高壓管匯多相流體沖蝕數值模擬研究

賴曉明

摘 要：針對國內外高壓管匯件產品很難滿足我國頁巖氣商業化開采，面臨超高壓壓裂作業難題，在實際工程作業中陸續出現的一些質量問題，本課題將采用CFD軟件仿真分析固-液兩相流動，運用數值模擬方法能獲得在各種工況下的完整數據，考慮固相顆粒之間的作用和固-液相之間的耦合作用力，分別對顆粒物含量較低時和固相顆粒含量較高的壓裂作業流體工況進行分析，優化現有產品結構，解決一些重要的國產管匯件使用壽命不穩定的難題。

關鍵詞：頁巖氣；壓裂；CFD分析；數學模型

中圖分類號：TE345 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）11-0097-02

0 引言

我國在油氣勘探開發的廣度和深度方面呈現出大幅的上漲態勢，特別是頁巖氣油氣資源的勘探開發，對壓裂設備提出了前所未有的挑戰，2015年左右，由于原有高壓管匯性能滿足不了作業要求，分別在新疆油田和川慶鉆探等作業區塊，連續發生了多次高壓管匯失效事故。另外，近20年來，計算機運用技術取得的飛速發展，其中流體力學計算（Computational Fluid Dynamics，CFD）方面的研究也取得了前所未有的進步，研究逐步成為了一種與實驗研究并存的有效手段。

1 研究目標

以為內徑為3寸，工作壓力約140Mpa的高壓彎頭為對象。這里為該樣式的高壓彎頭構建了四種空間角度位置不同的兩彎頭相聯接方式，分別為兩彎頭所在平面夾角為0°，45°，90°和135°。針對這些不同的聯接方式，首先使用FLUENT所帶前置網格軟件GAMBIT建立相應的計算區域，各聯接方式彎頭的計算區域均由4部分組成：進口直管段、彎管1、彎管2及出口直管段。

2 網格劃分

運用計算機對樣品進行三維建模，用GAMBIT軟件對模型進行本體材料的網格劃分，完成計算空間的離散創建。采用FLUENT軟件對流場進行有限體積法計算，實現計算的基礎和前提是網格劃分，其結果將直接影響到最終數值計算的穩定性、高效性和結果的準確性。在GAMBIT軟件時，為使計算更加準確、快捷，可以采用六面體網格劃分，并在管壁處添加適當的邊界層網格以便能更好的分析近管壁處的流動情況。所研究的四種不同聯接方式模型圖如圖1所示。

3 邊界條件及多相物性

把速度進口（velocity inlet）設定為管線進口端邊界條件，根據實測的流量值計算得到流場入口速度；管段出口邊界條件設置為壓力出口（pressure outlet）；管壁設置為無滑移壁面（no-slip wall）。計算中所用材料相關物性為：支撐劑為30/50目（視密度：3.22g/cm3，體積密度：1.8g/cm3）；100目（視密度：3.14g/cm3，體積密度：1.67g/cm3），壓裂液密度：1.0g/cm3，粘度：0.08pa·s。

4 多相流模型設置

當使用離散相模型時，采用雙向耦合方式計算，液相湍流模型中選用標準雙方程模型，顆粒運動阻力計算時選用球形阻力公式，顆粒粒徑采用均勻分布，管壁邊界條件設為反射邊界，選用隨機追蹤模型預測由液相湍流引起的顆粒彌散。

壓力速度耦合求解方法選用SIMPLEC方法，動量方程，湍動能及湍動能耗散率方程選用二階迎風格式進行離散。各松弛因子選用默認設置。

當使用雙流體模型時，選擇Eulerian雙流體模型，湍流選擇標準多相混合模型（Mixture Multiphase Model）的雙方程模型。固相顆粒粘度選用syamlal-obrien模型，顆粒體積粘度選用lun-et-al模型，忽略顆粒摩擦粘度，固體壓力選用lun-et-al模型，徑向分布函數選用lun-et-al模型，相間曳力選用gidaspow模型。

壓力速度耦合求解方法選用PC-SIMPLE（Phase Coupled SIMPLE）方法，體積分數方程選用一階迎風格式；動量方程，湍動能及湍動能耗散率方程選用二階迎風格式進行離散。各松弛因子選用默認設置。

5 模擬結果及分析

對于目前確定的四種不同類型的彎管結構，分別模擬了30、50、100目等三種不同粒度顆粒多相流的情況。計算所設液流速度為15m/s，顆粒在計算區域入口處的流速設為與液流相同，顆粒流量設為3.6Kg/s。

分析顆粒粒度取為30目，彎管夾角為0°時的流場分布。彎管部分外側的壓應力高于內側，在內側壓應力沿流動方向先降后升，在外側應壓力沿流動方向先升后降。因此，液流速度會在靠近內側處先增加后減少，在靠近外側處先減少后增加，液流相速度的急劇變化會加強顆粒相湍流程度，使得顆粒更易在管壁處發生沖蝕磨損。

由于固-液兩相存在密度差，在沿流動方向上顆粒濃度逐漸增大，在彎管處兩相出現了不同的運動形式，固-液兩相在離心力作用下分離使固相顆粒集中在偏向彎管外側，造成外側壁面的顆粒濃度大幅增加。另外，在該處彎管兩側各有一個近似對稱的顆粒濃度較高區域，這是彎管內的二次流造成的。

圖2分別給出了當固相顆粒粒度取30目的情況下，三種彎管夾角分別為45°、90°和135°時彎管內的顆粒磨損率分布圖。從圖中可以看出磨損區域主要分布在彎管外側管壁附近，在內側管壁區域幾乎沒有磨損發生，且隨著角度的增大，磨損嚴重區向彎管出口方向移動。

表1給出了三種不同粒度顆粒分別在四種不同彎管結構中模擬計算的壓降及磨損率。從表中可以看出，顆粒粒度對壓降的影響不大，彎管4壓降彎管3彎管2彎管1；對于同種顆粒粒度來說，彎管2結構的平均磨損率最大。

6 討論及小結

彎管的結構形式，即在生產中表現為管匯件的連接方式，對管匯件的耐沖蝕性能有著顯著影響。不同連接方式，可能導致產品使用壽命出現倍數差距。

參考文獻

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