大小頭管內(nèi)流場(chǎng)數(shù)值模擬

劉 俊，陳彰兵，李朝陽(yáng)

(中國(guó)石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司 西南分公司，四川 成都610041)

0 前言

天然氣采取管道運(yùn)輸，具有受外界影響小、安全密封、穩(wěn)定運(yùn)行等優(yōu)點(diǎn)［1－2］。持續(xù)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和環(huán)保要求使天然氣等清潔能源的需求逐年上升，因此天然氣管道事業(yè)獲得了快速的發(fā)展［3－4］。據(jù)統(tǒng)計(jì)我國(guó)現(xiàn)有管道經(jīng)多年的沖刷以及內(nèi)外腐蝕后，在關(guān)鍵部位如大小頭處存在一定的安全隱患，嚴(yán)重影響了輸油管道的安全運(yùn)行［5－9］。

由腐蝕等原因引起管道泄漏，不僅造成大量能源的流失還造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染，對(duì)社會(huì)安全和生態(tài)環(huán)境構(gòu)成潛在危害［10－11］。本文利用CFD軟件，得到了大小頭管內(nèi)流場(chǎng)、壓力分布云圖，為大小頭內(nèi)防腐及管道安全運(yùn)行和維修提供了一定的理論依據(jù)。

1 研究問(wèn)題及模型

本文選取某輸氣管道大頭段長(zhǎng)3 m管徑100 mm，小頭段長(zhǎng)5 m管徑150 mm，過(guò)度段長(zhǎng)0.2 m。天然氣流速10 m/s，含水率10%。采用三維模型，重力沿X軸負(fù)方向，大小頭物理模型如圖1。利用分區(qū)劃分技術(shù)對(duì)模擬區(qū)域進(jìn)行四面體和六面體網(wǎng)格劃分，所得網(wǎng)格圖如圖2所示。

圖1 物理模型

圖2 網(wǎng)格劃分

2 控制方程

由于天然氣中的水分分布范圍較窄，為了獲得較為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，選用歐拉模型。

體積分?jǐn)?shù)方程

式中 αq——第q相的體積分?jǐn)?shù);

ρq——第q相的物理密度。

質(zhì)量守恒方程

式中vq——第q相的速度;

式中 μq和λq——第q相的剪切和體積粘度;

p——所有相之間共享的壓力;

連續(xù)方程

3 模擬結(jié)果與分析

由于采用三維管道試圖，內(nèi)部流體流動(dòng)情況不易區(qū)分，本文沿垂直于X軸截取X=0，X=±0.04，X=±0.08五個(gè)截面。分別獲得各個(gè)截面流場(chǎng)情況，然后進(jìn)行對(duì)比分析。

3.1 速度分布

圖3為各截面速度分布圖。由Y=0截面可知，速度等值線在進(jìn)口段分布較稀疏，速度為20 m/s;在變徑處存在環(huán)狀速度分布線，速度由20 m/s增加到40 m/s;氣體通過(guò)變徑段進(jìn)入小管后，速度增加，靠近管壁速度由55 m/s降低至35 m/s。

圖3 各切面速度分布圖

對(duì)比Y=0.08、Y=－0.08與Y=0.04、Y=－0.04兩個(gè)截面速度幾乎沒(méi)有什么變化，由此可知對(duì)稱位置速度變化不大。

對(duì)比Y=0、Y=0.04、Y=0.08可知截面位置越靠上速度變化越大，同一速度等值線向內(nèi)收縮。

3.2 水相分布

圖4為各截面水相分布云圖。對(duì)比Y=0.08、Y=－0.08與Y=0.04、Y=－0.04可知同一對(duì)稱面含水量幾乎相同。對(duì)比Y=0、Y=0.04、Y=0.08含水量在小管段靠近壁面先減小后增大。

圖4 水相分布圖

3.3 剪切應(yīng)力

由于流體在均勻管道內(nèi)流動(dòng)剪切應(yīng)力變化不大，而在變徑處有較大變化，本文僅研究變徑處壁面剪切應(yīng)力變化。

圖5給出了變徑處壁面剪切應(yīng)力分布云圖。由圖可知大管段入口處近似不存在剪切應(yīng)力;在變徑處剪切應(yīng)力等值線變密，呈逐漸增大趨勢(shì);小管段入口處逐漸變大，而后有減小的趨勢(shì)。

圖5 變徑處壁面剪切應(yīng)力分布

3.4 速度矢量

由于管道內(nèi)具有流體流動(dòng)較規(guī)則，在研究速度矢量時(shí)，僅給出Y=0截面的局部速度。

由圖6可知，變徑處速度逐漸增加，再與小管接口對(duì)管壁沖蝕作用較大。為降低由于沖刷腐蝕對(duì)管道安全的危害，需要在變徑處采用耐腐蝕鋼材或適當(dāng)增加壁厚。

圖6 速度矢量分布圖

4 結(jié)論與建議

(1)速度等值線在進(jìn)口段分布較稀疏，對(duì)稱位置速度變化不大，截面位置越靠上速度變化越大，同一速度等值線向內(nèi)收縮。

(2)同一對(duì)稱面含水量幾乎相同，含水量在小管段靠近壁面先減小后增大。

(3)大管段入口處近似不存在剪切應(yīng)力;變徑處剪切應(yīng)力等值線變密，呈逐漸增大趨勢(shì);小管段入口處逐漸變大，而后有減小的趨勢(shì)。

(4)變徑處流體沖刷作用較大，需采用耐腐蝕鋼材或適當(dāng)增加壁厚。

［1］蘇銘德，黃素逸.計(jì)算流體力學(xué)基礎(chǔ)［M］.北京:清華出版社，1997.

［2］高順華，陳江貴.天然氣長(zhǎng)輸管道燃?jí)簷C(jī)組的機(jī)型選擇及配置［J］.熱能動(dòng)力工程，2010，25(4):374－376.

［3］王福軍.計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2004:9.

［4］楊筱蘅.輸油管道設(shè)計(jì)與管理［M］.東營(yíng):中國(guó)石油大學(xué)出版社，2006:255－259.

［5］趙振，陳瑞娟.若干天然氣聯(lián)合循環(huán)站實(shí)例的經(jīng)濟(jì)性［J］.熱能動(dòng)力工程，2005，20(6):632－635.

［6］王衛(wèi)強(qiáng)，李朝陽(yáng)，馬貴陽(yáng)，等.水下輸油管道泄漏數(shù)值研究［J］.節(jié)能技術(shù)，2011，29(4):311－314.

［7］王衛(wèi)強(qiáng)，李朝陽(yáng)，馬貴陽(yáng)，等.油水分離技術(shù)優(yōu)化研究［J］.節(jié)能技術(shù)，2011，29(5):395－399.

［8］陳仁貴.論燃?xì)廨啓C(jī)在天然氣輸氣管道上的選用和配套［J］.熱能動(dòng)力工程，2001.16(1):26－29.

［9］王成達(dá)，嚴(yán)密林，趙新偉，等.油氣田開(kāi)發(fā)中H2S/CO2腐蝕研究進(jìn)展［J］.西安石油大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2005，20(5):66－70.

［10］梁愛(ài)國(guó)，槐文信.復(fù)式斷面明渠二次流的數(shù)值模擬［J］.應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學(xué)學(xué)報(bào)，2008;16(2):296－304.

［11］張宏飛，曹紅松，趙捍東.數(shù)值仿真中湍流模型的選擇［J］.彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào)，2006;26(4):242－244.