稠油降粘裝置內空化流場數值模擬與分析

劉文明，許 晶，劉雪東

（常州大學 機械工程學院，常州 213164）

稠油降粘裝置內空化流場數值模擬與分析

劉文明，許 晶，劉雪東

（常州大學 機械工程學院，常州 213164）

采用CFD方法對基于拉伐爾噴管的稠油降粘空泡發生裝置內部流場進行數值模擬。對比分析加入CRV導流葉片前后噴管內空化流場與三維速度場的變化情況。結果表明：拉伐爾噴管水力空化效果明顯，局部區域汽含率最高可達94%，加入CRV導流葉片后，空化區域平均汽含率略有降低，空化強度減小；CRV導流葉片的加入使空泡群從靠近管壁的區域移向了管路中心，空化區域發生轉變，汽含率在噴管中心達到最大值；液流在通過CRV導流葉片后，周向速度明顯增加從而產生的渦旋流，但渦流沿軸線方向衰減較快。

拉伐爾噴管；CRV導流葉片；空化效應；數值模擬

0　引言

空化是一種復雜的流體動力學現象，空泡潰滅能形成球面沖擊波并伴隨有瞬時的高溫與高壓，所產生的能量足以使長鏈碳氫類介質中化學鍵斷裂。利用空泡發生裝置對長碳鏈油品進行處理時，由于空化效應的連續作用能打斷油品中分子間的碳鏈，從而達到降低油品粘度，提高油品流動性，提高輕質油產出率的目的［1～4］。

空化按產生形式的不同一般可分為超聲空化、水力空化、光空化和粒子空化四種類型［5～7］，相關學者對超聲空化和水力空化有著較為廣泛的研究。本文所研究的水力空化裝置是以拉伐爾噴管為主要部件，利用高壓使液流在噴管收縮段加速至喉部，之后由于噴管擴張而導致液流內壓力突然降低，從而產生空化泡作用于液態介質。Neveddev［8，9］等學者利用拉伐爾噴管產生空泡處理液態介質的方法對石油進行加工，驗證其達到了一定的降粘與餾分分離的效果，并提出在液體中產生渦旋流有助于分離提純處理后的液態介質的假設。

為了探究拉伐爾噴管產生空化的效果以及渦旋流對空化的影響，本文以水為研究介質，對加入CRV導流葉片的空泡發生裝置進行數值模擬與分析，為改善拉伐爾噴管和導流葉片結構，以及提高該裝置處理效率提供重要參考。

1　計算模型與方法

1.1研究對象

利用Pro/E軟件對該空泡發生裝置進行建模，其中拉伐爾噴管收縮段按照維托辛斯基曲線設計［10］，擴張段采用錐形管的形式，其結構參數尺寸如表1所示。

表1　拉伐爾噴管結構參數

CRV導流葉片是美國程式流體公司研發的產品，它能使流體在X、Y方向上的速度分量提前發生轉變從而產生渦旋流，并達到平衡流場的目的。與加入螺旋擋板相比，流體通過CRV葉片時在X、Y方向上的速度分量逐漸發生轉變，這個過程較為緩慢，因此流體對葉片作用不強烈，流體的能量損失較小，并且能夠起到良好的起旋效果。

本研究采用的CRV導流葉片數量為6個，葉片的橫截面為矩形，厚度為0.5mm，長度為10mm，在葉片的前端進行預彎，如圖1所示。葉片固定在直徑為6mm的圓柱芯體上，并放置于拉伐爾噴管入口前端。

1.2模擬方法

采用CFD軟件Fluent6.3.26對水力空化裝置內空化流場以及三維速度場進行數值模擬，首先利用前處理軟件Gambit進行幾何建模與網格劃分。由于空化裝置內CRV葉片外形較為復雜，本模型采用了生成相對簡單的非結構化的網格，在二階迎風格式的情況下非結構化網格也具有較高的精度，還具有比較好的可調節和可控制性，如圖2所示。因為流場中涉及渦旋流，為提高強旋流動計算精度，湍流模型采用重整化群RNG k-ε模型，多相流模型采用Mixture混合模型，不考慮相間滑移速度，壓力速度耦合方式選擇SIMPLE算法，最后以穩態的計算方式得到流場情況。

圖1　CRV導流葉片

圖2　空泡發生裝置三維網格

在模擬空化流場時需要在多相流設置中打開Cavitation功能模塊，該模塊只涉及兩相系統，假設單位體積內的氣泡數量是預先知道的，當流體中的壓力低于流體在該溫度下的飽和蒸汽壓，溶于液體中的氣體就會分離出來產生氣泡。

單個氣泡體積關于空間和時間的變化由下式給出：

R是氣泡的半徑。

蒸發的體積分數定義為：

這里η是單位流體容積內的氣泡數量。

體積分數方程從混合（m）的連續性方程獲得。經處理后，假定不可壓縮的液體（l），可以獲得下面的表達式：

由于空化氣泡在低溫下形成液體，Fluent等溫模擬空化流動，忽略了蒸發潛熱。Rayleigh-Plesset方程與壓力和氣泡容積φ相關：

這里pB表示氣泡內的壓力，由蒸汽的部分壓力（pV）和非凝結氣體的部分壓力（p）之和來描述，σ是表面張力系數。

為了簡化計算，Fluent假設氣泡成長和破裂的過程由下式給出：

1.3邊界條件

邊界務件設置為入口壓力1.2MPa，出口壓力0.1MPa，模擬液態介質為水，溫度20℃，該溫度下飽和蒸汽壓為2367.8Pa，表面張力系數為0.0717N/m，非凝結性氣體質量分數為1.5×10-5。

由于空化效應發生在拉伐爾噴管擴張段內，因此為方便分析，在X=0平面上以喉部中心為坐標原點，分別選擇沿Z軸方向位置為-8mm、-4mm、0、4mm、8mm、12mm、16mm、20mm、24mm、28mm的截面來進行研究分析。

2　模擬結果與分析

2.1空化流場模擬結果與分析

空化是指液體中某處的壓強降到該溫度下的飽和蒸汽壓從而促使液體汽化所引發微氣泡爆發性生長的過程［11］，空化強度越大，產生的空泡數量越多，因此可以用拉伐爾噴管中汽含率（αv）的大小來表征空化效應的強弱。

加入CRV導流葉片前后空化流場變化如圖3所示。當液體流經噴管喉部后有氣泡逐漸產生，汽含率從0迅速增加，在局部區域內能達到90%以上。從圖中可以看出加入CRV導流葉片后拉伐爾噴管空化流場產生了明顯的變化，汽含率高的空化區從靠近管壁的區域轉移到了噴管軸向中心位置，這是由于CRV導流葉片使液體形成渦旋流，液流在離心力的作用下朝管壁流動，從而使密度相對較小的空化泡滯留在了噴管中央。

圖3　拉伐爾噴管汽含率分布云圖

加入CRV導流葉片前后Z軸各截面上平均汽含率αv變化如圖4所示。CRV導流葉片對拉伐爾噴管空化流場形態的改變較大，但空化沿軸向的變化趨勢并未改變。從數值上看，加入CRV導流葉片后空化區平均汽含率略有下降，這是因為液體對導流葉片的沖擊造成管路系統能量有一定的損失，從而導致噴管空化效應有所減弱，平均汽含率降低了1.65%，表明導流葉片對空化強度的削弱并不十分明顯。

圖4　拉伐爾噴管軸向各截面平均汽含率分布圖

空泡群由管壁區域移向管路中心，能在更大范圍內作用于液態介質，提高處理效率，并且能減少空泡潰滅對管壁的空蝕作用，以達到保護設備的目的。在管路中的液態介質由于受到空化作用而使物性參數發生改變，在渦旋流的作用下與未經處理的液體進一步分離而滯留在管路中心，這也為后續原料的分離提取提供了便利。因此，利用CRV導流葉片產生渦旋流對該空泡發生裝置的處理效果起到了促進作用。

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2.2速度場模擬結果與分析

空化數CV是一個表示空化狀態的無量綱數，其定義式為：

其中影響空化數的兩個變量分別為流體內的絕對壓力p與流速v0，而空化數CV與流速v0的二次方成反比，由此可見，拉伐爾噴管中液體流速是影響該裝置空化效果的一個重要因素。

為探究加入CRV導流葉片對拉伐爾噴管內速度場的影響，本文通過數值模擬，研究了整個空泡發生裝置內速度場的分布規律，并對影響渦流最主要的周向速度進行了分析與討論。

2.2.1速度場分布

圖5　加CRV前不同截面速度矢量分布圖

圖6　加CRV后不同截面速度矢量分布圖

2.2.2周向速度

周向速度是液體產生渦旋流的主要因素，周向速度增大可以使密度和粘度較大的液態成分集中在靠近噴管壁的一側，如果正確地形成渦流，并且將粘度大的成分從附面層中分離出來，空泡發生裝置就能夠有效地將混合液體按密度分離開來。圖7為噴管各截面周向速度云圖，液流在通過CRV導流葉片后，周向速度逐漸增大，在到達噴管喉部附近時達到最大值。圖7（b）、（c）、（d）可以看出周向速度沿徑向的變化梯度較大，離噴管軸向中心越遠，周向速度越大，最高可達10m/s，壁靠近噴管壁面由于存在邊界層，周向速度較小。

圖8為空泡發生裝置沿Z軸方向各橫截面的平均周向速度，周向速度在拉伐爾噴管收縮段內達到最大值，液流在到達噴管喉部之前周向速度即開始減小，旋流隨之衰減。

圖7　拉伐爾噴管周向速度分布云圖

3　結論

1）拉伐爾噴管產生空化主要集中在靠近噴管壁面的區域，而加入CRV導流葉片后由于旋流使空泡群轉移到了噴管管路中心，空化形成的區域發生改變，但平均汽含率變化不大，即CRV導流葉片的加入對裝置空化強度影響較小。

2）旋流的產生使密度和粘度較大的液態成分集中在靠近噴管壁的一側，即能使混合液體按密度分離開來，旋流越強，分離越徹底。

3）CRV導流葉片使液流產生了渦旋流，周向速度增加，但沿Z軸軸線方向，周向速度衰減較快。

圖8　Z軸方向各橫截面平均周向速度

［1］ 師淑婷，晉日亞，楊思靜，等.多孔水力空化裝置降解甲基橙［J］.環境工程學報.2016，10（3）：1271-1275.

［2］ Kalumuck K M， Chahine G L. The use of cavitation jets to oxidize organic compounds in water［J］.American Society of Mechanical Engineers，2007，45（3）：245-248.

［3］ Dular M，Stoffel B，Sirok B.Development of a cavitation erosion model［J］.Wear，2006，261（5-6）：642-655.

［4］ Dean Ji，Minliang Zhang，Tenggang Xu etc. Experimental and numerical studies of the jet tube based on venture effect［J］. Vacuum，2015，111：25-31.

［5］ 李晶晶，唐曉東.超聲波在石油加工中的應用進展［J］.化工技術與開發，2005，34（2）：22-25.

［6］ 葉國祥，宗松，呂效平，等.超聲波強化原油脫鹽脫水的實驗研究［J］.石油學報，2006，23（3）：22-25.

［7］ 董賢勇，張平，林日億，等.超聲波對勝利淺海原油降粘試驗研究［J］.油氣儲運，2004，23（3）：32-35.

［8］ Nevedev A V，Cherkas V D，Zhukov A D，et al.Liquid medium treatment method：US，20100230367A1［P］，Sep.16，2010.

［9］ 曹學文，陳麗，林宗虎，等.用于超聲速旋流分離器中的超聲速噴管研究［J］.天然氣工業，2007，27（7）：112-114.

［10］ 王常斌，王敏，于遠洋，等.文丘里管水力空化現象的CFD模擬［J］.管道技術與設備.2013，1：11-12.

Numerical simulation and analysis on the cavitation flow field in a heavy oil viscosity reduction device

LIU Wen-ming， XU Jing， LIU Xue-dong

TQ171.6+25

A

1009-0134（2016）10-0110-04

2016-06-28

江蘇省產學研聯合創新資金項目（BY2014037-29）

劉文明（1981 -），男，江蘇徐州人，實驗師，碩士，主要從事石油化工裝備結構可靠性與完整性的研究工作。