稠油降粘裝置內(nèi)空化流場(chǎng)數(shù)值模擬與分析

劉文明，許 晶，劉雪東

（常州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，常州 213164）

稠油降粘裝置內(nèi)空化流場(chǎng)數(shù)值模擬與分析

劉文明，許 晶，劉雪東

（常州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，常州 213164）

采用CFD方法對(duì)基于拉伐爾噴管的稠油降粘空泡發(fā)生裝置內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬。對(duì)比分析加入CRV導(dǎo)流葉片前后噴管內(nèi)空化流場(chǎng)與三維速度場(chǎng)的變化情況。結(jié)果表明：拉伐爾噴管水力空化效果明顯，局部區(qū)域汽含率最高可達(dá)94%，加入CRV導(dǎo)流葉片后，空化區(qū)域平均汽含率略有降低，空化強(qiáng)度減?。籆RV導(dǎo)流葉片的加入使空泡群從靠近管壁的區(qū)域移向了管路中心，空化區(qū)域發(fā)生轉(zhuǎn)變，汽含率在噴管中心達(dá)到最大值；液流在通過CRV導(dǎo)流葉片后，周向速度明顯增加從而產(chǎn)生的渦旋流，但渦流沿軸線方向衰減較快。

拉伐爾噴管；CRV導(dǎo)流葉片；空化效應(yīng)；數(shù)值模擬

0　引言

空化是一種復(fù)雜的流體動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象，空泡潰滅能形成球面沖擊波并伴隨有瞬時(shí)的高溫與高壓，所產(chǎn)生的能量足以使長(zhǎng)鏈碳?xì)漕惤橘|(zhì)中化學(xué)鍵斷裂。利用空泡發(fā)生裝置對(duì)長(zhǎng)碳鏈油品進(jìn)行處理時(shí)，由于空化效應(yīng)的連續(xù)作用能打斷油品中分子間的碳鏈，從而達(dá)到降低油品粘度，提高油品流動(dòng)性，提高輕質(zhì)油產(chǎn)出率的目的［1～4］。

空化按產(chǎn)生形式的不同一般可分為超聲空化、水力空化、光空化和粒子空化四種類型［5～7］，相關(guān)學(xué)者對(duì)超聲空化和水力空化有著較為廣泛的研究。本文所研究的水力空化裝置是以拉伐爾噴管為主要部件，利用高壓使液流在噴管收縮段加速至喉部，之后由于噴管擴(kuò)張而導(dǎo)致液流內(nèi)壓力突然降低，從而產(chǎn)生空化泡作用于液態(tài)介質(zhì)。Neveddev［8，9］等學(xué)者利用拉伐爾噴管產(chǎn)生空泡處理液態(tài)介質(zhì)的方法對(duì)石油進(jìn)行加工，驗(yàn)證其達(dá)到了一定的降粘與餾分分離的效果，并提出在液體中產(chǎn)生渦旋流有助于分離提純處理后的液態(tài)介質(zhì)的假設(shè)。

為了探究拉伐爾噴管產(chǎn)生空化的效果以及渦旋流對(duì)空化的影響，本文以水為研究介質(zhì)，對(duì)加入CRV導(dǎo)流葉片的空泡發(fā)生裝置進(jìn)行數(shù)值模擬與分析，為改善拉伐爾噴管和導(dǎo)流葉片結(jié)構(gòu)，以及提高該裝置處理效率提供重要參考。

1　計(jì)算模型與方法

1.1研究對(duì)象

利用Pro/E軟件對(duì)該空泡發(fā)生裝置進(jìn)行建模，其中拉伐爾噴管收縮段按照維托辛斯基曲線設(shè)計(jì)［10］，擴(kuò)張段采用錐形管的形式，其結(jié)構(gòu)參數(shù)尺寸如表1所示。

表1　拉伐爾噴管結(jié)構(gòu)參數(shù)

CRV導(dǎo)流葉片是美國(guó)程式流體公司研發(fā)的產(chǎn)品，它能使流體在X、Y方向上的速度分量提前發(fā)生轉(zhuǎn)變從而產(chǎn)生渦旋流，并達(dá)到平衡流場(chǎng)的目的。與加入螺旋擋板相比，流體通過CRV葉片時(shí)在X、Y方向上的速度分量逐漸發(fā)生轉(zhuǎn)變，這個(gè)過程較為緩慢，因此流體對(duì)葉片作用不強(qiáng)烈，流體的能量損失較小，并且能夠起到良好的起旋效果。

本研究采用的CRV導(dǎo)流葉片數(shù)量為6個(gè)，葉片的橫截面為矩形，厚度為0.5mm，長(zhǎng)度為10mm，在葉片的前端進(jìn)行預(yù)彎，如圖1所示。葉片固定在直徑為6mm的圓柱芯體上，并放置于拉伐爾噴管入口前端。

1.2模擬方法

采用CFD軟件Fluent6.3.26對(duì)水力空化裝置內(nèi)空化流場(chǎng)以及三維速度場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，首先利用前處理軟件Gambit進(jìn)行幾何建模與網(wǎng)格劃分。由于空化裝置內(nèi)CRV葉片外形較為復(fù)雜，本模型采用了生成相對(duì)簡(jiǎn)單的非結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)格，在二階迎風(fēng)格式的情況下非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格也具有較高的精度，還具有比較好的可調(diào)節(jié)和可控制性，如圖2所示。因?yàn)榱鲌?chǎng)中涉及渦旋流，為提高強(qiáng)旋流動(dòng)計(jì)算精度，湍流模型采用重整化群RNG k-ε模型，多相流模型采用Mixture混合模型，不考慮相間滑移速度，壓力速度耦合方式選擇SIMPLE算法，最后以穩(wěn)態(tài)的計(jì)算方式得到流場(chǎng)情況。

圖1　CRV導(dǎo)流葉片

圖2　空泡發(fā)生裝置三維網(wǎng)格

在模擬空化流場(chǎng)時(shí)需要在多相流設(shè)置中打開Cavitation功能模塊，該模塊只涉及兩相系統(tǒng)，假設(shè)單位體積內(nèi)的氣泡數(shù)量是預(yù)先知道的，當(dāng)流體中的壓力低于流體在該溫度下的飽和蒸汽壓，溶于液體中的氣體就會(huì)分離出來產(chǎn)生氣泡。

單個(gè)氣泡體積關(guān)于空間和時(shí)間的變化由下式給出：

R是氣泡的半徑。

蒸發(fā)的體積分?jǐn)?shù)定義為：

這里η是單位流體容積內(nèi)的氣泡數(shù)量。

體積分?jǐn)?shù)方程從混合（m）的連續(xù)性方程獲得。經(jīng)處理后，假定不可壓縮的液體（l），可以獲得下面的表達(dá)式：

由于空化氣泡在低溫下形成液體，F(xiàn)luent等溫模擬空化流動(dòng)，忽略了蒸發(fā)潛熱。Rayleigh-Plesset方程與壓力和氣泡容積φ相關(guān)：

這里pB表示氣泡內(nèi)的壓力，由蒸汽的部分壓力（pV）和非凝結(jié)氣體的部分壓力（p）之和來描述，σ是表面張力系數(shù)。

為了簡(jiǎn)化計(jì)算，F(xiàn)luent假設(shè)氣泡成長(zhǎng)和破裂的過程由下式給出：

1.3邊界條件

邊界務(wù)件設(shè)置為入口壓力1.2MPa，出口壓力0.1MPa，模擬液態(tài)介質(zhì)為水，溫度20℃，該溫度下飽和蒸汽壓為2367.8Pa，表面張力系數(shù)為0.0717N/m，非凝結(jié)性氣體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5×10-5。

由于空化效應(yīng)發(fā)生在拉伐爾噴管擴(kuò)張段內(nèi)，因此為方便分析，在X=0平面上以喉部中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，分別選擇沿Z軸方向位置為-8mm、-4mm、0、4mm、8mm、12mm、16mm、20mm、24mm、28mm的截面來進(jìn)行研究分析。

2　模擬結(jié)果與分析

2.1空化流場(chǎng)模擬結(jié)果與分析

空化是指液體中某處的壓強(qiáng)降到該溫度下的飽和蒸汽壓從而促使液體汽化所引發(fā)微氣泡爆發(fā)性生長(zhǎng)的過程［11］，空化強(qiáng)度越大，產(chǎn)生的空泡數(shù)量越多，因此可以用拉伐爾噴管中汽含率（αv）的大小來表征空化效應(yīng)的強(qiáng)弱。

加入CRV導(dǎo)流葉片前后空化流場(chǎng)變化如圖3所示。當(dāng)液體流經(jīng)噴管喉部后有氣泡逐漸產(chǎn)生，汽含率從0迅速增加，在局部區(qū)域內(nèi)能達(dá)到90%以上。從圖中可以看出加入CRV導(dǎo)流葉片后拉伐爾噴管空化流場(chǎng)產(chǎn)生了明顯的變化，汽含率高的空化區(qū)從靠近管壁的區(qū)域轉(zhuǎn)移到了噴管軸向中心位置，這是由于CRV導(dǎo)流葉片使液體形成渦旋流，液流在離心力的作用下朝管壁流動(dòng)，從而使密度相對(duì)較小的空化泡滯留在了噴管中央。

圖3　拉伐爾噴管汽含率分布云圖

加入CRV導(dǎo)流葉片前后Z軸各截面上平均汽含率αv變化如圖4所示。CRV導(dǎo)流葉片對(duì)拉伐爾噴管空化流場(chǎng)形態(tài)的改變較大，但空化沿軸向的變化趨勢(shì)并未改變。從數(shù)值上看，加入CRV導(dǎo)流葉片后空化區(qū)平均汽含率略有下降，這是因?yàn)橐后w對(duì)導(dǎo)流葉片的沖擊造成管路系統(tǒng)能量有一定的損失，從而導(dǎo)致噴管空化效應(yīng)有所減弱，平均汽含率降低了1.65%，表明導(dǎo)流葉片對(duì)空化強(qiáng)度的削弱并不十分明顯。

圖4　拉伐爾噴管軸向各截面平均汽含率分布圖

空泡群由管壁區(qū)域移向管路中心，能在更大范圍內(nèi)作用于液態(tài)介質(zhì)，提高處理效率，并且能減少空泡潰滅對(duì)管壁的空蝕作用，以達(dá)到保護(hù)設(shè)備的目的。在管路中的液態(tài)介質(zhì)由于受到空化作用而使物性參數(shù)發(fā)生改變，在渦旋流的作用下與未經(jīng)處理的液體進(jìn)一步分離而滯留在管路中心，這也為后續(xù)原料的分離提取提供了便利。因此，利用CRV導(dǎo)流葉片產(chǎn)生渦旋流對(duì)該空泡發(fā)生裝置的處理效果起到了促進(jìn)作用。

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2.2速度場(chǎng)模擬結(jié)果與分析

空化數(shù)CV是一個(gè)表示空化狀態(tài)的無量綱數(shù)，其定義式為：

其中影響空化數(shù)的兩個(gè)變量分別為流體內(nèi)的絕對(duì)壓力p與流速v0，而空化數(shù)CV與流速v0的二次方成反比，由此可見，拉伐爾噴管中液體流速是影響該裝置空化效果的一個(gè)重要因素。

為探究加入CRV導(dǎo)流葉片對(duì)拉伐爾噴管內(nèi)速度場(chǎng)的影響，本文通過數(shù)值模擬，研究了整個(gè)空泡發(fā)生裝置內(nèi)速度場(chǎng)的分布規(guī)律，并對(duì)影響渦流最主要的周向速度進(jìn)行了分析與討論。

2.2.1速度場(chǎng)分布

圖5　加CRV前不同截面速度矢量分布圖

圖6　加CRV后不同截面速度矢量分布圖

2.2.2周向速度

周向速度是液體產(chǎn)生渦旋流的主要因素，周向速度增大可以使密度和粘度較大的液態(tài)成分集中在靠近噴管壁的一側(cè)，如果正確地形成渦流，并且將粘度大的成分從附面層中分離出來，空泡發(fā)生裝置就能夠有效地將混合液體按密度分離開來。圖7為噴管各截面周向速度云圖，液流在通過CRV導(dǎo)流葉片后，周向速度逐漸增大，在到達(dá)噴管喉部附近時(shí)達(dá)到最大值。圖7（b）、（c）、（d）可以看出周向速度沿徑向的變化梯度較大，離噴管軸向中心越遠(yuǎn)，周向速度越大，最高可達(dá)10m/s，壁靠近噴管壁面由于存在邊界層，周向速度較小。

圖8為空泡發(fā)生裝置沿Z軸方向各橫截面的平均周向速度，周向速度在拉伐爾噴管收縮段內(nèi)達(dá)到最大值，液流在到達(dá)噴管喉部之前周向速度即開始減小，旋流隨之衰減。

圖7　拉伐爾噴管周向速度分布云圖

3　結(jié)論

1）拉伐爾噴管產(chǎn)生空化主要集中在靠近噴管壁面的區(qū)域，而加入CRV導(dǎo)流葉片后由于旋流使空泡群轉(zhuǎn)移到了噴管管路中心，空化形成的區(qū)域發(fā)生改變，但平均汽含率變化不大，即CRV導(dǎo)流葉片的加入對(duì)裝置空化強(qiáng)度影響較小。

2）旋流的產(chǎn)生使密度和粘度較大的液態(tài)成分集中在靠近噴管壁的一側(cè)，即能使混合液體按密度分離開來，旋流越強(qiáng)，分離越徹底。

3）CRV導(dǎo)流葉片使液流產(chǎn)生了渦旋流，周向速度增加，但沿Z軸軸線方向，周向速度衰減較快。

圖8　Z軸方向各橫截面平均周向速度

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Numerical simulation and analysis on the cavitation flow field in a heavy oil viscosity reduction device

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TQ171.6+25

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1009-0134（2016）10-0110-04

2016-06-28

江蘇省產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合創(chuàng)新資金項(xiàng)目（BY2014037-29）

劉文明（1981 -），男，江蘇徐州人，實(shí)驗(yàn)師，碩士，主要從事石油化工裝備結(jié)構(gòu)可靠性與完整性的研究工作。