上傾航空煤油長輸管道內(nèi)流速對攜水能力影響分析

楊月新 詹婷雯

摘 要：隨著航空煤油長距離輸送管道的不斷建設(shè)發(fā)展，管道可能出現(xiàn)的流動(dòng)與積水問題也日益突出。本文采用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）技術(shù)，利用Fluent軟件開展上傾角為30°、直徑508mm的管道在流速0.5-2.5m/s的條件下航空煤油-水兩相流動(dòng)數(shù)值模擬。分析結(jié)果表明：當(dāng)流速較低時(shí)，上傾段內(nèi)水相出現(xiàn)負(fù)流速，其回流作用將導(dǎo)致底部出現(xiàn)明顯積水;隨著流速的增大，管道底部的積水逐漸減少;當(dāng)流速超過2.0m/s時(shí)，管底積水能被完全排出。

關(guān)鍵詞：流速;航煤管道;管底積水;數(shù)值模擬

一、引言

隨著機(jī)場數(shù)量和客貨吞吐量的持續(xù)增加，航空煤油的供應(yīng)量逐年增大[1]，航空煤油長距離輸送管道也隨之不斷建設(shè)并發(fā)展。航煤管道由于水壓試驗(yàn)必然導(dǎo)致管道在運(yùn)行初期就存在一定量的積水，航煤中也存在溶解狀的微量水分[2]。由于油水存在明顯的密度差，在航煤管道輸送過程中可能產(chǎn)生底部積水等問題。

由于管道內(nèi)實(shí)際流動(dòng)狀態(tài)無法直接觀察，因此，基于計(jì)算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）技術(shù)研究航煤管道的油水兩相流動(dòng)特性[3]，分析航煤攜水能力，判斷可能產(chǎn)生的積水位置，為建立完善的航空煤油管道腐蝕風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測提供依據(jù)。

二、幾何模型與數(shù)值模型

基于國內(nèi)外調(diào)研和現(xiàn)場航油實(shí)際運(yùn)行工況[4]，本文的物理模型選用管徑D=508mm的管道。該模型由水平段、彎曲段和上傾段三部分組成，其中水平段長10m，上傾段長20m，彎曲段的曲率半徑r=5D，管道傾角為30°。

航空煤油攜水問題可以視為油水兩相流動(dòng)，本文采用常用CFD求解軟件Fluent開展數(shù)值模擬。為獲得更快迭代速度與更高精度，通過借鑒國內(nèi)外兩相流數(shù)值模擬經(jīng)驗(yàn)[5]，確定數(shù)值模擬的多相流模型采用VOF模型，湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型。入口設(shè)置為速度入口，出口設(shè)置為壓力出口，壁面采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法。

介質(zhì)物性參數(shù)均采用溫度為20℃時(shí)的參數(shù)，航空煤油的密度為790.0kg/m3、運(yùn)動(dòng)粘度為1.60mm2/s，水的密度為998.5kg/m3、運(yùn)動(dòng)粘度為1.03mm2/s。

三、網(wǎng)格劃分與無關(guān)性驗(yàn)證

利用ICEM CFD軟件對上述幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。使用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格O-Block劃分方法以獲得高質(zhì)量網(wǎng)格，采用Determinant（2×2×2）和Angle兩個(gè)指標(biāo)確保網(wǎng)格質(zhì)量。通過調(diào)節(jié)各段的節(jié)點(diǎn)數(shù)，初步擬定100萬-200萬（25萬為梯度）共計(jì)5種不用網(wǎng)格數(shù)量方案。利用5種不同網(wǎng)格數(shù)量開展管徑D=508mm、上傾角α=30°，流速V=1.0m/s，水油兩相比5%的航空煤油管道流動(dòng)數(shù)值模擬，通過分析同一位置的速度分布發(fā)現(xiàn)，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量超過150萬以后，截面速度分布計(jì)算結(jié)果基本一致，可認(rèn)為計(jì)算結(jié)果網(wǎng)格無關(guān)。因此確定150萬網(wǎng)格作為本文的數(shù)值模擬模型方案。

四、模擬結(jié)果

本文采用Fluent軟件開展管徑D=508mm、傾角α=30°、流速V=0.5-2.5m/s、水油兩相比5%的條件下管道中航空煤油-水兩相流動(dòng)數(shù)值模擬，計(jì)算結(jié)果如圖1所示。

隨著模擬時(shí)間的增加，管道底部的積水情況截然不同。當(dāng)流速較低（V=0.5m/s）時(shí)，積水明顯聚集在管道的水平段;隨著流速的增加（V=0.8-1.5m/s），管道內(nèi)航煤-水的兩相流動(dòng)狀態(tài)呈典型的波狀流流動(dòng)，此時(shí)由于積水受到的重力分量較大，航煤的動(dòng)能不足以完全克服流動(dòng)阻力，大部分積水由于重力作用出現(xiàn)回流并在管道傾斜段和彎管段循環(huán)流動(dòng)，因此積水難以被攜帶出管道;隨著流速的進(jìn)一步增加（V=2.0m/s），流體的動(dòng)能增加，管道內(nèi)的積水幾乎都能被航空煤油攜帶出去，僅能在傾斜段觀測到極少量水團(tuán);當(dāng)流速較大（V=2.5m/s）時(shí)，積水能被航煤完全攜帶出管道。

五、結(jié)論

航空煤油長距離輸送管道嚴(yán)重積水位置大多發(fā)生在管道低洼點(diǎn)的中下部。基于CFD方法采用Fluent軟件能較好的開展航煤管道積水分析，模擬結(jié)果表明：水相由于密度大，所受的重力分量大，當(dāng)流速較低時(shí)流體動(dòng)能無法完全克服流動(dòng)阻力，進(jìn)而出現(xiàn)負(fù)速度并導(dǎo)致流回管底，即上傾段內(nèi)水相的回流作用將導(dǎo)致明顯的管內(nèi)積水。在航空煤油管道管徑D=508mm、上傾角α=30°、水油兩相比5%的工況下，管底積水的臨界流速為2.0m/s。即當(dāng)管道流速低于2.0m/s時(shí)，航空煤油的長距離輸送管道的底部將發(fā)生比較明顯的積水現(xiàn)象。由于航空煤油管道運(yùn)輸過程中的經(jīng)濟(jì)流速大多為1.0-2.0m/s，因此較容易發(fā)生積水現(xiàn)象，此時(shí)可以通過提高管道流速的方式排除管底積水。

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