積水在成品油輸送管道中運動狀態(tài)的數(shù)值模擬

李　濤， 范靜雯, 梁　云， 劉亞潔

(1.青島科技大學 機電工程學院， 山東青島 266061；

2.中國石油大學(華東) 儲運與建筑工程學院， 山東 青島 266580)

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積水在成品油輸送管道中運動狀態(tài)的數(shù)值模擬

李濤1， 范靜雯1, 梁云1， 劉亞潔2

(1.青島科技大學 機電工程學院， 山東青島 266061；

2.中國石油大學(華東) 儲運與建筑工程學院， 山東 青島 266580)

摘要：為了解決成品油管道經(jīng)常會因積水而產(chǎn)生內(nèi)腐蝕的問題，通過FLUENT建立模型，模擬了成品油輸送管道內(nèi)低洼爬坡段積水的相關流態(tài)，分析了油品流速、管徑對積水運動狀態(tài)的影響以及積水的成因.結果表明：成品油輸送管道內(nèi)積水的運動狀態(tài)與傳統(tǒng)的油水兩相流不同，在不同管段呈現(xiàn)不同的流型.在上傾管段中，受成品油剪切作用與水相自身重力作用及管壁摩擦力的影響，積水在管道底部達到動態(tài)平衡，因此難以排出管道.此外，流體流速增大，管道內(nèi)的積水減少，而管徑增大，積水增多；流體密度增大，管道內(nèi)積水減少，管道彎曲角度增大，積水減少.

關鍵詞：成品油管道；積水；流型；運動狀態(tài)

管道中積水的存在，很容易誘發(fā)管道材質(zhì)生銹，發(fā)生管道內(nèi)腐蝕，導致過濾器和減壓閥堵塞[1]，最終導致輸送管道停運檢修，從而增加成品油運輸?shù)某杀荆⑶覙O易發(fā)生油泄漏事故.

目前，對油品管道問題已有頗多研究[2-7]并有結論：油品溫度升高, 可引起同一位置處的水相厚度減小,管道傾角的增大可使同一位置處的水相厚度梯度增大,在油相層流的油流攜水系統(tǒng)中，油相流量越大，越易形成水塞，油流的攜水能力越強.孫偉棟[8]指出，油品在管道中的流動問題非常復雜，不能單純依靠解析法、數(shù)值計算求解，而應通過實驗來獲取數(shù)據(jù).但在實際情況中，管路裝備多、工況復雜，開展現(xiàn)場試驗有些困難，張寧等[9]則提出，可以根據(jù)相似理論設計模型試驗來解決這個問題.許道振等[10]建立了室內(nèi)實驗環(huán)道，通過高速攝像等方法，研究了低洼-爬坡成品油管段內(nèi)積水的運動狀態(tài)，分析了積水充滿管徑或部分管徑時流速和積水量對流動狀態(tài)的影響，但沒有探討管徑的影響.徐廣麗等[11]對透明管中油相流體對積水的沖刷過程進行了觀察，分析了油流攜水系統(tǒng)流型的種類以及積水的分布形態(tài)，但僅僅通過觀察而得出結論使得科學性與說服力稍欠.

采用計算流體力學(CFD)軟件對管道內(nèi)多相流問題進行流場模擬，可以得到不同相態(tài)、壓力下流體在管道內(nèi)的流動情況，是目前較為合理的研究方法.在CFD軟件中，F(xiàn)LUENT軟件是目前國內(nèi)外使用最多、最流行的商業(yè)軟件之一[12].朱紅鈞等[l3]用FLUENT軟件模擬了油水兩相流在突擴和突縮管內(nèi)的流動.于莉娜等[14]用此軟件數(shù)值分析了垂直上升管內(nèi)不同含水率工況下油氣水三相流動.宮莎莎[15]利用FLUENT對管道內(nèi)氣液兩相及油氣水三相流型進行模擬.在多相流流型研究方面，油水兩相流流型的研究遠遠落后于油氣兩相或油氣水三相的流型研究，油水面兩項流在研究方法上局限于實驗手段，由于不同研究者的實驗條件不同，其實驗數(shù)據(jù)往往缺乏對比性，另外還存在實驗代表性不足的問題.

隨著科學技術的發(fā)展，世界成品油管道正向著大口徑、大流量的方向發(fā)展，而管徑勢必會對成品油管道中積水的運動狀態(tài)產(chǎn)生直接影響.通過對比不同管徑下不同流速、不同角度下不同流體密度的油水兩相流動狀態(tài)，研究積水在油流沖刷作用下的分布形態(tài)，并分析油水相互作用的過程以及積水的成因，可為成品油輸送管道低洼處積水的排除提供很大幫助，并為減少管道的內(nèi)腐蝕提供依據(jù).

1　管道積水模型的建立

選取某輸油管道工程內(nèi)直徑為600mm的90°管道，彎徑比為3，并在彎管前后各取10m直管段進行建模，其幾何模型如圖1所示，假設管道彎曲段存在積水.

圖1　輸送管道模型

流體在圓管內(nèi)流動考慮重力因素，采取三維模擬計算.FLUENT中用于模擬多相流的模型主要有VOF模型、混合模型以及歐拉模型.其中混合模型和歐拉模型適用于有相混合或分離的情形，而VOF模型適合于有分層的多相流場及帶自由表面流動的流場的模擬，因此文中采用VOF模型.將油流假定為各向同性的均勻湍流，采用標準κ-ε(其中κ為湍動能，ε為湍流耗散率)湍流模型來表示流體運動，此模型穩(wěn)定性高，計算開支少，并且計算精度高，在湍流模型中應用范圍最廣.某品牌潤滑油動力密度為879kg/m3，粘度0.048Pa·s，油品運行速度為1m/s時可計算出雷諾數(shù)大于2000，流動狀態(tài)符合紊流的條件，段管入口為速度入口邊界，出口為自由出流，管道為無滑移壁面.輸送管道網(wǎng)絡劃分如圖2所示.

(a) 面網(wǎng)格　　　　　　　　　(b)體網(wǎng)格圖2　輸送管道網(wǎng)格劃分

2　模擬結果與分析

2.1速度與直徑一定時的油水兩相變化

圖3為流體以1.7m/s的速度，通過內(nèi)徑為600mm管道的過程中，隨著時間的推移，油水兩相的變化情況.

圖4為文獻[10]中研究積水在成品油管道中的運動狀態(tài)時所做實驗的結果圖.

從圖3(a)可以看出：在管道最低點處存在少量水，當油品以1.7m/s的速度注入管道時，油相與水相接觸形成穩(wěn)定清晰的界面，在界面上油相對水相施加一定的推力，推動水相向上傾管段運動，這與許

圖3　不同時刻下管道中油相體積分布圖

道振用高速攝像得到的圖4(a)一致.在油相的不斷沖擊下，兩側的水相如波浪般往上傾管段涌動著前進，此時油相未完全超越水相而形成連續(xù)的流動層，如圖4(b)所示.

(a)積水前鋒運動狀態(tài)

(b)油相越過積水時油相前鋒運動狀態(tài)

(c)平衡時水平管段積水分布

(d)平衡時傾斜管段積水運動狀態(tài)

(e)平衡時爬坡末端積水運動狀態(tài)圖4　積水的運動狀態(tài)

強大的推動力使得密度較低的油相更容易被推動，迫使其在流動2.4s后開始慢慢越過水相而形成連續(xù)流動層，如圖3(c)、3(d)及圖4(b)所示.此時油相與水相之間存在剪切作用，在剪切作用下，水相被攜帶至更高的高度，同時，又要克服自身重力及管壁摩擦力做功.故當水相運行到一定高度時，受剪切力、重力及管壁摩擦力共同作用，達到瞬時動態(tài)平衡，不能再繼續(xù)向前運動，從而形成積水.

油水流動4.8s后，由于油相的剪切作用、水相的重力作用以及管壁的摩擦作用，水相的橫截面很小，這使得水相所達到的瞬時動態(tài)平衡隨時都能被打破，從而導致油水界面失穩(wěn)，如圖3(e)、3(f)及圖4(c)~圖4(e)所示.油相與水相相互滲入，不斷形成油包水和水包油的現(xiàn)象.隨著油相對水相的不斷沖刷，油水兩相界面逐漸變得模糊，流型也由分層流變?yōu)榉稚⒘鳎稚⒌乃我蛑亓ψ饔猛艿谆亓?

2.2速度與直徑一定時的流速分布

圖5為流體以1.7m/s的速度，通過內(nèi)徑為600mm管道的過程中，隨著時間的推移，油流與積水速度的變化.

從圖5(a)~5(c)可以看出，當油品以1.7m/s的速度通過管道時，在彎管處出現(xiàn)了最大速度，隨著積水爬坡高度的增加，在油相剪切與重力及管壁摩擦力的共同作用下，水相在管道的底部達到動態(tài)平衡而不能繼續(xù)向前運動，此時便在管道中出現(xiàn)了速度最小的點.

從圖5(d)~5(f)可以看出，管道中速度最小的點到達最大高度后，又出現(xiàn)了下降的趨勢，這是因為當水滴在油相的攜帶作用下向上傾管段運動時，速度逐漸減小，攜帶水滴的能力逐漸減小，水滴由于重力的作用逐漸在管道底部聚集，形成連續(xù)的水層，從而產(chǎn)生回流.

2.3 不同管徑下不同流速的油水兩相變化

圖6為流體分別以2m/s、1.7m/s、1.5m/s的速度，通過內(nèi)徑為600mm管道的過程中，6.0s時油水兩相的變化.

由圖6可以看出，當流體以2m/s的速度通過管徑時，管道積水最少，隨著流體速度的減小，“推舉”水相到一定高度的推力減小，管道積水便逐漸增多.

圖5　流體速度變化

圖6　直徑60mm管道中油水兩相變化

圖7為流體分別以2m/s、1.7m/s、1.5m/s的速度，通過內(nèi)徑為300mm管道的過程中，6.0s時油水兩相的變化.

通過觀察對比流體以一定的速度通過不同的管徑過程中，油水兩相最終的變化，即對比圖6(a)與圖7(a)可以看出，當流體的速度一定時，管道管徑越大，管道積水越多.這是因為管徑增大，橫截面的面積增大，而油相對水相所施加的推力不變，單位截面上的推力減小，由油相帶走的水相減少，故而積水會增多.故對比圖6(b)和圖7(b)、圖6(c)和圖7(c)會得到相同的結論.

2.4不同彎度管道下不同密度的油水兩相變化

圖8是密度分別為730kg/m3、780kg/m3、879kg/m3的油品，以1.7m/s的速度通過內(nèi)徑為600mm、管道彎曲角度為90°的管道的過程中，6.0s時油水兩相的變化.

由圖8可以看出，流體密度為730kg/m3、780kg/m3時，油相未完全超越水相而形成連續(xù)的流動層，油相與水相密度越接近，湍動程度加強，越易形成乳化現(xiàn)象，當油品以879kg/m3的速度通過管徑時，管道積水最少，隨著流體密度的增大，在界面上油相對水相施加的推力增強，水被“推舉”到一定高度的推力增強，管道積水便逐漸減少.

圖9是密度分別為730kg/m3、780kg/m3、879kg/m3的油品，以1.7m/s的速度通過直徑為600mm、彎度為120°的管道的過程中，6.0s時油水兩相的變化.

通過對比圖9中的各個模擬圖可以發(fā)現(xiàn)，隨著油品密度的增加，油水兩相界面上的剪切力增強，管道中的積水回流現(xiàn)象減弱，管道上傾段的積水長度減短.

圖7　直徑300mm管道中油水兩相變化

圖8　90°彎管中油水兩相變化

圖9　120°彎管中油水兩相變化

觀察對比流體以一定的密度通過不同的彎度管道過程中，油水兩相最終的變化，即對比圖8(a)與圖9(a)可以看出，當流體的密度一定時，管道角度越大，管道積水越少.這是因為管道角度增大，彎道接近水平管道，油水兩相界面上推力不變，由油相帶走的水的量穩(wěn)定不變，積水回流現(xiàn)象減弱，故而積水會逐漸減少.同時，油水兩相之間湍動程度減弱，油相與水相相互滲入現(xiàn)象消失，故對比圖8(b)和圖9(b)、圖8(c)和圖9(c)會得到相同的結論.

3　結論

1)成品油管道中存在少量水時，油流以一定速度進入管道，與水相之間形成清晰穩(wěn)定的界面，并不斷推動水相向前運動.在油相的攜帶下，水相沿上傾管段運動，并在某一高度達到瞬時動態(tài)平衡，形成積水.積水在油流的不斷沖刷下失去平衡，油水界面嚴重失穩(wěn)，油水相互滲入，并逐漸在界面處形成油包水及水包油的小液滴.油相本身不具備足夠維持水滴存在的湍動能，故水滴在運動過程中會逐漸聚集、沉降，發(fā)生回流.

2)在管徑一定的情況下，隨著流體速度的減小，“推舉”水相到一定高度的推力減小，管道積水逐漸增多；在流體速度一定的情況下，隨著管道管徑的增大，單位面積上“推舉”水相到一定高度的推力減小，管道積水會逐漸增多.當管道彎曲角度一定時，隨著油品密度的增大，在界面上油相對水相施加的推力增強，管道積水便逐漸減少；在流體密度一定的情況下，隨著管道角度增大，油水混合運動平穩(wěn)，水回流現(xiàn)象減弱，積水會逐漸減少，這為進一步研究積水的排除方法，減少管道內(nèi)腐蝕提供了依據(jù).

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(編輯：郝秀清)

Thenumericalsimulationofthewater′smotionstatesinoilpipeline

LITao1,FANJing-wen1，LIANGYun1,LIUYa-jie2

(1.CollegeofElectromechanicalEngineering,QingdaoUniversityofScienceandTechnology,Qingdao266061，China;

2.CollegeofPipelineandCivilEngineering,ChinaUniversityofPetroleum,Qindao266580,China)

Abstract:Severe internal corrosion often happens in domestic oil pipeline as a result of residual water. To solve this problem, fluent models were built to simulate flowing states of residual water in low-lying and upward pipeline section. Built on these models, the motional state of residual water was studied, along with its cause of formation and how diameters of the pipe exert an influence on it. The results show that different flow patterns of residual water appear in different pipeline sections, which is different from that of the traditional two-phase flow. In the upward section of the pipe, the residual water can attain to a dynamic equilibrium under the influence of the oil, gravity of itself and friction exerted by the pipe wall, so it is very hard to be drained away. Besides, when increasing flow velocity and decreasing pipe diameter, the amount of residual water increase. The fluid density and pipe bending angle increases, the amount of residual water reduce. Based on these results, further study will be focused on the way to drain off the water to reduce the corrosion of the inner wall of pipeline.

Key words:product oil pipeline; residual water; flow patterns; motion states

中圖分類號：U17

文獻標志碼：A

文章編號：1672-6197(2015)04-0060-06

作者簡介：李濤，男，lootoo@126.com

收稿日期：2014-09-29