射流清管器等效壓降系數(shù)模型的建立及分析驗(yàn)證＊

陳建恒 何利民 羅小明 李清平

（1．中國石油大學(xué)（華東）油氣儲運(yùn)安全省級重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 山東青島 266580； 2．中海油研究總院 北京 100028）

射流清管器等效壓降系數(shù)模型的建立及分析驗(yàn)證＊

陳建恒1何利民1羅小明1李清平2

（1．中國石油大學(xué)（華東）油氣儲運(yùn)安全省級重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 山東青島 266580； 2．中海油研究總院 北京 100028）

通過對射流清管過程進(jìn)行動量和能量平衡分析，建立了等效壓降系數(shù)計(jì)算模型，并利用CFD軟件模擬計(jì)算了相同運(yùn)行工況下的等效壓降系數(shù)，分析驗(yàn)證了等效壓降系數(shù)與清管器旁通率和氣體雷諾數(shù)之間的內(nèi)在關(guān)系。研究表明，射流清管器等效壓降系數(shù)隨旁通率的增加呈現(xiàn)微弱減小而后快速增長的趨勢，同一旁通率下等效壓降系數(shù)幾乎不隨射流氣體雷諾數(shù)變化而變化；射流清管器結(jié)構(gòu)中的突擴(kuò)部分對旁通壓降的貢獻(xiàn)最大，比重接近70%。本文方法計(jì)算結(jié)果與CFD模擬結(jié)果的偏差在6．4%以內(nèi)，吻合度較高，表明應(yīng)用本文建立的模型可以較好地計(jì)算射流清管器等效壓降系數(shù)，以此作為射流清管器動態(tài)模擬的重要輸入?yún)?shù)。本文研究成果對優(yōu)化射流清管器的設(shè)計(jì)及對射流清管器模型的修正具有重要的意義。

射流清管器；等效壓降系數(shù)；計(jì)算模型；CFD模擬驗(yàn)證；旁通率；雷諾數(shù)

清管是管道流動安全保障的重要措施，是管道維護(hù)和運(yùn)行中不可缺少的環(huán)節(jié)。對于輸氣管道的清管操作，由于驅(qū)動介質(zhì)為運(yùn)行速度較快的氣體，因而清管器速度普遍較高，清管效果較差，因此對于氣體管道清管器設(shè)計(jì)中速度控制顯得尤其重要［1－7］。傳統(tǒng)清管器在天然氣凝析液管道中進(jìn)行清管作業(yè)時(shí)，由于主體前后密閉，使清管器兩端驅(qū)動壓差大，運(yùn)行速度快，易導(dǎo)致管道內(nèi)涂層破壞、清管器運(yùn)行不穩(wěn)定、清管段塞超過下游接收設(shè)備的處理能力，給生產(chǎn)帶來了很大的不確定性。

理想的清管速度不宜過快，當(dāng)清管器的運(yùn)行速度低于5 m／s時(shí)，清管的效率較高［7］。射流清管器是專門應(yīng)用于氣體管線的新型清管工具，通過在清管器主體中部開設(shè)一個(gè)旁通射流孔，使后方氣體通過旁通孔進(jìn)入清管器前方，有效地降低清管器驅(qū)動壓差，進(jìn)而減小清管器的運(yùn)行速度，同時(shí)增強(qiáng)氣體對下游積液的吹掃和剪切攜帶作用，有利于平緩清管段塞，給生產(chǎn)帶來了顯著的效益［2，8－13］。

壓降系數(shù)是支配射流清管器驅(qū)動壓差的重要參數(shù)，其可將清管器的驅(qū)動壓差和清管器速度以及驅(qū)動氣速相關(guān)聯(lián)，從而求解清管器的運(yùn)動規(guī)律，對于射流清管模型的準(zhǔn)確建立具有重要的意義。Henkes等［14－15］對清管器前方有折流板的壓降系數(shù)進(jìn)行了研究，認(rèn)為其與清管器結(jié)構(gòu)具有重要的關(guān)系。然而，射流清管器的結(jié)構(gòu)形式多樣，需要深入分析結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響，闡明不同結(jié)構(gòu)對壓降的貢獻(xiàn)。此外，影響壓降的因素還可能包括流體自身的流動特征參數(shù)，探討這些因素對射流清管壓降系數(shù)的影響，對于分析壓降、優(yōu)化清管器設(shè)計(jì)以及修正射流清管模型具有重要的意義。

1 等效壓降系數(shù)模型的建立

1．1 壓降系數(shù)概念的建立

首先對射流清管過程進(jìn)行受力分析，建立壓降系數(shù)的概念。由于射流氣體通過旁通孔從清管器后方進(jìn)入前方，對前方積液進(jìn)行吹掃和攜帶，使之分布到更長的管段上，因而前方堆積量大大降低，甚至無積液堆積，故模型的建立忽略清管器前方積液的存在，考慮單氣相的影響。圖1為簡化的射流清管器在水平管內(nèi)運(yùn)動受力示意圖。

對射流清管器運(yùn)動過程進(jìn)行動量分析，可得支配清管器的運(yùn)動方程為

圖1 射流清管器在水平管內(nèi)運(yùn)動受力分析Fig．1 The force analysis of bypass pig in a horizontol pipe

式（1）中：m、Vpig、Apipe分別為清管器質(zhì)量、清管器速度、管道的橫截面積；Δp為清管器前后的驅(qū)動壓差；Fi為作用于清管器上的阻力。

將驅(qū)動壓差Δp與旁通孔的氣體流速Vbp進(jìn)行關(guān)聯(lián)，定義壓降系數(shù)K，即

式（2）中：K 為壓降系數(shù)，包含了突縮結(jié)構(gòu)、突擴(kuò)結(jié)構(gòu)以及氣體旁通孔內(nèi)的摩擦造成的壓降；ρ為氣體密度；Vbp為清管器旁通孔中的平均氣速，與后方驅(qū)動氣速、清管器速度以及清管器旁通孔的大小有關(guān)，利用連續(xù)性方程進(jìn)行計(jì)算［3］可得

式（3）中：Vg為清管器后方的驅(qū)動氣速（由于射流清管器的速度介于氣速和液體速度之間［3］，從而清管器后方一段距離內(nèi)將出現(xiàn)干氣區(qū)，無液相存在，故驅(qū)動介質(zhì)為氣體）；d、D分別為旁通孔和管道的內(nèi)徑。

從式（2）、（3）可知，利用壓降系數(shù)K 可將射流清管器的前后壓差與驅(qū)動氣速、清管器速度相關(guān)聯(lián)，再結(jié)合式（1）便可描述清管器的運(yùn)動。通過對射流清管器的運(yùn)動過程受力分析可知，支配射流清管器的運(yùn)動因素包括由清管器前后驅(qū)動壓差形成的驅(qū)動力以及由摩擦力和重力等組成的運(yùn)行阻力，驅(qū)動力和運(yùn)動阻力在清管過程中的變化造成了清管器速度的波動性。對于一個(gè)特定密封結(jié)構(gòu)的射流清管器而言，清管器與管壁間摩擦力的波動范圍是確定的，則清管器的運(yùn)動主要取決于前后驅(qū)動壓差，因而若能尋求驅(qū)動壓差與驅(qū)動氣速以及清管器速度之間的關(guān)系，便可以實(shí)現(xiàn)射流清管器運(yùn)行速度的求解。在這一關(guān)聯(lián)求解的過程中，射流清管器壓降系數(shù)的作用得到了體現(xiàn)，其可將驅(qū)動壓差與旁通氣速進(jìn)行關(guān)聯(lián)，進(jìn)而得到清管器的驅(qū)動力與后方氣速以及清管器速度的內(nèi)在聯(lián)系，因此射流清管模型的準(zhǔn)確求解很大程度上取決于壓降系數(shù)的計(jì)算。

1．2 等效壓降系數(shù)模型的建立

本次研究立足于實(shí)際工程中具有廣泛應(yīng)用的射流清管器結(jié)構(gòu)，如圖2所示，清管器射流通道由2個(gè)不同的直管段d1和d2以及由d1向d2過渡的漸縮段組成。

圖2 射流清管器等效壓降系數(shù)模型Fig．2 Model of bypass pig equivalent pressure drop coefficient

定義氣體由上游管道D段歷經(jīng)突縮結(jié)構(gòu)到達(dá)清管器的d1段對應(yīng)的突縮壓降系數(shù)為K1，由d2段歷經(jīng)突擴(kuò)結(jié)構(gòu)到達(dá)下游管道D段的突擴(kuò)壓降系數(shù)為K2。考慮清管器內(nèi)部漸縮段的能量損失以及流體在射流通道內(nèi)的摩阻損失，通過能量平衡分析，則可得到氣體經(jīng)過射流通道的總能量損失（即總壓損失）為

式（4）中：右端前3項(xiàng)分別為對應(yīng)突縮、漸縮管段，突擴(kuò)結(jié)構(gòu)的壓力損失，后2項(xiàng)為2個(gè)射流段內(nèi)的摩阻損失；Vbp1、Vbp2分別對應(yīng)清管器內(nèi)d1、d2段的平均氣速；ρ為氣體的密度，實(shí)際工程應(yīng)用中射流清管器內(nèi)氣體馬赫數(shù)較?。?］，氣體作為不可壓處理；φ為氣體經(jīng)過漸縮部分的能量損失系數(shù)，與漸縮角θ有關(guān)，可由實(shí)驗(yàn)曲線確定［16］（在本次研究中，設(shè)計(jì)θ＝60°，取φ＝0．1，該取值與 CFD驗(yàn)證結(jié)果吻合）；f1、f2分別為2個(gè)射流通道內(nèi)的范寧摩擦系數(shù)，與雷諾數(shù)和粗糙度有關(guān)，可采用Churchill關(guān)聯(lián)式［17］計(jì)算。

為了能夠?qū)⑶骞芷髑昂蟮膲航郸與射流氣速Vhp之間建立一個(gè)較為簡單的關(guān)聯(lián)公式，便于清管器模型的建立與求解，本次研究建立“等效壓降系數(shù)”的概念，將射流通道d2段的射流氣速Vbp2所對應(yīng)的壓降系數(shù)作為整個(gè)射流通道結(jié)構(gòu)的等效壓降系數(shù)Keq2，即

連續(xù)性方程為

式（6）中：A1、A2分別為兩段射流通道的橫截面積。

通過式（4）～（6）可得

突縮壓降系數(shù)K1可利用Idelchik公式［18］計(jì)算，突擴(kuò)壓降系數(shù)K2可由包達(dá)公式［19］計(jì)算，即

式（8）、（9）中：Apipe為管道的橫截面積。

式（7）為本次研究建立的等效壓降系數(shù)計(jì)算式。該計(jì)算模型的意義在于：通過等效壓降系數(shù)將射流清管器前后復(fù)雜的壓降損失計(jì)算式（4）轉(zhuǎn)化成以Vbp2為基準(zhǔn)的簡單計(jì)算式（5），極大地方便了內(nèi)部射流結(jié)構(gòu)多變的射流清管模型的建立。

2 分析驗(yàn)證

從以上推導(dǎo)過程可以看出，射流清管器的等效壓降系數(shù)是管道的結(jié)構(gòu)參數(shù)和摩擦系數(shù)μ的函數(shù)，而摩擦系數(shù)又取決于氣體的雷諾數(shù)。這里利用式（7）研究等效壓降系數(shù)隨射流氣體雷諾數(shù)和射流清管器內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化，并利用CFD模擬軟件FLUENT進(jìn)行模型的對比驗(yàn)證。

2．1 幾何模型

圖3為本次研究采用的射流清管CFD模擬結(jié)構(gòu)。為了能更加真實(shí)地模擬流動過程，采用三維結(jié)構(gòu)對整個(gè)流域進(jìn)行結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格離散。

圖3 射流清管模型網(wǎng)格劃分Fig．3 Mesh dividing result of bypass pig

為了能夠更細(xì)致地研究清管器周圍的流場分布規(guī)律，模擬射流清管動態(tài)過程，以清管器為參考系，即將清管器看成不動，管道以清管器的速度向反方向運(yùn)動。這種相對坐標(biāo)設(shè)置的意義表現(xiàn)在：清管器勻速運(yùn)動，驅(qū)動壓差與清管器阻力相平衡，即清管器的合外力為零。為了使清管器前方長度達(dá)到充分發(fā)展?fàn)顟B(tài)，取前方的管道長度為30 D。清管器后方的長度也應(yīng)該是充分發(fā)展的狀態(tài)，但為了節(jié)省計(jì)算資源，速度入口采用UDF的方法進(jìn)行定義，使得入口段長度減少為5 D即可滿足要求。

2．2 數(shù)值模型與邊界條件

在求解方法的選擇上，求解模型采用Realizable k－ε模型，壁面條件采用Standard wall函數(shù)。這是因?yàn)?，Singh等［15］將該湍流模型與壁面函數(shù)的模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，驗(yàn)證了求解模型和壁面函數(shù)選擇對于射流效果的有效性；而對流項(xiàng)采用三階QUICK離散格式，保證了結(jié)果高精度。

邊界條件為速度入口和壓力出口，并給出相應(yīng)的湍動能和耗散率；模擬介質(zhì)為空氣，密度為10．6 kg／m3，使用當(dāng)?shù)卮髿鈮鹤鳛閰⒖級毫Γū敬窝芯筷P(guān)注的是壓差變化，故參考壓力的選擇不會影響研究的目的）。由于清管器在管道內(nèi)運(yùn)動，本次研究以清管器為參考的對象，將其看成不動，所以在設(shè)置入口氣速時(shí)需要減去清管器的速度，而管壁以清管器速度向反方向運(yùn)動，即

1）入口速度為氣相速度相對于清管器的速度Vg－Vpig；

2）管壁面運(yùn)動速度為－Vpig；

3）壓力出口以當(dāng)?shù)卮髿鈮簽閰⒖贾担O(shè)為0。

此外，描述流動的無量綱數(shù)包括射流清管器旁通率φ、射流氣體雷諾數(shù)Red2和管道中氣體雷諾數(shù)ReD。

射流清管器的旁通率定義為

射流氣體雷諾數(shù)定義為

管道中氣體的雷諾數(shù)定義為

式（10）～（12）中：Abypass為清管器射流通道的最小橫截面積；Apipe為管道橫截面積；μ為氣體的動力黏度。

2．3 網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證

為了進(jìn)行射流清管器網(wǎng)格獨(dú)立性考核，對網(wǎng)格尺寸進(jìn)行敏感性分析。以清管器旁通率5%為例，分別設(shè)置了3種網(wǎng)格尺寸：①網(wǎng)格1數(shù)量為998 300；②網(wǎng)格2數(shù)量為1 503 900；③網(wǎng)格3數(shù)量為2 527 942。圖4為3種網(wǎng)格的中心軸線速度和總壓分布曲線，圖中的2條虛線分別表示清管器的入口和出口所對應(yīng)的位置。從以上3種網(wǎng)格的敏感性分析可知，3種網(wǎng)格尺寸的模擬結(jié)果具有很好的一致性，選取網(wǎng)格2進(jìn)行模擬分析。

圖4 射流清管器網(wǎng)格中心軸線速度和總壓分布曲線Fig．4 Variation of the velocity and pressure along the axis of bypass pig

2．4 結(jié)果分析

為了尋求等效壓降系數(shù)與運(yùn)行參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)性，在同一旁通率、不同入口氣速下研究等效壓降系數(shù)與氣體雷諾數(shù)的關(guān)系；為了探討等效壓降系數(shù)與清管器結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)性，在相同的入口氣速下研究等效壓降系數(shù)與旁通率變化的關(guān)系。

表1為本文方法計(jì)算和CFD模擬時(shí)射流清管器結(jié)構(gòu)參數(shù)及運(yùn)行工況條件。利用式（7）對表1的工況進(jìn)行理論計(jì)算，且通過CFD模擬得出清管器前后的壓差和最小射流通道中氣體的動壓，利用式（5）計(jì)算射流清管過程等效壓降系數(shù)Keq2的變化規(guī)律，對比二者的差異。

表1 本文方法計(jì)算和CFD模擬時(shí)射流清管器結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)行工況條件Table 1 Structure parameters and operation conditions of bypass pigging of this paper calculation method and CFD simulation

2．4．1 等效壓降系數(shù)隨射流氣體雷諾數(shù)的變化規(guī)律

圖5 射流清管器等效壓降系數(shù)隨氣體雷諾數(shù)的變化（旁通率為10%條件下）Fig．5 Trend of equivalent pressure drop coefficient changed with the gas Reynolds number of bypass pig（bypass fraction of 10%）

圖5 為射流清管器旁通率為10%時(shí)等效壓降系數(shù)Keq2隨射流氣體雷諾數(shù)的變化規(guī)律。CFD模擬結(jié)果和本文方法計(jì)算結(jié)果均表明：在同一旁通率下，等效壓降系數(shù)幾乎不隨雷諾數(shù)的增加而變化，這是由于射流清管器結(jié)構(gòu)不變，等效壓降系數(shù)的差異主要表現(xiàn)在不同雷諾數(shù)下氣體通過射流管段的摩阻損失不同。隨著雷諾數(shù)的增加，根據(jù)Churchill公式［17］可知：射流管兩段摩擦系數(shù)f1、f2均減小，所以出現(xiàn)了等效壓降系數(shù)隨雷諾數(shù)增加而降低的現(xiàn)象，但由于摩阻損失在總的壓降損失中的比重很低（占比1．7%～2．4%），其變化對于總壓降的影響較小。這說明射流清管器的等效壓降系數(shù)與運(yùn)行工況之間的關(guān)系不大。通過偏差分析得：CFD模擬結(jié)果與理論模型計(jì)算結(jié)果的最大偏差在6．4%以內(nèi)，表明本文建立的理論模型可以較好地計(jì)算射流清管器的等效壓降系數(shù)。

利用本文模型計(jì)算得到：在等效壓降系數(shù)的組成中，由突縮段的壓降系數(shù)K1和突擴(kuò)段的損失系數(shù)K2組成的結(jié)構(gòu)突變總損失系數(shù) K1（d2／d1）4＋K2占等效壓降系數(shù)Keq2的94%，是對Keq2的主要貢獻(xiàn)，因此對于特定的射流清管結(jié)構(gòu)，其壓降主要來自于流體通過突縮和突擴(kuò)結(jié)構(gòu)的能量損失；在突變結(jié)構(gòu)中，突擴(kuò)壓降系數(shù)占比（70%）遠(yuǎn)大于突縮結(jié)構(gòu)（24%），即流體通過射流清管器的能量損失主要源于突擴(kuò)結(jié)構(gòu)，這是由于流體通過突擴(kuò)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生大回流區(qū)，導(dǎo)致流體介質(zhì)動量產(chǎn)生強(qiáng)烈的交換，從而導(dǎo)致能量大幅度損失的結(jié)果。

2．4．2 等效壓降系數(shù)隨射流清管器旁通率的變化規(guī)律

圖6 射流清管器等效壓降系數(shù)隨旁通率的變化Fig．6 Trend of equivalent pressure drop coefficient changing with the bypass fraction of bypass pig

圖6 為射流清管器在相同的入口氣速下等效壓降系數(shù)Keq2隨旁通率的變化規(guī)律。本文方法計(jì)算結(jié)果與CFD模擬結(jié)果具有相同的變化趨勢，即等效壓降系數(shù)隨著旁通率的增加出現(xiàn)微弱的減少階段后呈快速上升趨勢，并且二者的最大偏差在6%以內(nèi)。分析式（7）可知，隨著旁通率的增加（即A2增加），突縮結(jié)構(gòu)的壓降占比K1（A2／A1）2和磨擦項(xiàng)占比增大，漸縮結(jié)構(gòu)壓降占比φ（A2／A1－1）2和突擴(kuò)結(jié)構(gòu)壓降占比K2減小。計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)旁通率由2%增加至5%時(shí)，漸縮結(jié)構(gòu)的壓降減小程度（由6．7%減至3．4%）在總壓降損失的比重最大，因而等效壓降系數(shù)出現(xiàn)了減小的趨勢；當(dāng)繼續(xù)增加旁通率時(shí)，突縮結(jié)構(gòu)的壓降占比K1（A2／A1）2快速增加，超過了突擴(kuò)結(jié)構(gòu)以及漸縮結(jié)構(gòu)的壓降減小程度，從而使等效壓降曲線快速的增加。而且在總壓降占比中，突縮結(jié)構(gòu)的壓降占比K1（A2／A1）2和突擴(kuò)結(jié)構(gòu)壓降占比K2占主要部分，旁通率從2%增加至11%的過程中兩突變結(jié)構(gòu)的壓降占比之和從91．71%增長至96．31%，這也表明在射流清管的等效壓降系數(shù)的組成中突縮和突擴(kuò)結(jié)構(gòu)占據(jù)主要部分。

下面通過對式（7）作進(jìn)一步的分析，研究等效壓降系數(shù)Keq2與旁通率φ的定量關(guān)系。由于φ＝A2／Apipe，令ε＝Apipe／A1、a＝4f1L1／d1、b＝4f2L2／代入式（7）進(jìn)行相應(yīng)的變形與化簡后可得

式（13）即為等效壓降系數(shù)Keq2與旁通率φ的定量關(guān)系式。對于一個(gè)已知結(jié)構(gòu)的射流清管器，其ε、φ、a、b均為與結(jié)構(gòu)相關(guān)的常數(shù)。令C1＝K1ε2＋φε2＋aε2＋1、C2＝2εφ＋2、C3＝b、C4＝φ＋1，則式（13）可簡化為

其中，C1、C2、C3、C4均為大于零的常數(shù)。對于本文研究結(jié)構(gòu)，C1＝38．93、C2＝3．61、C3＝0．003 8、C4＝1．1，將這些數(shù)值代入式（14）并作圖可得到等效壓降系數(shù)與旁通率的定量關(guān)系曲線（圖7）。從圖7可知，對于一個(gè)特定結(jié)構(gòu)的射流清管器，其等效壓降系數(shù)與旁通率之間存在定量的關(guān)系，即隨著旁通率的增加，等效壓降系數(shù)呈現(xiàn)先減小而后快速增加的趨勢。

圖7 射流清管器等效壓降系數(shù)與旁通率的定量關(guān)系曲線Fig．7 Quantitative relationship curve between equivalent pressure drop coefficient and bypass fraction of bypass pig

本文方法計(jì)算結(jié)果與CFD模擬結(jié)果的差異在于：首先使用式（7）進(jìn)行等效壓降系數(shù)計(jì)算時(shí)，摩擦損失計(jì)算式是在充分發(fā)展的湍流狀態(tài)下推導(dǎo)得出的，而由于射流通道內(nèi)部長度較短，在經(jīng)歷突縮過程后，流動還未達(dá)到充分發(fā)展的狀態(tài)，而本文方法沒有考慮這種流體運(yùn)動狀態(tài)；其次等效壓降模型的建立是針對清管器不動的情況，而CFD模擬考慮了射流清管器在管道內(nèi)的運(yùn)動工況，考慮了運(yùn)動的壁面效應(yīng)對流線的影響。但從偏差數(shù)據(jù)可以看出，無論是對于雷諾數(shù)或旁通率變化的工況，二者的最大偏差均在6．4%以下；可見應(yīng)用本文建立的等效壓降系數(shù)模型可以較好地計(jì)算射流清管器的等效壓降系數(shù)。因此，當(dāng)選定一定結(jié)構(gòu)的射流清管器后，通過測量相關(guān)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，可利用式（7）計(jì)算壓降系數(shù)的數(shù)值，以此作為射流清管動態(tài)模擬的重要輸入?yún)?shù)。

3 結(jié)論與建議

1）通過對射流清管過程進(jìn)行動量和能量平衡分析，建立了射流清管等效壓降系數(shù)計(jì)算模型，并利用CFD軟件模擬計(jì)算了相同運(yùn)行工況下的等效壓降系數(shù)，通過對比等效壓降系數(shù)隨射流氣體雷諾數(shù)與旁通率變化的關(guān)系，兩者的吻合性較好，誤差在6．4%以內(nèi)。

2）研究結(jié)果表明，射流清管器等效壓降系數(shù)隨射流氣體雷諾數(shù)的增加而微弱減少，基本不隨雷諾數(shù)的變化而變化，隨旁通率的增加出現(xiàn)先減小后快速增大的趨勢，這說明等效壓降系數(shù)主要取決于射流清管器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，是結(jié)構(gòu)參數(shù)的函數(shù)。在射流通道的能量損失中，流體的能量損失包括突縮損失，突擴(kuò)損失、漸縮能量損失、摩阻損失，由于突擴(kuò)結(jié)構(gòu)使流體形成大回流區(qū)域，占據(jù)了能量損失的主要部分，對能量損失的貢獻(xiàn)最大，占總損失的比重約70%。

3）本文模型的建立過程忽略了氣體管道中少量凝析液的存在，雖然射流清管過程中凝析液堆積于清管器前方的量大為減小，但相較于純氣相狀態(tài)卻增加了氣液間的相互作用和氣體通過的阻力，因而會增大清管器的驅(qū)動壓差，使壓降系數(shù)變大，因此在將來的研究中建議考慮少量凝析液的堆積對射流壓降的影響。

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Development and verification of a model to compute the equivalent pressure drop coefficient of bypass pigs

CHEN Jianheng1HE Limin1LUO Xiaoming1LI Qingping2
（1．Provincial Key Laboratory of Oil ＆ Gas Storage and Transportation Safety，China University of Petroleum，Qingdao，Shandong266580，China；2．CNOOC Research Institute，Beijing100028，China）

A computation model for equivalent pressure drop coefficient was developed by analysis on momentum and energy balance during bypass pigging process．The CFD simulation for the same process was conducted to analyze and verify the relationships between the equivalent pressure drop coefficient and bypass fraction as well as between the coefficient and Reynolds number of bypass gas．The study shows the coefficient has a tendency of slight decrease then rapid increase with the rise of bypass fraction；and at the same bypass fraction，the coefficient hardly changes with the Reynolds number of bypass gas．The sudden expansion structure accounts for the largest portion of the whole pressure drop across the bypass pig，close to70%．Deviations between the result of computation model developed in this paper and that of CFD simulation are within 6．4%，which indicates the model can be reasonably used to compute the equivalent pressure drop coefficient of bypass pigs，which is an important parameter input for bypass pig dynamic simulation．The research result is of great significance for the design optimization and prototype modification of bypass pigs．

bypass pig；equivalent pressure drop coefficient；computation model；CFD simulation verification；bypass fraction；Reynolds number

TE832

A

陳建恒，何利民，羅小明，等．射流清管器等效壓降系數(shù)模型的建立及分析驗(yàn)證［J］．中國海上油氣，2017，29（5）：134－140．

CHEN Jianheng，HE Limin，LUO Xiaoming，et al．Development and verification of a model to compute the equivalent pressure drop coefficient of bypass pigs［J］．China Offshore Oil and Gas，2017，29（5）：134－140．

1673－1506（2017）05－0134－07

10．11935／j．issn．1673－1506．2017．05．019

＊“十三五”國家科技重大專項(xiàng)“深水天然氣凝析液控砂與射流清管技術(shù)（編號：2016ZX05028－004－003）”部分研究成果。

陳建恒，男，碩士研究生，現(xiàn)主要從事多相管流及油氣田集輸技術(shù)的研究工作。地址：山東省青島市黃島區(qū)長江西路66號（郵編：266580）。E－mail：s15060742＠s．upc．edu．cn。

何利民，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事多相管流及油氣田集輸技術(shù)的研究工作。地址：山東省青島市黃島區(qū)長江西路66號（郵編：266580）。E－mail：helimin＠upc．edu．cn。

2017－01－03 改回日期：2017－04－17

（編輯：葉秋敏）