的混油借助于FLUENT軟件進(jìn)行了數(shù)值模擬。研究結(jié)果表明：對于上坡時(shí)的輸油管道前行柴油時(shí)柴油密度越小、速度越大有助于減少管壁處邊界層區(qū)域的混油量；對于下坡輸油管道前行汽油時(shí)柴油密度越小、速度越大有助于減少管壁處邊界層區(qū)域的混油量，和上坡時(shí)相比下坡前行汽油時(shí)更有助于減少管壁處邊界層區(qū)域的混油量。建議根據(jù)工程實(shí)際應(yīng)用情況，設(shè)計(jì)出針對上、下坡工況時(shí)經(jīng)濟(jì)合理的流速。

［1］趙會軍,張青松,張國忠,等.基于PHOENICS 的順序輸送大落差管道混油的研究[J].江漢石油學(xué)院學(xué)報(bào) ,2008,28(4):139-142.

［2］康正凌,宮敬,嚴(yán)大凡.成品油管道輸送高差混油模型研究[J].石油大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2003, 27(6):65-67.

［3］喬偉彪,馬貴陽,杜明俊,等.U型管內(nèi)成品油順序輸送混油豎直計(jì)算[J].油氣儲運(yùn),2011,30(10):755-758.

［4］趙海燕.順序輸送混油的CFD模擬[D].大慶:大慶石油學(xué)院,20010.27 -52.

［5］鞠嵐,廖柯熹,陳莎,等.成品油管道落差地段水力特性研究[J].天然氣與石油,2011,29(3):14-16.

［6］杜明俊,馬貴陽,許丹,等.冷熱原油順序輸送過程混油濃度的數(shù)值模擬[J].油氣儲運(yùn),2010,9(10)：730-733.

［7］金俊卿,鄭云萍. FLUENT軟件在油氣儲運(yùn)工程領(lǐng)域的應(yīng)用[J].天然氣與石油,2013,31(2)：27-39.

Numerical simulation on Contaminated Oil of Boundary Layer region During Batch Transportation

WU Cheng-kuan，WANG Wei-min
（College of Petroleum and Natural Gas Engineering, Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001，China）

Aimed at the problem of contaminated oil in batch transportation of the same gasoline and diesel with different density during product oil flowing in the downhill and uphill pipe, with the help of VOF model, the three-dimensional flow model was established, and numerical calculation was carried out. Influence of different sequence, flow velocity, density, pipe range on boundary layer region contaminated oil was investigated. The results show that: for forward diesel in the uphill pipeline，the lower density and the greater speed of diesel，the lower the mixed oil volume of tube boundary layer region; for forward gasoline in the downhill pipeline，the lower density and the greater speed of diesel，the lower the mixed oil volume of tube boundary layer region，and compared with the first condition，its effect is more obvious.

Uphill and downhill pipe; Density difference; Boundary layer region；Numerical simulation

TQ 018

A

1671-0460（2015）01-0205-04

2014-03-30

武程寬（1988-），男，遼寧撫順人，遼寧石油化工大學(xué)在讀碩士。