90°彎管內(nèi)高黏原油水環(huán)流動特性的數(shù)值研究

1. 中國石油大學(xué)(華東)儲運(yùn)與建筑工程學(xué)院, 山東 青島 266580;2. 中國石油管道局工程有限公司, 河北 廊坊 065000;3. 長慶油田分公司第三采油廠, 寧夏 銀川 750011

0 前言

隨著輕質(zhì)石油的不斷開采,油田已經(jīng)進(jìn)入稠油開采階段。而使用稠油輸送最主要的問題在于其黏度過高。稠油常用輸送方法為加熱、稀釋和乳化等方法,但存在能耗高、建設(shè)成本高、油品品質(zhì)變化大等問題[1]。因此,水環(huán)輸送作為一種相對節(jié)能的方法應(yīng)運(yùn)而生。

Dove I J等人[2]在其專利中首次提出，在輸送高黏液體時可以用水來潤滑管道壁面來減小摩擦。屠大燕等人[3]通過理論與實(shí)驗(yàn),探究了水環(huán)同心輸送過程中的流動參數(shù)特性,建立了水環(huán)輸送高黏油的效率與摩阻之間的關(guān)系式。敬加強(qiáng)等人[4]進(jìn)行了稠油流動邊界層水基泡沫減阻模擬，發(fā)現(xiàn)邊界層中的泡沫可以隔離水平管道中上部的油壁界面,而液膜可以潤滑水平管道下部的油壁界面,不僅解決了水環(huán)輸送稠油時的偏心問題,而且可以減少水環(huán)輸送稠油時的耗水量。賀成才[5]針對賓漢流體偏心環(huán)狀管流進(jìn)行了數(shù)值模擬,通過計算得到了對工程應(yīng)用有重要價值的流動規(guī)律。Bannwart A C[6]對水環(huán)流動的建模方面進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)核心環(huán)狀流要求兩種液體互不相混,且要求兩種液體黏度不同,密度相差很小,且界面張力在環(huán)形結(jié)構(gòu)中起重要作用。Ghosh S等人[7]使用FLUENT模擬了180°彎管中潤滑油和水的核心環(huán)狀流，在給定的條件下,與水平和向下流相比,U形彎管的核心在向上流動中污染壁面較小。郭旭等人[8]運(yùn)用CFD軟件,分別對水環(huán)通過45°和90°彎管工況下的流場進(jìn)行了模擬，分析確定采用水環(huán)輸送技術(shù)時爬升相同的高度下應(yīng)選擇90°彎管來提高管線高程。JingFan等人[9]模擬油水兩相流通過Π型管道,結(jié)果揭示了油水兩相流的界面結(jié)構(gòu)、兩種流體分布、壓力和速度分布信息，為優(yōu)化操作和幾何參數(shù)提供了參考依據(jù)。Park S M等人[10]采用VOF模型對90°彎管核心流和90°彎管單相流進(jìn)行了比較，同時模擬了彎管中有無界面張力對核心流的影響。Ooms G等人[11]模擬了90°彎管中的偏心環(huán)狀流,由于核心與環(huán)形界面處法向力達(dá)到平衡,偏心環(huán)狀流在90°彎管中可能存在的。

一般而言,前人對水環(huán)的研究大多集中在水平直管或者立管上,而輸送稠油過程中不可避免地會經(jīng)過彎管部件,前人對水環(huán)通過彎管時的研究卻較少。與直管內(nèi)的水環(huán)流動相比,彎管中的流動更加復(fù)雜。由于離心力對彎管中流型的影響,很可能導(dǎo)致水環(huán)通過彎管時油品偏心污染管壁。因此系統(tǒng)地研究水環(huán)通過彎管的穩(wěn)定性具有實(shí)際意義。本文通過FLUENT軟件，詳細(xì)分析了90°彎管中不同界面張力對水環(huán)結(jié)構(gòu)的影響，為水環(huán)通過彎管提供了理論參考依據(jù)。

1 模型的建立

由于要考慮離心力的影響,為了充分反映彎管內(nèi)部流場的流動情況,研究采用三維模型，彎管結(jié)構(gòu)見圖1。本文選擇坐標(biāo)系為笛卡爾坐標(biāo)系,x軸為軸向,y、z軸為徑向，入口采用直流入射形式,油入口管道直徑7.44 mm,水入口為環(huán)形入口,管道直徑9.52 mm,其中管道的曲率半徑28.56 mm,曲率比1/6,直管長度20 mm[12]。

模擬使用FLUENT軟件求解器,采用瞬態(tài)模擬條件。模擬基于兩種流體互不相溶的假設(shè),液體性質(zhì)恒定且液體通過直噴嘴同軸進(jìn)入管道。

圖1 彎管結(jié)構(gòu)

1.1 控制方程

常見的兩相流計算模型有：VOF模型、Eulerian模型、Mixture模型[13]。由于高黏油和水是互不相溶的兩種液體,并且兩相界面的位置是判定水環(huán)穩(wěn)定性的關(guān)鍵參數(shù)之一,因此選用VOF模型用于數(shù)值計算。

連續(xù)性方程如下:

(1)

式中:ρ為流體密度,kg/m3;U為速度,m/s;t為時間,s。

在VOF模型算法中,FLUENT軟件對于整個流場區(qū)域只求解一個動量方程,見式(2)。該動量方程的求解結(jié)果取決于每相流體的體積分?jǐn)?shù)所決定的密度和黏度等參數(shù)。

+(ρg)+F

(2)

式中:P為流場中的壓力,Pa;g為重力加速度,m/s2;F為作用于系統(tǒng)的力,kg/m2s;μ為流體黏度,Pa·s。

式(2)使用的密度和黏度可用式(3)～(4)表示:

(3)

(4)

式中:p為相數(shù),本文中p=2;αq為第q相的體積分?jǐn)?shù);ρq為第q相的密度,kg/m3;μq為第q相的黏度,Pa·s。

1.2 湍流模型

由于水與油物性穩(wěn)定、互不相溶，水環(huán)穩(wěn)定后存在明顯的界面,選擇VOF模型與標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型進(jìn)行水環(huán)模擬[14-16]。標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型是一個半經(jīng)驗(yàn)公式,具有適用范圍廣、精度高、經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于復(fù)雜流場模擬。

標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型的基本運(yùn)輸方程為:

(5)

(6)

(7)

(8)

式中:kt為湍流動能,m2/s3；εt為耗散速率,m2/s3；μt為渦流黏度,Pa·s；Cμ=0.09；σk=1；σε=1.3；C1ε=1.44；C2ε=1.92;Ui、Uj分別為速度在i和j方向的分量，m/s;Xi、Xj為位移在i、j上的分量，m;Eij為主流時均應(yīng)變率。

1.3 邊界條件

彎管水入口和油入口采用速度入口，主管道末端出口設(shè)為壓力出口，彎管所有壁面均采用無滑移邊界條件，保持入口速度0.3 m/s,出口壓力0.1 MPa。

1.4 物性參數(shù)

初始模擬中油黏度0.2 Pa·s,水黏度0.001 Pa·s;油密度900 kg/m3,水密度1 000 kg/m3;水相表面張力0.3 N/m[17]。

1.5 模型驗(yàn)證

采用Ghosh S等人[7]的模型和實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行數(shù)值方法的驗(yàn)證。研究管段的油相進(jìn)口直徑8 mm,長度50 mm；觀測管段直徑12 mm,長度480 mm。根據(jù)實(shí)驗(yàn)參數(shù)建立模型,見圖2。

Ghosh S等人的實(shí)驗(yàn)與模擬所采用的條件與本文一致。實(shí)驗(yàn)和模擬中測量了不同流速情況下,水環(huán)沿軸向方向的單位壓降。采用本文所述數(shù)值計算方法進(jìn)行模擬,模擬與實(shí)驗(yàn)的稠油體積分?jǐn)?shù)對比見圖3,實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果對比見圖4。

圖2 管道結(jié)構(gòu)模型

圖3 稠油體積分?jǐn)?shù)云圖

圖4 模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比

2 數(shù)值模擬

2.1 計算域網(wǎng)格的劃分

計算域網(wǎng)格的劃分采用ICEM軟件。由于研究的彎管結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,因此網(wǎng)格采用三維非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的劃分方法。彎管模型網(wǎng)格劃分[18-20]見圖5。

圖5 彎管模型網(wǎng)格劃分

2.2 網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證

對不同數(shù)目下的網(wǎng)格進(jìn)行了獨(dú)立性檢驗(yàn),網(wǎng)格數(shù)目分別為321 943、3 461 662、4 527 931。三種網(wǎng)格的油水分布曲線見圖6,可看出油水分布曲線基本不變,滿足網(wǎng)格無關(guān)性要求,為使模擬時油水界面更加清晰,本模型網(wǎng)格單元劃分總數(shù)最終選擇3 461 662。

圖6 模擬結(jié)果對比三種網(wǎng)格的油水分布曲線

3 結(jié)果與討論

當(dāng)水環(huán)通過彎管時,由于受到離心力的作用,水環(huán)會逐漸向彎管外側(cè)偏移,甚至?xí)饾u失穩(wěn),影響減阻效果。因此研究水環(huán)在彎管中的穩(wěn)定性具有實(shí)際意義。

稠油體積分?jǐn)?shù)在彎管中的分布見圖7，從圖7可看出,當(dāng)θ=0時,核心油流在進(jìn)入彎管前被水層包裹著沿核心向前流動，油相體積分?jǐn)?shù)以中心軸為對稱中心呈軸對稱方式分布；當(dāng)θ=π/8增加到θ=π/2時,核心油流逐漸向管壁一側(cè)偏移,并隨彎管的角度增大核心偏移越明顯。當(dāng)θ=0時,在半徑比-0.65～0.65區(qū)域,油相體積分?jǐn)?shù)保持為1,核心油流主要集中在管道中心；當(dāng)θ=π/4時,在半徑比 -0.7～0.4區(qū)域,油相體積分?jǐn)?shù)保持為1,核心油流已經(jīng)向管道外側(cè)偏移；當(dāng)θ=π/2時,在半徑比-0.75～0.35區(qū)域,油相體積分?jǐn)?shù)保持為1,核心油流此時嚴(yán)重偏心。水環(huán)流過彎管后,核心油流保持偏移向一側(cè)管壁的形狀向前流動。因此,彎管促使水環(huán)失穩(wěn)。

圖7 稠油體積分?jǐn)?shù)在彎管中的分布

3.1 表面張力對彎管水環(huán)的影響

當(dāng)水環(huán)在水平直管段流動時,由于油水之間存在密度差,核心油流受到上部水層作用的浮力逐漸向管壁上側(cè)移動。水環(huán)失去穩(wěn)定性,減阻效果大大降低。而在水中加入少量高分子聚合物,將水環(huán)變成黏彈性水環(huán),增大了水環(huán)的界面張力,不僅可以進(jìn)一步降低水環(huán)的摩阻損失,其黏彈效應(yīng)還能克服核心油流的偏心趨勢,增大水環(huán)的穩(wěn)定[6]。當(dāng)核心油流在浮力的作用下向管壁上側(cè)靠攏時,由黏彈性水層所產(chǎn)生的第二法向應(yīng)力差會產(chǎn)生方向朝下的平衡力,而且核心油流偏心越嚴(yán)重,這個力越大,而作用在核心油流上的上浮力卻不變,隨著核心油流上浮,平衡力越來越大直到兩者相等,此時核心油流處于平衡位置[21]。

圖8為不同界面張力下水環(huán)在管道中的油水體積分?jǐn)?shù)切向分布圖,圖9為不同界面張力下油芯在管道中的位置。當(dāng)θ=0時,不同界面張力下,在半徑比-0.65～0.65區(qū)域,核心油相體積分?jǐn)?shù)保持為1;當(dāng)θ=π/4,界面張力0.15 N/m時,半徑比-0.7～0.6區(qū)域,核心油相體積分?jǐn)?shù)保持為1,界面張力增大至0.25 N/m 時,核心油相體積分?jǐn)?shù)為1的半徑比區(qū)域?yàn)?0.65～0.65;當(dāng)θ=π/2,界面張力0.15 N/m時,在半徑比-0.75～0.35區(qū)域,核心油相體積分?jǐn)?shù)保持為1,界面張力增大至 0.25 N/m 時,核心油相體積分?jǐn)?shù)為1的半徑比區(qū)域?yàn)?0.65～0.65。從圖8～9中可以看出，當(dāng)界面張力 0.15 N/m 時,彎管內(nèi)部核心油流靠近管壁,經(jīng)過彎管后核心油流偏移嚴(yán)重,當(dāng)界面張力增大到0.25 N/m時,彎管內(nèi)部核心油流仍保持在管道中心,經(jīng)過彎管后核心油流仍保持不變。

圖8 油水體積分?jǐn)?shù)切向分布

圖9 油芯在管道中的位置

3.2 界面油水體積分?jǐn)?shù)分布

圖10為界面張力0.15 N/m時彎管截面的油相體積分?jǐn)?shù)分布曲線,由圖10可以看出，當(dāng)θ=0時,半徑比-0.65～0.65的區(qū)域，稠油體積分?jǐn)?shù)保持為1,表明在經(jīng)過彎管之前,核心油流聚集在管道中心,被水層包裹著向前流動,油相體積分?jǐn)?shù)以中心軸為對稱中心呈軸對稱方式分布,而隨著彎管角度的增大水環(huán)逐漸向管壁一側(cè)偏移,水環(huán)流過彎管之后,核心油流保持向一側(cè)管壁偏移的形狀向前流動。隨著界面張力的增大,核心油流在彎管中的偏移情況逐漸減弱。從圖9可知,當(dāng)界面張力為0.25 N/m,在經(jīng)過彎管時,隨著彎管角度的增大向管壁一側(cè)偏移的趨勢很小,水環(huán)經(jīng)過彎管之后,核心油流仍聚集在管道中心,被水層包裹。

圖10 水環(huán)在彎管各中截面的油相體積分?jǐn)?shù)分布曲線

3.3 界面速度分布

圖11為界面張力為0.15 N/m時彎管不同截面的軸向速度分布。由圖11可看出,模擬條件下稠油體積分?jǐn)?shù)分布隨彎管角度的變化而變化。當(dāng)θ=0時,半徑比-0.65～0.6區(qū)域,中心油速保持在0.375m/s左右;半徑比0.6～1.0區(qū)域,中心油速驟降為0 m/s。說明管道核心處被稠油所占據(jù),且中心油速基本保持不變,而環(huán)形水層區(qū)速度梯度很大,剪切最強(qiáng)烈的地方發(fā)生在水層區(qū),即彎管中水環(huán)的存在大大降低稠油輸送摩阻。半徑比-1.0～-0.65區(qū)域,中心油速由0 m/s急劇增加到0.375 m/s,速度梯度較半徑比0.6～1.0區(qū)域更大,剪切最強(qiáng)烈,且剪切厚度變小。說明彎管外側(cè)的水環(huán)在離心力的作用下受到核心油流擠壓而變形,水膜厚度變小。同時,隨著彎管偏轉(zhuǎn)角度的增大,彎管外側(cè)速度梯度增大,剪切區(qū)域逐漸變小;內(nèi)側(cè)速度梯度減小,剪切區(qū)域變大。這說明,隨著彎管角度增大外側(cè)水層厚度逐漸變小,彎管外側(cè)水層受到的離心力增大,造成受到核心油流擠壓作用增大,最終導(dǎo)致水環(huán)通過彎管偏心并逐漸失穩(wěn)。

圖11 水環(huán)在彎管不同截面處的軸向速度分布

3.4 界面壓力分布

圖12為界面張力0.15 N/m時彎管不同截面處的壓力分布。由圖12可看出,彎管壓力分布呈現(xiàn)彎管外側(cè)壓力高、內(nèi)側(cè)壓力低且油芯壓力高于外側(cè)水環(huán)壓力的情況。并且隨著彎管偏轉(zhuǎn)角度的增加,彎管中壓力較高的核心油流部分向管壁外側(cè)偏移。

圖12 水環(huán)在彎管不同截面處的壓力分布

4 結(jié)論

本文借助FLUENT軟件研究了不同工況下水環(huán)在90°彎管中的流動情況。得出結(jié)論:增大界面張力可以顯著地增加水環(huán)通過彎管時的穩(wěn)定性,在不同界面張力下當(dāng)界面張力為0.15 N/m時,由于核心油流所受向上的浮力大于第二法向應(yīng)力差產(chǎn)生的向下平衡力,水環(huán)偏心嚴(yán)重,逐漸失去穩(wěn)定性;當(dāng)界面張力為0.25 N/m時,水環(huán)經(jīng)過彎管之后,核心油流所受的浮力與平衡力基本一致,核心油流仍聚集在管道中心,水環(huán)的穩(wěn)定性最好。因此在實(shí)際輸送過程中,當(dāng)使用水環(huán)輸送高黏原油時,可以通過增加適量的高分子聚合物來增加界面張力,從而增加水環(huán)的穩(wěn)定性。