機(jī)動管線輸送艦用燃料油流動傳熱數(shù)值模擬研究

劉慧姝 徐碩 王劭博 田愛民 李江 段紀(jì)淼

摘? ? ? 要： 艦用燃料油在常溫下黏度大、流動性差，使得裸管鋪設(shè)的機(jī)動管線需要采用加熱輸送艦用燃料油。利用機(jī)動管線加熱輸送艦用燃料油時，燃料油與周圍環(huán)境換熱導(dǎo)致管內(nèi)物性變化，燃料油物性的變化隨即引起流動特性的變化。為了優(yōu)化應(yīng)急情況下機(jī)動管線加溫輸送系統(tǒng)的工藝參數(shù)設(shè)置，建立了輸送燃料油過程中流動和傳熱耦合的物理模型，采用數(shù)值模擬的方法得到了不同風(fēng)速、不同環(huán)境溫度、不同起點油溫下的溫降和壓降變化，分析了風(fēng)速對裸露機(jī)動管線溫降和壓降的影響，為燃料油的應(yīng)急保障提供依據(jù)。

關(guān)? 鍵? 詞：機(jī)動管線;艦用燃料油;溫降;壓降;數(shù)值模擬

中圖分類號：TE 832? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A? ? ? ?文章編號： 1671-0460（2019）10-2418-06

Abstract： Under emergency conditions， when using a mobile pipeline to transport marine fuel oil， the heat exchange between the fuel oil and the surrounding environment causes changes in the physical properties of the fuel oil. In order to optimize the process parameter setting of the emergency heating pipeline system， the physical model of flow and heat transfer coupling in the process of transporting fuel oil with the mobile pipeline was established. The influence of wind speed on the temperature drop and pressure drop of the bare motorized pipeline was analyzed and the variation of temperature drop and pressure drop under different wind speeds， different ambient temperature and different starting point oil temperature were calculated by numerical simulation method， and the calculation results were compared with the experimental results in the literature to verify the reliability and accuracy of the calculation results. Reasonable transportation process parameters were determined to provide a basis for emergency protection of fuel oil.

Key words： Mobile pipeline;Marine fuel oil;Temperature drop;Pressure loss;Numerical simulation

燃料油是由多種有機(jī)物為主組成的復(fù)雜混合物，包括飽和烷烴（蠟）、芳香烴、異構(gòu)烷烴和膠質(zhì)等，含有大量的C16至C33之間的烷烴[1-3]。燃料油在常溫下黏度大、流動性差，需要采用加熱方式輸送。應(yīng)急工況下，通過臨時鋪設(shè)裸露鋼質(zhì)機(jī)動管線，經(jīng)移動加熱裝置，完成燃料油的應(yīng)急輸轉(zhuǎn)。機(jī)動管線加熱輸送燃料油過程中，由于冬季低溫和強(qiáng)換熱的作用（機(jī)動管線是地面裸露鋪設(shè)，直接暴露于大氣或海水中），使得燃料油熱損失大，溫降快，黏度上升，壓降大，失去流動性，易發(fā)生凝管事故[4-6]。

管線加熱輸送油料研究領(lǐng)域，針對野戰(zhàn)管線裸管鋪設(shè)特點及使用環(huán)境開展的研究很少，大部分研究是針對固定埋地管線[7，8]。機(jī)動管線加熱輸送艦用燃料油過程中流動與傳熱特性，受空氣風(fēng)速、環(huán)境溫度、輸送流量、起點油溫等多種因素共同作用影響，是一個水力和熱力耦合的復(fù)雜過程。Venkatesan等[9]在假設(shè)流體物性為常數(shù)的前提下，利用有限微分法和數(shù)值解法對長輸管線從動量和能量角度進(jìn)行了熱力分析，由積分法構(gòu)造出了問題的差分格式，采用廣義阻尼牛頓-拉夫遜法求解非線性差分方程組，得到了問題的數(shù)值解。Rawat等[10]對海底埋地管線進(jìn)行了傳熱計算，并利用二維Navier-Stokes方法對流動過程建立了計算模型，對于傳熱過程則采取一維穩(wěn)態(tài)模型。

劉青峰等[4，5，11]針對低溫條件下艦用燃料油的特性，分析了環(huán)境溫度對裸露管線傳熱的影響，比較了不同條件下艦用燃料油經(jīng)加熱后的輸送距離。

本文基于數(shù)值模擬方法，建立機(jī)動管線輸送艦用燃料油過程中流動傳熱耦合模型，得到不同風(fēng)速、環(huán)境溫度、起點油溫條件下機(jī)動管線輸送艦用燃料油過程中溫度和壓力的變化特點，著重研究了風(fēng)速對輸送艦用燃料油流動與傳熱的影響，為機(jī)動管線輸送燃料油提供技術(shù)支持。

1? 模型建立

1.1? 管線物理模型

建立模型時考慮要對較長管線進(jìn)行數(shù)值模擬，若模型長徑比太大不利于后續(xù)的網(wǎng)格劃分及數(shù)值模擬計算，但是管線太短又不能較好的反映機(jī)動管線輸送艦用燃料油的實際工況，所以在建立模型時選用管長500 m的二維模型。同時機(jī)動管線在鋪設(shè)時會出現(xiàn)局部懸空的地勢，根據(jù)類似工程處理為保證艦用燃料油的順利輸送，建立架空管線的計算模型，如圖1所示。在模型兩端分別為艦用燃料油和空氣的進(jìn)出口，艦用燃料油與空氣流動方向相反，通過管壁進(jìn)行對流換熱。

1.2? 機(jī)動管線與風(fēng)速的傳熱模型

裸管鋪設(shè)在地面上的機(jī)動管線的熱量損失有以下幾部分組成：流動的燃料油與鋼管內(nèi)壁的對流換熱;鋼管管壁的導(dǎo)熱;鋼管外壁與外界空氣對流換熱。一般鋼管的導(dǎo)熱性能很好，可以達(dá)到46～50 W/（m·℃），故忽略鋼管管壁導(dǎo)熱的熱阻。由于機(jī)動管線輸送艦用燃料油水力過程和熱力分布的各個參數(shù)都是隨流動不斷變化的，所以在計算時最好的辦法是將整條管線分成若干小段，取每一小段的平均油溫逐段往前計算。

假設(shè)機(jī)動鋼質(zhì)管線周圍環(huán)境溫度為Te，dl微元管段中的油溫為T，管線輸送額定流量為Q，壓力損失為j，那么艦用燃料油流經(jīng)dl微元管段后的溫降為dT，可得dl微元管段上的能量方程為：

忽略每一段dl內(nèi)水力坡降j的變化，同時該微元管段dl中艦用燃料油比熱c和密度視為固定值，因此由蘇霍夫公式可以得到沿程油溫分布，從管線起點開始計算，假設(shè)艦用燃料油初始溫度為T0，管線沿程每一小段dl內(nèi)溫降的計算式：

由于機(jī)動鋼質(zhì)管線輸送時，流量通常都是不變的，管線的總傳熱系數(shù)K是影響溫降的關(guān)鍵因素，其理論計算式為：

1.2.1? 鋼管內(nèi)壁和燃料油的傳熱系數(shù)a1

艦用燃料油在輸送時的溫度在0～30 ℃之間變化，艦用燃料油的動力粘度在1.155 89～0.043 Pa·s之間變化，在額定輸送流量下可以計算出雷諾數(shù)范圍190～5 105，所以燃料油的流動狀態(tài)處于層流區(qū)域或者過渡區(qū)。艦用燃料油的物理性質(zhì)和所處的流動狀態(tài)對燃料油與管壁間的換熱強(qiáng)度有很大影響。管內(nèi)壁與燃料油的傳熱系數(shù)a1可用放熱準(zhǔn)數(shù)Nu、自然對流準(zhǔn)數(shù)Gr及流體物性準(zhǔn)數(shù)Pr來表示。

當(dāng)Re<2 000且Gr·Pr>500，即燃料油處于層流區(qū)時：

式中： —燃料油的導(dǎo)熱系數(shù);

下標(biāo)y —對燃料油的平均溫度各參數(shù)值。

放熱準(zhǔn)數(shù)Nu與自然對流準(zhǔn)數(shù)Gr、流體物性準(zhǔn)數(shù)Pr的關(guān)系式如下：

為燃料油的體積膨脹系數(shù)。

當(dāng)2 000

式中：K0 —雷諾數(shù)的函數(shù)。

1.2.2? 鋼管外壁和外界環(huán)境的傳熱系數(shù)a2

裸管鋪設(shè)的鋼制機(jī)動管線沒有保溫層，鋼管與外界空氣直接對流換熱，同時還會受到陽光輻射的影響，由于本文模型是按架空管線建立的，故不考慮管壁與地面接觸發(fā)生熱傳導(dǎo)的問題。

在環(huán)境溫度一定時，風(fēng)速是影響陸上管線與外界環(huán)境的主要因素，不同風(fēng)速對鋼管外壁的對流換熱強(qiáng)度不同，鋼制管線與空氣的對流換熱系數(shù)a2c按照強(qiáng)制對流進(jìn)行計算：

鋼制管線在空氣中輻射換熱計算式為：

Tw和Tg —管壁和外界空氣的溫度;

和 —分別表示溫度在Tw時空氣對管壁輻射放熱

的吸收率和空氣的黑度。

由式（10）可以得到a2r計算式為：

故傳熱系數(shù)a2為對流換熱系數(shù)和輻射換熱系數(shù)之和：

1.3? 機(jī)動管線的壓降模型

管線輸送燃料油的沿程壓力損失不是線性變化的，需要考慮由于沿程溫降帶來的燃料油黏度變化，在將管線分為若干微元段計算時，根據(jù)每段溫度變化取黏度變化的平均值計算該微元段壓力損失，在將所有微元段的壓力損失相加得到整條管線的壓力變化。

假設(shè)整條管線分為n個微元段，那么第i段油流的平均油溫Tpi的計算式為：

整條管線被分為n段微元段，那么管線的總壓力損失hf計算式為：

2? 模型求解

2.1? 計算域及網(wǎng)格劃分

模型中管線選用管徑150 mm鋼管，艦用燃料油流動區(qū)域為，管線上下部分分別為500 m×5 m和500 m×0.5 m空氣流動區(qū)域，故數(shù)值模擬的流體計算域為500 m×5.65 m，管線位于計算域偏下的位置，如圖2所示。

網(wǎng)格劃分采用多邊形網(wǎng)格，將流體區(qū)域劃分為兩部分。一部分是空氣流動區(qū)域，另一部分是艦用燃料油流動區(qū)域。在實際輸送時只有在管線的下方有地面作為邊界，管線的其他區(qū)域沒有壁面，所以選擇管線下方地面到管線上方5 m處的整個區(qū)域作為模擬的計算域，以保證模擬的工況和結(jié)果更加貼近實際輸送工況。在實際模擬過程中，由于管壁附近流體運動參數(shù)變化梯度較大，且管壁附近是管內(nèi)艦用燃料油蠟沉積形成的關(guān)鍵區(qū)域，因此對管壁附近的網(wǎng)格進(jìn)行了加密處理，以增加管壁附近計算區(qū)域的精度，而在其他部分空間較大，同時并不是數(shù)值計算的重點區(qū)域，所以網(wǎng)格劃分相對簡單，以提高計算效率，節(jié)省資源，保證了計算的精度和速度。

2.2? 網(wǎng)格無關(guān)性

為了驗證計算結(jié)果與網(wǎng)格疏密無關(guān)，對網(wǎng)格疏密程度進(jìn)行了不同的劃分，生成了節(jié)點數(shù)目分別為104 430、148 443和231 121的網(wǎng)格。使用者三種節(jié)點數(shù)不同的網(wǎng)格計算得到了機(jī)動管線輸送艦用燃料油的流場和溫度場分布，發(fā)現(xiàn)在不同網(wǎng)格數(shù)目下得到的燃料油平均油溫和管內(nèi)壓力分布變化規(guī)律基本相同，使用節(jié)點數(shù)較少的網(wǎng)格也能取得良好的數(shù)值模擬結(jié)果，但在條件允許的情況為了確保更加精確，后續(xù)的計算依然采用節(jié)點數(shù)為148 443的網(wǎng)格。

2.3? 初始邊界條件

艦用燃料油的黏溫變化函數(shù)使用UDF定義，管內(nèi)介質(zhì)沿Z軸方向流動，機(jī)動管線的工作流量為105 m3/s，即質(zhì)量流量入口為25.87 kg/s;選擇壓力出口，150 mm鋼制機(jī)動管線的工作壓力為3.5 MPa，考慮到局部壓力損失和下一站進(jìn)口壓力，故管線末端出口壓力設(shè)為0.5 MPa。管外空氣流動方向與艦用燃料油流動方向相反，空氣流動定義速度入口，根據(jù)環(huán)境風(fēng)速的變化選擇不同大小的速度值，出口選擇壓力出口。

3? 計算結(jié)果與對比分析

根據(jù)海邊季節(jié)風(fēng)速變化，對比了在不同低溫環(huán)境下管線在無風(fēng)（0）、2、4 m/s和最大風(fēng)速6 m/s情況下的管內(nèi)溫度與壓力變化。從圖3可以看出在低溫環(huán)境下（0 ℃）有風(fēng)和無風(fēng)條件下，裸露的鋼制管線散熱區(qū)別較大，在無風(fēng)時鋼管與外界環(huán)境熱交換使得管線周圍空氣溫度升高，但由于在無風(fēng)條件下，空氣分子只是無序的自由運動，散熱緩慢，所以軸向截面溫度云圖中管線周邊的空氣都有明顯的溫度變化。

在同樣有風(fēng)但風(fēng)速不同條件下，管線溫降速率也存在差別，在圖3（b）（c）（d）中，管線周圍空氣溫度分布變化不大，是因為管線與空氣對流換熱后損失熱量被迅速散發(fā)至廣闊的空氣中。

同時可以看到風(fēng)速增大后，管內(nèi)溫度云圖不斷變淺，說明管內(nèi)的平均油溫在沿管道軸向不斷降低，熱能損失變大。

在不同環(huán)境溫度、不同管外風(fēng)速條件下，經(jīng)加溫車處理后的艦用燃料油在鋼制機(jī)動管線中輸送500 m時的溫度、壓力變化如圖4?？梢钥吹皆跓o風(fēng)環(huán)境下，管內(nèi)燃料油溫度降低緩慢，環(huán)境溫度為0 ℃時，管內(nèi)壁油溫降低最?。?.7 ℃），環(huán)境溫度為-15 ℃時，管內(nèi)壁油溫變化最大（1.4 ℃）。在有風(fēng)條件下，經(jīng)加溫系統(tǒng)加溫輸送500 m的溫度變化為：環(huán)境溫度0 ℃，風(fēng)速為2和6 m/s，溫度變化為3.4和6.4 ℃;環(huán)境溫度-5 ℃，風(fēng)速為2s和6 m/s，溫度變化為3.6和7 ℃;環(huán)境溫度-10 ℃，風(fēng)速為2和6 m/s，溫度變化為4和7.9 ℃;環(huán)境溫度-15 ℃，風(fēng)速為2和6 m/s，溫度變化為4.5和8.9 ℃，可以看出在其他條件相同時，溫降幅度隨著環(huán)境溫度的降低而緩慢增大，而在環(huán)境溫度同為0 ℃時，小風(fēng)速2 m/s和極限風(fēng)速為6 m/s的溫度變化分別為3.4和6.4 ℃，溫降變化接近一倍，說明環(huán)境溫度對燃料油輸送時的溫度損失影響較小，而管外風(fēng)速對管內(nèi)燃料油的溫度變化影響很大。

將本文模擬結(jié)果與劉青峰實驗結(jié)果進(jìn)行對比如表1所示。在無風(fēng)條件下（0 ℃），管內(nèi)溫降主要受到管外環(huán)境溫度影響，在4種（0，-5，-10，-15 ℃）不同的環(huán)境溫度下，F(xiàn)luent計算的管內(nèi)壁處溫度分布與實驗值吻合較好;而在環(huán)境溫度同為0 ℃時，風(fēng)速2 m/s時的模擬結(jié)果與實驗結(jié)果有較小幅度的波動，計算整體的溫降相對誤差為1.2%，而隨著風(fēng)速的增大，模擬結(jié)果與實驗結(jié)果的誤差逐步增大，在最大風(fēng)速6 m/s時，誤差高達(dá)25.2%，管線進(jìn)出口溫降模擬結(jié)果比實驗結(jié)果大了1.6 ℃。在有風(fēng)條件下，管內(nèi)壁溫度變化模擬結(jié)果均大于實驗結(jié)果，主要是因為模擬條件是充分發(fā)展的穩(wěn)定單相流動且管外風(fēng)速是穩(wěn)定不間斷對管線進(jìn)行對流換熱，而在實際管線輸送過程中，風(fēng)速不會穩(wěn)定在一個固定值且風(fēng)速不可能不間斷的一直刮，所以風(fēng)速對于實際管線輸送的整體換熱強(qiáng)度是要小于模擬值的，導(dǎo)致了管內(nèi)壁溫度變化的實驗值低于模擬值。在風(fēng)速增大時，管內(nèi)溫降誤差值變大的原因是由于模擬計算時，增大風(fēng)速對管線換熱強(qiáng)度穩(wěn)定增大，而實際管線輸送時風(fēng)速越大在刮風(fēng)間斷時間內(nèi)相對于模擬計算損失的熱量越少，所以風(fēng)速增大時，管內(nèi)壁溫度變化的模擬結(jié)果與實驗結(jié)果誤差變大。

在管線出口壓力設(shè)為0.5 MPa，保證末端出口剩余一定壓頭，而進(jìn)口壓力根據(jù)出口壓力和管線輸送該距離的壓力損失計算得出，如圖5所示?？梢钥吹綁毫ψ兓厔荻际窍冉档偷妮^快而后趨于斜率穩(wěn)定的變化，這是因為在進(jìn)口處油溫較高，管內(nèi)外溫差較大，管內(nèi)燃料油溫降較快，燃料油的黏度也隨之變化較快，因此開始時的壓力損失較大，后面趨于平緩。在無風(fēng)和有風(fēng)條件下壓力損失區(qū)別較大，風(fēng)速0 m/s時流經(jīng)該管段的燃料油壓力損失約0.287 MPa，風(fēng)速2、4、6 m/s壓力損失為0.39、0.4、0.41 MPa，風(fēng)速的增大對管線整體壓力損失影響較小。

4? 結(jié) 論

（1）陸地鋪設(shè)的鋼制機(jī)動管線在輸送距離一定時，環(huán)境溫度對燃料油輸送時的溫度損失影響較小，而管外風(fēng)速對管內(nèi)燃料油的溫度變化影響很大，輸送時的燃料油加溫車間距設(shè)置要以管線所處環(huán)境風(fēng)速為主要影響因素。

（2）管線輸送燃料油時無風(fēng)和有風(fēng)壓力損失變化明顯，但風(fēng)速增大時，管內(nèi)壓力損失變化較小。

（3）在其他條件不變時，增大管線輸送流量，在輸送相同距離時的燃料油溫降較小，但是管內(nèi)壓力損失增大加快，影響加壓泵站間距設(shè)置。

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