集流后水平小管徑內(nèi)含聚油水兩相流流動流體特性仿真研究

摘" 要：含聚油水兩相流流動狀態(tài)對當今石油化工含油污水處理起到事實作用，面對含聚油水兩相流流體黏度高、含油率低的問題，對含聚油水-水平小管徑的結(jié)構(gòu)設(shè)計展開研究。為了解集流后水平小管徑內(nèi)的含聚油水兩相流的流型變化及流動特性，對水平小管徑-含聚油水兩相流進行數(shù)值模擬研究，得到集流后小管徑油水兩相流的速度折線圖、流型狀態(tài)及各相體積分數(shù)分布情況，并改進水平井變徑的模型，為含聚高黏度油水兩相流的流動情況的研究提供可靠的理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：鉆孔爆破；爆炸填塞；失效損傷；數(shù)值模擬；參數(shù)評估

中圖分類號：TE357" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2025）03-0025-04

Abstract： The flow state of polymer-containing oil-water two-phase flow plays a practical role in the treatment of oily sewage in today's petrochemical industry. Facing the problems of high viscosity and low oil content of polymer-containing oil-water two-phase flow， the structural design of polymer-containing oil-water-horizontal small pipe diameters is studied. In order to understand the flow pattern changes and flow characteristics of polymer-containing oil-water two-phase flow in the horizontal small diameter after collecting water， a numerical simulation study was carried out on the horizontal small diameter and polymer-containing oil-water two-phase flow. The velocity broken line diagram， flow pattern state and volume fraction distribution of each phase of the oil-water two-phase flow in the small diameter after collecting water were obtained. The model of changing diameter of the horizontal well was improved， which provided a reliable theoretical basis for the study of the flow conditions of polymer-containing high viscosity oil-water two-phase flow.

Keywords： borehole blasting; explosive packing; failure damage; numerical simulation; parameter evaluation

油水兩相流廣泛應(yīng)用于石油化工、航空航天、化工制造等多個生產(chǎn)工業(yè)領(lǐng)域。水平小管徑油水兩相流的研究是當前多相流流動研究的重要課題，陳猛等[1]對水平井油水兩相流電磁波持水率的計算方法及應(yīng)用展開深入研究，研究結(jié)果大大減小了實驗誤差。張落玲等[2]通過實驗?zāi)M裝置對近水平井油水兩相流的流型進行系統(tǒng)的研究，為水平井內(nèi)油水兩相流的流型特性提供了參考依據(jù)。隨著對油田不斷開采，以及注水、注聚驅(qū)油的方法廣泛應(yīng)用，含聚油水的黏度不斷升高和石油生產(chǎn)企業(yè)含聚廢水排放量增加，含聚污水的處理早已成為當前面臨的緊迫問題。王振威等[3]對含聚油水混合液體系黏度特性進行研究。李楓等[4]對不同含聚濃度油水兩相流在旋流分離器的流動效率展開分析。Usha[5]和Arshad等[6]對含有聚合物膜的油水兩相流深入探索。為了進一步研究含聚油水兩相流的流動特性，對水平小管徑管內(nèi)含聚油水兩相流的流動特性展開研究。

目前對集流后水平小管徑-含聚油水兩相流高黏度污水流動狀態(tài)的研究相對較少，本文通過Fluent仿真模擬的方法對集流后水平小管徑-含聚油水兩相流展開研究。劉曉宏等[7]采用Fluent仿真模擬的方法對氣液雙流體霧化噴嘴展開研究。王芳芳[8]對天然氣管腐蝕現(xiàn)象運用流體力學提出了新的解決方案。Li等[9]通過FLuent仿真模擬對旋流器的油水相流進行分析，目前，為研究含聚高黏度油水兩相流在水平小管徑的流動狀態(tài)，采用CFD仿真模擬的方法，查看水平小管徑含聚油水兩相流的速度場、壓力場、以及流型狀態(tài)[10]，為含聚油水兩相流水平流動提供重要的理論指導。

1" 水平井含聚油水兩相流測量原理

為了簡化模型，將小管徑設(shè)置為與地面水平的理想狀態(tài)，管內(nèi)對流體的阻力和管內(nèi)與地面的傳熱忽略不計[11]，針對油水兩相流密度不同且不相容的特點，采用vof模型進行仿真模擬，并設(shè)置油、水為不可壓縮連續(xù)流體，含聚油水的密度和黏度為固定值。運用水平小管徑內(nèi)流體的連續(xù)方程和動力方程。

水平井油水兩相流的連續(xù)方程為

+=τo A ， （1）

+=τw A ， （2）

式中：ρ為密度；A為油水兩相流管內(nèi)的橫截面積，t為時間；v為平均速度；τo、τw為管內(nèi)單位時間內(nèi)每單位產(chǎn)生的質(zhì)量源項。若有流體產(chǎn)生時，τ為正值，根據(jù)質(zhì)量守恒定律τo=τw。

動量守恒方程，又稱動量方程。油相和水相的動量方程分別為

+-τo A=-τo so+τI sI-ρo gAo sinβ-+pIO ， （3）

+-τw A=-τw sw+τI sI-ρw gAw sinβ-+pIO ， （4）

式中：下角標I代表交界面，β是管道與水平方向的夾角，S是界面長度。

當τwgt;0時，=vo，當τwlt;0時，=vw；對于水相，界面剪切應(yīng)力為τIgt;0，對于油相，界面剪切應(yīng)力為τIlt;0[12-13]。

2" 含聚油水兩相流水平小管徑的物理模型及數(shù)值仿真

2.1" 含聚油水兩相流水平小管徑的物理模型

本文研究含聚油水兩相流在水平小管徑內(nèi)運動，幾何模型的具體尺寸見表1，具體模型如圖1所示，含聚油水兩相流從左側(cè)大管徑管道流入，經(jīng)過變徑，從右側(cè)小管徑流出，底部大圓筒為流體的進口（inlet），頂部小圓筒為流體的出口（outlet），其他圓筒側(cè)面為壁面（wall）。

2.2" 含聚油水兩相流水平小管徑的網(wǎng)格劃分

為保證網(wǎng)格質(zhì)量達到仿真模擬的要求，采用Fluent Meshing對集流后水平井含聚油水兩相流的模型進行區(qū)域離散化分。網(wǎng)格主要以八面體的形式呈現(xiàn)，共劃分107 189個網(wǎng)格區(qū)域。網(wǎng)格設(shè)置結(jié)果如圖2所示。

2.3" 水平小管徑含聚油水兩相流Fluent模擬邊界條件設(shè)定

對集流后水平井含聚油水兩相流進行仿真模擬時，邊界條件的設(shè)置對模型的收斂情況影響很大。采用vof模型，選擇Realizable k-epsilon湍流模型，為研究集流后水平井含聚油水兩相流的流動狀態(tài)，邊界條件設(shè)置如下。

1）入口邊界條件：選擇速度進口（velocity-inlet），流體流量為Q=30方/d，經(jīng)計算可知入口速度為0.028 5 m/s；水的密度為ρ=998.2 kg·m-3，黏度為μ=1.003×10-3 mpa·s；含油率為4%。

2）出口邊界條件設(shè)置：底流口設(shè)置選擇自由流動出口（outflow）。

3）壁面條件：無滑移邊界，默認各變量在壁面處的取值為0，壁面粗糙度默認為0.5。

4）其他設(shè)置：耦合方式采用SIMPLE求解方法。

3 模擬仿真結(jié)果與分析

3.1 水平小管徑含聚油水兩相流流體軌跡

水平井管內(nèi)含聚油水兩相流的流線圖分布反映流體在管內(nèi)的運動軌跡和瞬態(tài)速度的方向。油水兩相流在集流后水平井管內(nèi)，從底流口流入，頂端小管徑流出，流體速度為30方/d。水平井管內(nèi)含聚油水兩相流的流線圖分布如圖3所示。

為了更加直觀地分析水平井在各個階段的流動速度的變化，水平井含聚油水兩相流管內(nèi)軸向上的速度變化，如圖4所示。水平井經(jīng)過2次變徑，含聚油水兩相流的速度逐次增高。

3.2" 水平小管徑含聚油水兩相流壓力分布

壓力云圖反映流體在水平井管內(nèi)各個方向上所受壓力的大小。在物理建模中，建立x=0的縱截面，以便分析油水兩相流在管徑內(nèi)的流場壓力變化分布情況，如圖5所示。流體在水平井的流速為30方/d，含油率為4%?？梢杂^察到流體沿著水平小管徑流動，流體在變徑處壓力驟然變小，進入小管徑又呈緩慢遞減的趨勢。

3.3" 水平小管徑含聚油水兩相流相分布

水平井管內(nèi)含聚油水兩相流的相分布云圖反映管內(nèi)含聚油水兩相流油的體積分數(shù)，即含聚油和水的分布情況。在物理建模中，建立x=0的縱截面，流體速度30方/天，含油率為4%，不同時刻油相分布云圖如圖6所示。

4nbsp; 結(jié)束語

本文采用Fluent對水平井含聚油水兩相流的物理模型進行仿真模擬。仿真結(jié)果表明：從流線上看，集流后水平井含聚油水兩相流從入口流入，經(jīng)過變徑到細小管徑流出，速度逐漸變大。從壓力云圖上看，流體在集流后水平井含聚油水兩相流在變徑處壓力驟然變小，進入小管徑又呈緩慢遞減的趨勢。從油的體積分數(shù)上看，含聚油水兩相流在水平井小管徑內(nèi)，20 s時，油相流到水平井變徑處，60 s時，油相在水平變徑處聚集增多，120 s時油相向頂部小管徑內(nèi)流動，180 s時油和水呈分層的現(xiàn)象，即達到穩(wěn)定狀態(tài)。

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