輸油管道雙轉(zhuǎn)角彎管內(nèi)多相介質(zhì)流動特性研究

劉忠運， 張興樂， 鐘 麗

(1重慶能源職業(yè)學(xué)院 2重慶東部石油有限公司 3重慶龍海石化有限公司)

近年來低含油混合介質(zhì)在彎管內(nèi)的流動特性及流場分布規(guī)律逐漸引起相關(guān)領(lǐng)域?qū)W者的重視[1-2]。Sudo[3]，Taylor[4]以90°彎管為研究對象，借助于旋轉(zhuǎn)探針及激光多普勒技術(shù)，對關(guān)內(nèi)流體流動特性進行了試驗測量。李靜[5]等針對不同雷諾數(shù)及管徑比條件，對彎管內(nèi)的速度場及壓力場進行了數(shù)值模擬分析。于利偉[6]等通過設(shè)計多相流試驗臺，完成了試驗臺管道上彎管區(qū)域速度分析。同時部分學(xué)者[7-9]分別采用大渦模擬方法、RNG、k-ε湍流模型等方法對彎管內(nèi)的流動特性進行系統(tǒng)分析。實際上在原油的開采及運輸過程中，難免會存在攜砂現(xiàn)象，混合介質(zhì)攜砂一方面會對增強管道的沖蝕，另一方面也會對油相的分布產(chǎn)生影響。彭文山[10]等采用計算流體動力學(xué)方法，分析了管道直徑、彎徑比、彎曲角度等條件對固液兩相流沖蝕彎管進行了數(shù)值模擬分析，確定出了最佳的彎管參數(shù)。在采出液運輸過程中，量化管道內(nèi)固液兩相流動特性，分析油相及砂相分布，對于管道的優(yōu)化設(shè)計及指導(dǎo)輸送系統(tǒng)的安全運行至關(guān)重要。

本文基于計算流體動力學(xué)方法與群體平衡模型，以雙彎管為研究對象，分析了不同雷諾數(shù)對彎管內(nèi)壓力場、速度場、油相粒度以及油砂兩相分布的影響，對研究彎管內(nèi)多相流流動機理及優(yōu)化設(shè)計管網(wǎng)系統(tǒng)具有一定的指導(dǎo)意義。

一、計算模型建立

1. 流體域模型

物理模型為兩個90°圓弧彎曲彎管，由兩個水平管段及一個豎直管段構(gòu)成。其主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖1所示，管道內(nèi)徑為100 mm，兩個水平管段長度相等均為500 mm，數(shù)值管段高為400 mm，彎曲直徑為100 mm。介質(zhì)由左側(cè)低處的入口進入，經(jīng)兩個90°彎后由右側(cè)高處的出口流出，在水平管段及豎直管段上均選取兩個截面對流場進行分析。

圖1 物理模型及參數(shù)

2. 網(wǎng)格劃分及無關(guān)性檢驗

利用Gambit軟件采用四面體網(wǎng)格對彎管模型進行網(wǎng)格劃分，通過調(diào)整網(wǎng)格尺寸的方法控制網(wǎng)格總數(shù)。

3. 邊界條件

模擬介質(zhì)為油、水、砂混合，介質(zhì)物性參數(shù)及含量以油田現(xiàn)場采出液為參考，其中水為連續(xù)相介質(zhì)密度為998.2 kg/m3，黏度為0.001 mPa·s；油相密度為889 kg/m3，黏度為1.03 mPa·s，體積分數(shù)為6%，砂相密度為2000 kg/m3，粒徑為300 μm，體積分數(shù)為2%。入口邊界條件為速度入口，入口雷諾數(shù)Re分別為5.83×104、2.91×105、5.82×105、8.74×105、1.07×106，出口為自由出口。

二、結(jié)果分析

1. 流場特性

1.1 速度場

模擬得出管道內(nèi)水平方向的速度分布云圖2，可以看出上游水平管、豎直管以及下游水平管內(nèi)流速變化較大，分布規(guī)律明顯不同。在上游水平管內(nèi)流體介質(zhì)剛進入管道內(nèi)時流速比較穩(wěn)定，同時近壁區(qū)域由于摩擦阻力的影響使得流速減小。在一個圓弧過渡區(qū)域速度明顯降低，且在轉(zhuǎn)角處形成該區(qū)域的速度最大值。液流進入豎直管段內(nèi)時，由于運動方向變?yōu)樨Q直運動，所以水平方向速度明顯降低。在第二個圓弧過渡區(qū)域水平方向速度又逐漸增大，液流又逐漸轉(zhuǎn)變成水平運動，但在第二個圓弧過渡段出口處形成渦流，流場湍流作用增強。

圖2 X方向速度分布云圖

圖3 Y方向速度分布云圖

數(shù)值方向速度分布云圖如圖3所示，可以看出在豎直管道內(nèi)部速度并非對稱分布，左側(cè)區(qū)域速度要小于右側(cè)區(qū)域，原因是液流在第一個圓弧過渡出口處形成渦流區(qū)，致使管道右側(cè)區(qū)域速度升高，并于第二個圓弧過渡處達到豎直速度的最大值。

1.2 壓力場

整體壓力由入口到出口呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢，上游水平管緊鄰入口壓力較大，在上下兩個渦流區(qū)壓力明顯降低，在液流變化方向的兩個圓弧過渡區(qū)域壓力有所升高，并在外壁的轉(zhuǎn)角處達到壓力最大值。

1.3 濃度場

不同截面位置油相體積分數(shù)分布云圖如圖4所示，圖中各截面位置如圖1所示，在上游水平管段內(nèi)入口處油相分布較為均勻，液流運動至S2位置時，油相向上運動管道上部油相分布較大。在豎直管段內(nèi)受渦流影響出現(xiàn)局部油相分布較高現(xiàn)象，當流經(jīng)至下游直管段內(nèi)時，受湍流作用影響管內(nèi)下層油相分布較多，上層油相分布較少。

圖4 不同截面油相體積分數(shù)分布云圖

砂相體積分數(shù)分布云圖如圖5所示，可以看出管道入口位置砂相分布較為均勻，當進入到上游直管段內(nèi)時，逐漸出現(xiàn)分層現(xiàn)象，砂相向底部沉積。在豎直管段內(nèi)由于渦流作用的影響，致使砂相向背離渦流區(qū)運動，渦流區(qū)域砂相減少。

圖5 不同截面砂相體積分數(shù)分布云圖

2. 雷諾數(shù)對流場的影響

為了分析不同入口雷諾數(shù)對管道內(nèi)相介質(zhì)流動特性影響，針對入口雷諾數(shù)分別為5.83×104、2.91×105、5.82×105、8.74×105、1.07×106時管道內(nèi)的流場特性進行分析。

2.1 濃度場

在分析雷諾數(shù)對油相及砂相分布影響時，選取豎直管段軸心位置以及出口位置為分析對象。得出豎直管段內(nèi)軸心區(qū)域由下到上的油相分布曲線如圖6所示。可以看出較低雷諾數(shù)時(5.83×104)油相分布規(guī)律與較高雷諾數(shù)時不同，雷諾數(shù)在2.91×105～1.074×106時，徑向位置100 mm附近會出現(xiàn)油相分布峰值區(qū)，而低雷諾數(shù)時無此峰值現(xiàn)象。這是因為在入口雷諾數(shù)較低時，彎管內(nèi)渦流區(qū)的渦流現(xiàn)象不明顯，未能對油相分布產(chǎn)生影響，在靠近管道頂部時油相密度較水小所以上浮，呈現(xiàn)出頂部油相含量增高的現(xiàn)象。同時可以看出隨著雷諾數(shù)的增大，兩個油相分布峰值逐漸升高，即渦流越大致使該區(qū)域內(nèi)油相含量越高。

圖6 不同雷諾數(shù)時豎直管內(nèi)油相分布曲線

圖7 不同雷諾數(shù)時豎直管內(nèi)砂相分布曲線

砂相隨雷諾數(shù)的分布情況如圖7所示，可以看出在豎直管段內(nèi)受渦流區(qū)的影響砂相分布存降低，因為在渦流區(qū)域內(nèi)油相為輕質(zhì)相匯聚到渦旋中心，而砂相密度較大在離心力的作用下運移至邊壁處，致使該區(qū)域內(nèi)分布降低。

三、結(jié)論

(1)混合介質(zhì)在上游水平管內(nèi)速度分布及濃度分布較為均勻，且由于壁面摩擦阻力影響，近壁處速度較低，軸心區(qū)域速度較大。豎直管內(nèi)速度及濃度分布受渦流影響較大，同時下游水平管內(nèi)由于渦流作用與上游水平管內(nèi)速度場、壓力場及濃度場分布差異較大。

(2)渦流區(qū)主要分布在彎管圓弧過渡出口區(qū)域，渦流會導(dǎo)致局部高壓，同時擾亂介質(zhì)運動軌跡，不利于多相介質(zhì)混合同時會降低管道壽命。

(3)彎管內(nèi)雷諾數(shù)為5.83×104時，湍流作用不較低，油相及砂相分布受其自身密度影響較大，出口處輕質(zhì)油相分布在上層，重質(zhì)砂相分布在下層。隨著雷諾數(shù)的增大(2.91×105～1.074×106)渦流強度逐漸增大，致使砂相向上運動油相向下運動。