環狀流在球閥開啟過程的變化狀況研究

江 帆， 岳鵬飛

(廣州大學 機械與電氣工程學院， 廣東 廣州 510006)

環狀流在球閥開啟過程的變化狀況研究

江 帆， 岳鵬飛

(廣州大學 機械與電氣工程學院， 廣東 廣州 510006)

環狀流在閥門中流動結構變化研究對石油水環運輸穩定性具有重要意義.采用VOF模型與CSF模型進行油水環狀流在球閥內的流動模擬，并進行了實驗驗證，模擬結果與實驗結果一致.比較不同閥門開度對后續管道中環狀流油水體積分數的影響，結果表明，球閥的開度越小，閥后管道內油相容易被高速水流切割成小顆粒，不利于后續石油運輸.進一步比較了油水環狀流與石油單相流通過閥門的壓力損失，得到油水環狀流輸送石油的效率提升效果.

油水環狀流; 球閥; VOF; 開度; 數值模擬

油水環狀流運輸由于運行阻力小，長途運輸節能等優點，是高粘度石油管道運輸的重要方式之一.RUSSELL等首先進行了油水環狀流實驗研究[1]，之后很多研究人員對油水環狀流進行研究.GRASSI等[2]、BENTWICH等[3]進行了環狀流流動參數范圍、壓力差特征、界面結構等方面的研究；JIANG等[4-5]研究彎管結構對油水環狀流的影響.潘大林等[6]證實了水環運輸的有效性，楊佳等[7]分析了乳膠基質水環輸運的機理，敬加強等[8]進行了稠油流動邊界層水基泡沫減阻模擬.但現有研究較少涉及閥門內環狀流的流動狀況的分析[9].

石油管道運輸中不可避免用到球閥，球閥開閉過程會產生復雜的射流、渦旋、水擊等現象[10-12]，這些流動特征變化對環狀流結構會產生影響，因此，研究環狀流在球閥開啟過程中的流動變化情況對石油穩定運輸有著重要意義.本文采用數值模擬方法分析球閥開啟過程中油水環狀流流動的變化，討論不同開度下閥后的環狀流流動，及油水體積分數分布情況，比較了油水環狀流與石油單相流經過閥門的壓力損失，得到油水環狀流輸送石油的效率提升效果數據，為油水環狀流實際應用提供參考數據.

1 控制方程

油水環狀流在球閥內流動屬于油水兩相流，采用VOF(Volume of Fluid)模型描述，并結合LS(Level Set)進行油水界面追蹤，它們均遵守連續性、動量守恒方程，由于雷諾數超過3 000，采用k-ε模型描述湍流狀況，具體表達式如下[4-5, 13].

(1)

(2)

(3)

2μtEijEij-ρε

(4)

(5)

(6)

式中，t是時間，i代表水或者油，αi是第i相的體積分數，ρi是第i相的密度，ui是第i相的速度， p是壓力，g是重力加速度，上標T是速度矢量的轉置，μq是剪切粘性系數，Fσ是外部體積力.k,μt,ε分別是湍動能，耗散率，渦流粘度.湍流方程中的常數為Cμ=0.09, σk=1, σε=1.3, C1ε=1.44, C2ε=1.92，Eij定義如下.

(7)

為了描述油水的界面張力，采用如下的CSF(Continuum Surface Force)模型

(8)

2 計算模型與分析參數

對球閥和前后部分管道進行適當簡化，采用圖1的二維區域作為計算區域，管道直徑為12 mm，閥芯半徑為8 mm，圖中的閥門開度為45°，計算區域總長182 mm，為了分析方便，在閥門中心、左右各2R處取參考截面Ⅰ～Ⅲ.

圖1 計算區域模型

圖2 網格模型

圖3 網格獨立性驗證

邊界條件：計算區域左邊入口中間8 mm為速度入口，施加油的表觀速度vso，上下2部分為水入口，施加水的表觀速度vsw.其他為邊界無滑移的壁面，與水的接觸角為27°.

兩相的物性參數：高粘度的油，ρo=960 kg·m-3，μo=0.22 Pa·s，水，ρw=998.2 kg·m-3,μw=0.001 003 Pa·s，兩相的表面張力為0.039.

計算設置：將水定義為主相，油定義為次相，計算區域初始化：全部區域充滿水.多相流計算選用壓力-速度耦合方法，并設置為缺省的Phase Coupled SIMPLE算法.

3 實驗驗證

搭建了如圖4所示的實驗平臺，由于采購的球閥的透明性不太好，測試位置稍微閥后一些.對實驗與模擬結果進行對比(圖5)，圖5可見，模擬結果與實驗結果基本一致，表明采用VOF模型與CSF模型能夠很好地模擬油水環狀流在閥門中的流動.

圖4 實驗平臺與測試位置

圖5 流型結果對比與水相流量結果對比

Fig.5 Comparison of the simulated results and experimental results in the flow status and flow rate

4 結果與討論

4.1 球閥內兩相流場分析

通過球閥內油水環狀流的數值分析，可以得到流動區域的壓力、速度、湍動能、油相分布等流動場數據，見圖6.

圖6 流場分析結果

(a)總壓分布，(b)速度矢量，(c)速度矢量局部放大，(d)湍動能分布，(e)流線，(f)相體積分數分布

圖6可見，在45°開度下，閥前壓力要大于閥內與閥后壓力，閥后下部會出現負壓區，容易出現汽蝕現象.速度矢量顯示在進入閥和離開閥的截面最小處出現較大的速度，特別是離開閥的地方速度出現最大值.放大閥內與閥前后的矢量圖，會發現閥前上部、閥中的上下部、閥后下部均出現了漩渦，流動比較復雜.湍動能分布看到，在閥后區域湍動能較大，說明在此區域湍流混合能力比較強.流線圖也顯示了在閥前閥中和閥后出現漩渦的位置.從相體積分數分布(紅色為油，黃色為水)看到油相在進入閥門時，會逐漸收縮與閥入口相協調的徑向尺寸，離開閥門后，又會逐漸恢復到原來的徑向尺寸，同時也看到，油相在離開閥門時容易沖破水膜而粘附在管壁上，造成環狀流結構破壞，需要設法規避.

如圖7所示，深色代表油，淺色代表水，入口為環狀流，在閥前的直管中流動時，環狀流保持穩定，經過閥門，由于流動截面急劇變化，導致環狀流形態在閥中和閥后發生較大的變化，隨后環狀流在閥后逐漸恢復穩定.

圖7 環狀流在計算區域發展過程

從環狀流在計算區域的發展過程看到，油水環狀流結構受流動截面的影響，當截面發生變化時，環狀流的油核會相應的發生變化，在流域截面發生急劇變化的區域，環狀流結構容易遭到破壞.

4.2 閥門開度對閥后油相分布的影響

如圖8所示，給出了不同閥門開度下的油水兩相流的相分布狀況.圖8可見，閥門開度小時，閥后的油相容易被高速的水流切割成許多小顆粒，不易維持油水環狀流的穩定性.

圖8 閥門開度對環狀流結構的影響

Fig.8 The effect of opening angle on the annular flow structure

同時，就閥門開度對油相分布進行了定量分析，結果繪制成如圖9所示的曲線.

圖9 開度對油相分布的影響

圖9顯示，當閥門開度增大時，油相體積分數在閥中和閥后有增大趨勢，而閥前基本保持不變.

4.3 油水兩相流與單相流流經閥門的壓力損失的比較

閥門前后的壓力損失可以描述流體流經閥門的能量消耗，這里比較油水兩相流與石油單相流流經閥門的壓力損失，見圖10.圖10可見，環狀流流經閥門的壓力損失要小于石油單相流流經閥門的壓力損失，說明環狀流輸送石油相對節能.

圖10 2種輸油壓力損失的比較

5 結 論

經過對閥門內環狀流的數值模擬，得到與實驗結果一致的模擬結果，并進行了環狀流在閥內的發展過程，及開度對環狀流的影響的研究，得到如下結論.

(1)環狀流在進入閥門時，油核會逐漸收縮與閥入口相協調的徑向尺寸，離開閥門后，又會逐漸恢復到原來的徑向尺寸.

(2)閥門開度對閥后環狀流產生較大的影響，開度越小，閥后油相容易被分割成小顆粒，會增加后續油水分離的難度.

(3)油水環狀流與石油單相流流經球閥的壓力損失比較證實環狀流輸送石油消耗能量較小，是一種低能耗運輸方式.

[1] RUSSELL T W F, CHARLES M E. The effect of less viscous liquid in the laminar flow of two immiscible liquids[J]. Canadian J Chem Eng, 1959, 37: 18-24.

[2] GRASSI B, STRAZZA D, POESIO P. Experimental validation of theoretical models in two-phase high-viscosity ratio liquid-liquid flows in horizontal and slightly inclined pipes[J]. Intern J Multiph Flow, 2008, 34: 950-965.

[3] BENTWICH M. Two-phase axial laminar flow in a pipe with naturally curved surface[J]. Chem Eng Sci, 1971, 31: 71-76.

[4] JIANG F, WANG Y J, OU J J, et al. Numerical simulation on oil-water annular flow through the Π bend[J]. Ind Eng Chem Res, 2014, 53(19): 8235-8244.

[5] JIANG F, WANG Y J, OU J J, et al. Numerical simulation of oil-water core annular flow in a U-bend based on the Eulerian model[J]. Chem Eng Tech, 2014, 37(4): 659-666.

[6] 潘大林，屠大燕. 高粘度原油液環輸運實驗研究[J]. 油氣儲運，1982,5:1-8.

PAN D L, TU D Y. Experimental study on liquid ring transportation of hyperviscous crude oil[J]. Oil Gas Stor Transp, 1982,5: 1-8.

[7] 楊佳，劉壽康. 乳膠基質水環輸運的機理研究[J]. 礦冶工程，2012,32(2)：11-14.

YANG J, LIU S K. Study on mechanism of drag reduction by core-annular flow in transportation of emulsion matrix[J]. Min Metall Eng, 2012, 32(2): 11-14.

[8] 敬加強，孫杰，趙紅艷,等. 稠油流動邊界層水基泡沫減阻模擬[J]. 化工學報，2014, 65(11)：4301-4308.

JING J Q, SUN J, ZHAO H Y, et al. Simulation of drag reduction of aqueous foam on heavy oil flow boundary layer[J]. CIESC J, 2014, 65(11): 4301-4308.

[9] JIANG F, ZHOU H M, HUANG Z G. Numerical simulation on oil-water annular flow through valve[J]. Intern J Eng Res Comput Sci, 2016, 1(1): 9-16.

[10]POSA A, ORESTA P, LIPPOLIS A. Analysis of a directional hydraulic valve by a Direct Numerical Simulation using an immersed-boundary method[J]. Energ Conv Manag, 2013, 65: 497-506.

[11]VALDES J R, RODRIGUEZ J M, MONGE R, et al. Numerical simulation and experimental validation of the cavitating flow through a ball check valve[J]. Energ Conv Manag, 2014, 78: 776-786.

[12]石柯. 球閥開啟過程的瞬態數值模擬與實驗研究[D]. 杭州:浙江理工大學，2013.

SHI K. Transient simulation and experimental study on the opening process of ball valve[D]. Huangzhou: Zhejiang Sci-Tech University, 2013.

[13]江帆，黃鵬. Fluent高級應用與實例分析[M]. 北京：清華大學出版社，2008.

JIANG F, HUANG P. Advanced application and examples analysis of FLUENT[M]. Beijing: Tsinghua University Press, 2008.

【責任編輯： 陳 鋼】

Study on variation of the core annular flow through the ball valve

JIANGFan,YUEPeng-fei

(School of Mechanical and Electrical Engineering, Guangzhou University, Guangzhou 510006, China)

The study on the flow structure inside of the ball valve is important for water annulus transport of crude oil. The simulation of the oil-water core annular flowing through valve is conducted by the VOF model and CSF model. The simulation results have been verified by experimental results, which are in agreement with the experimental results. The effects of different valve opening degree on oil and water volume fraction of annular flow are compared. The results show that the valve opening is small, oil in the piping behind the valve is easy to be cut into small particles by high speed water flow, and is not conducive to the oil transportation. The pressure loss between oil single phase flow and oil-water annular flow through the valve is compared, and the efficiency of oil-water annular flow transporting oil is obtained.

oil-water core annular flow; ball valve; VOF; opening angle; numerical simulation

2016-03-20;

2016-06-30

廣東省科技計劃資助項目(2015A070710029, 2015A030402009, 2014A070711023);廣州市教育科學規劃資助項目(1201430307);廣州市高等學校教育教學改革資助項目(穗教高教〔2015〕0029-16);廣州市科技計劃資助項目(2013KP042)

江 帆(1974-)，男，副教授，博士. E-mail: jiangfan2008@126.com

1671- 4229(2016)05-0084-05

TH 137

A