輸油管道雙轉角彎管內多相介質流動特性研究

劉忠運， 張興樂， 鐘 麗

(1重慶能源職業學院 2重慶東部石油有限公司 3重慶龍海石化有限公司)

近年來低含油混合介質在彎管內的流動特性及流場分布規律逐漸引起相關領域學者的重視[1-2]。Sudo[3]，Taylor[4]以90°彎管為研究對象，借助于旋轉探針及激光多普勒技術，對關內流體流動特性進行了試驗測量。李靜[5]等針對不同雷諾數及管徑比條件，對彎管內的速度場及壓力場進行了數值模擬分析。于利偉[6]等通過設計多相流試驗臺，完成了試驗臺管道上彎管區域速度分析。同時部分學者[7-9]分別采用大渦模擬方法、RNG、k-ε湍流模型等方法對彎管內的流動特性進行系統分析。實際上在原油的開采及運輸過程中，難免會存在攜砂現象，混合介質攜砂一方面會對增強管道的沖蝕，另一方面也會對油相的分布產生影響。彭文山[10]等采用計算流體動力學方法，分析了管道直徑、彎徑比、彎曲角度等條件對固液兩相流沖蝕彎管進行了數值模擬分析，確定出了最佳的彎管參數。在采出液運輸過程中，量化管道內固液兩相流動特性，分析油相及砂相分布，對于管道的優化設計及指導輸送系統的安全運行至關重要。

本文基于計算流體動力學方法與群體平衡模型，以雙彎管為研究對象，分析了不同雷諾數對彎管內壓力場、速度場、油相粒度以及油砂兩相分布的影響，對研究彎管內多相流流動機理及優化設計管網系統具有一定的指導意義。

一、計算模型建立

1. 流體域模型

物理模型為兩個90°圓弧彎曲彎管，由兩個水平管段及一個豎直管段構成。其主要結構參數如圖1所示，管道內徑為100 mm，兩個水平管段長度相等均為500 mm，數值管段高為400 mm，彎曲直徑為100 mm。介質由左側低處的入口進入，經兩個90°彎后由右側高處的出口流出，在水平管段及豎直管段上均選取兩個截面對流場進行分析。

圖1 物理模型及參數

2. 網格劃分及無關性檢驗

利用Gambit軟件采用四面體網格對彎管模型進行網格劃分，通過調整網格尺寸的方法控制網格總數。

3. 邊界條件

模擬介質為油、水、砂混合，介質物性參數及含量以油田現場采出液為參考，其中水為連續相介質密度為998.2 kg/m3，黏度為0.001 mPa·s；油相密度為889 kg/m3，黏度為1.03 mPa·s，體積分數為6%，砂相密度為2000 kg/m3，粒徑為300 μm，體積分數為2%。入口邊界條件為速度入口，入口雷諾數Re分別為5.83×104、2.91×105、5.82×105、8.74×105、1.07×106，出口為自由出口。

二、結果分析

1. 流場特性

1.1 速度場

模擬得出管道內水平方向的速度分布云圖2，可以看出上游水平管、豎直管以及下游水平管內流速變化較大，分布規律明顯不同。在上游水平管內流體介質剛進入管道內時流速比較穩定，同時近壁區域由于摩擦阻力的影響使得流速減小。在一個圓弧過渡區域速度明顯降低，且在轉角處形成該區域的速度最大值。液流進入豎直管段內時，由于運動方向變為豎直運動，所以水平方向速度明顯降低。在第二個圓弧過渡區域水平方向速度又逐漸增大，液流又逐漸轉變成水平運動，但在第二個圓弧過渡段出口處形成渦流，流場湍流作用增強。

圖2 X方向速度分布云圖

圖3 Y方向速度分布云圖

數值方向速度分布云圖如圖3所示，可以看出在豎直管道內部速度并非對稱分布，左側區域速度要小于右側區域，原因是液流在第一個圓弧過渡出口處形成渦流區，致使管道右側區域速度升高，并于第二個圓弧過渡處達到豎直速度的最大值。

1.2 壓力場

整體壓力由入口到出口呈現出逐漸降低的趨勢，上游水平管緊鄰入口壓力較大，在上下兩個渦流區壓力明顯降低，在液流變化方向的兩個圓弧過渡區域壓力有所升高，并在外壁的轉角處達到壓力最大值。

1.3 濃度場

不同截面位置油相體積分數分布云圖如圖4所示，圖中各截面位置如圖1所示，在上游水平管段內入口處油相分布較為均勻，液流運動至S2位置時，油相向上運動管道上部油相分布較大。在豎直管段內受渦流影響出現局部油相分布較高現象，當流經至下游直管段內時，受湍流作用影響管內下層油相分布較多，上層油相分布較少。

圖4 不同截面油相體積分數分布云圖

砂相體積分數分布云圖如圖5所示，可以看出管道入口位置砂相分布較為均勻，當進入到上游直管段內時，逐漸出現分層現象，砂相向底部沉積。在豎直管段內由于渦流作用的影響，致使砂相向背離渦流區運動，渦流區域砂相減少。

圖5 不同截面砂相體積分數分布云圖

2. 雷諾數對流場的影響

為了分析不同入口雷諾數對管道內相介質流動特性影響，針對入口雷諾數分別為5.83×104、2.91×105、5.82×105、8.74×105、1.07×106時管道內的流場特性進行分析。

2.1 濃度場

在分析雷諾數對油相及砂相分布影響時，選取豎直管段軸心位置以及出口位置為分析對象。得出豎直管段內軸心區域由下到上的油相分布曲線如圖6所示。可以看出較低雷諾數時(5.83×104)油相分布規律與較高雷諾數時不同，雷諾數在2.91×105～1.074×106時，徑向位置100 mm附近會出現油相分布峰值區，而低雷諾數時無此峰值現象。這是因為在入口雷諾數較低時，彎管內渦流區的渦流現象不明顯，未能對油相分布產生影響，在靠近管道頂部時油相密度較水小所以上浮，呈現出頂部油相含量增高的現象。同時可以看出隨著雷諾數的增大，兩個油相分布峰值逐漸升高，即渦流越大致使該區域內油相含量越高。

圖6 不同雷諾數時豎直管內油相分布曲線

圖7 不同雷諾數時豎直管內砂相分布曲線

砂相隨雷諾數的分布情況如圖7所示，可以看出在豎直管段內受渦流區的影響砂相分布存降低，因為在渦流區域內油相為輕質相匯聚到渦旋中心，而砂相密度較大在離心力的作用下運移至邊壁處，致使該區域內分布降低。

三、結論

(1)混合介質在上游水平管內速度分布及濃度分布較為均勻，且由于壁面摩擦阻力影響，近壁處速度較低，軸心區域速度較大。豎直管內速度及濃度分布受渦流影響較大，同時下游水平管內由于渦流作用與上游水平管內速度場、壓力場及濃度場分布差異較大。

(2)渦流區主要分布在彎管圓弧過渡出口區域，渦流會導致局部高壓，同時擾亂介質運動軌跡，不利于多相介質混合同時會降低管道壽命。

(3)彎管內雷諾數為5.83×104時，湍流作用不較低，油相及砂相分布受其自身密度影響較大，出口處輕質油相分布在上層，重質砂相分布在下層。隨著雷諾數的增大(2.91×105～1.074×106)渦流強度逐漸增大，致使砂相向上運動油相向下運動。