電脫水器絕緣棒圓柱繞流數值模擬研究

于進 杜炘潔

1中油國際管道公司

2中國石油西南油氣田公司安全環保與技術監督研究院

電脫水器[1]在脫水過程中,由于絕緣棒后端繞流產生的渦街會使一部分區域流速較低,造成原油中高含鹽沉積物在該處沉積而導電,致使絕緣棒失去絕緣作用.在石油工業中,如果導電就會引起電脫水器的變壓器燒壞,進而導致停產,后果是相當嚴 重 的.HEIDEMAN[2]、PONTAZA 和 CHEN[3]等 通過實驗研究對圓柱繞流[4-5]中阻力系數與雷諾數的關系進行了分析,但因研究結果誤差較大,其局限性較明顯.馬金花等[6]采用有限元方法離散求解了雷諾時均方程,王亞玲等[7]使用CFX-4三維數值模擬軟件對黏性不可壓縮流體的圓柱繞流問題進行了深入分析.以上研究標志著數值模擬已逐漸成為了當今研究的主要手段[8].

使用FLUENT軟件數值模擬圓柱流動分離[9-10],漩渦生成、脫落以及隨時間推進渦街產生和演變過程,包括卡門渦街[11-12]及二次渦[13]形成等.采用標準k-ε模型通過對三種不同來流速度0.5、1.0和2.0 m/s在同一時刻不同面和不同時刻(T/5、3T/5、T時刻)同一面模擬結果的分析對比(原油停留時間為30~50 min之間),定性地分析了該圓柱繞流模型中速度對絕對不穩定性的影響,通過改變區域的速度就可達到改變甚至消除卡門渦街的目的,為脫水器的應用設計[14-15]提供了一定的參考依據.

1 建模計算

研究某原油電脫水器絕緣棒參數如下:

(1)原油電脫水器絕緣棒結構:絕緣棒直徑D=70 mm,h=850 mm.

(2)混合原油運動黏度υ=76.1 cSt(50℃),密度ρ=886.4 kg/m3(20℃).

(3)來流流速:v1=0.5 m/s,v2=1.0 m/s,v3=2.0 m/s.

(4)計算區域(S)=長(L)X寬(W )X高(H),其中L=12D、W=4D、H=5D.

為了便于計算和結果的查看,取絕緣棒的幾何軸線為z軸,底面所在的平面為x-y平面,其三維數學模型見圖1.將結構化網格和非結構化網格相結合,將計算區域劃分為兩個部分,如圖2所示.

圖1 計算區域三維幾何模型Fig.1 Three-dimensional geometric model of computational area

圖2 計算區域網格結構Fig.2 Grid structure of computational area

如圖3所示,取代表性截面H1為z=70 mm,切面H2為z=140 mm,切面H3為z=175 mm,切面H4為z=210mm,切面H5為z=280mm,z1切面為X=175mm,z2切面為Y=140 mm.

圖3 計算區域切面圖Fig.3 Section of computational area

2 數值結果與分析

2.1 不同流速同一時刻模擬結果對比分析

T時刻(T=0.7 s),在絕緣棒豎直方向上,不同橫切面的速度變化趨勢大致相同,如圖4、5所示.絕緣棒前沿175 mm的范圍內,其迎流區流速為0.25 m/s左右,而在與來流成90°的兩側流速增大為0.75 m/s左右.絕緣棒后側的背流區速度幾乎為零,隨著流體的繼續流動,流速逐漸增大,最后趨于穩定.綜上所述,與來流方向成90°夾角的圓柱上下兩側的主流區速度為最大值,而在漩渦區、圓柱的背流側和其后回流區的流速相對較低;同時可以觀察到圓柱的上下兩側近鄰圓柱表面流體處有交替的脫落、漩渦形成、漩渦向下游移動和擴散等現象,整個過程呈明顯的周期性.

圖6顯示了橫切面H3的壓力云圖,圖7為圓柱面的壓力云圖,圖8為縱切面z1、z2壓力云圖.當原油流過絕緣棒時產生了分離,從而對圓柱體產生了持續的作用力.由于逆壓梯度的存在,造成邊界層分離,從而形成漩渦.同時,因渦漩能量消耗以及尾流壓力降低,流體在物體前端分開后,受到間斷面和漩渦的阻隔影響,不能在物體后部重新匯合,壓力亦不能完全恢復,致使物體前后部壓力分布不對稱,從而產生阻力,該阻力即為物體前后壓差引起的壓差阻力.

圖4 v=0.5 m/s時沿圓柱橫切面速度云圖Fig.4 Velocity nephogram along cylindrical transverse section whenv=0.5 m/s

圖5 v=0.5 m/s時縱切面速度云圖Fig.5Velocitynephogramoflongitudinalsectionwhenv=0.5m/s

圖6 v=0.5 m/s時橫切面H3的壓力云圖Fig.6 PressurenephogramoftransversesectionH3whenv=0.5m/s

圖7 v=0.5 m/s時圓柱面壓力云圖Fig.7 Cylindrical pressure nephogram whenv=0.5 m/s

圖8 v=0.5 m/s時縱切面壓力云圖Fig.8 Longitudinal pressure nephogram whenv=0.5 m/s

圖9 橫切面H3的速度云圖(左)和縱切面z2的速度云圖(右)Fig.9 Velocity nephogram of transverse sectionH3(left)and longitudinal sectionz2(right)

由圖6~圖8可知,在絕緣棒前沿隨著位置的推移壓強逐漸增大,而在流體首先沖刷絕緣棒的區域,壓強達到最大;在垂直來流的圓柱兩側以及背流區壓強最小;在絕緣棒后側壓強逐漸增大,最后達到穩定值.

當來流流速變化時,由圖9可見,在三種流速下圓柱體表面都有相同的特點,即來流方向的壓力最大,而與來流成90°夾角的表面處壓力幾乎為零.不同來流流速下,各處壓強的量值有所不同,流速v=0.5 m/s時的背流低速區面積大于流速v=1.0 m/s時的面積,v=1.0 m/s時的面積又大于v=2.0 m/s時的面積.綜上所述,在一定流速范圍內,背流區域面積隨著流速的增大而逐漸減小;對于邊界層,隨著來流流速的增加,邊界層的低速區域逐漸減少.當流體繞流后,柱體后部會產生對稱的環流運動區域,該處流線排列有序并呈封閉狀態,從而使每組形成一個"駐渦".回流越多,產生二次分流的趨勢越明顯.當雷諾數達到一定值時,快速旋轉的漩渦在柱體后部區域出現,導致柱面產生較大的壓力梯度,形成二次分離.

2.2 同一來流速度不同時刻模擬結果對比分析

2.2.1 來流速度為v=0.5 m/s時模擬結果

圖10給出了在v=0.5m/s時,切面H3在t=T/5、t=3T/5和t=T的速度云圖和速度等值線圖.從圖中可以看出,位于同一平面上的質點,其x向速度分布隨時間的變化逐步達到流態穩定,其分布有一定的規律性.尾渦呈周期性脫落,并在尾部依然呈卡門渦街的特征.

圖10 v=0.5 m/s時切面H3的速度云圖和速度等值線圖隨時間的變化Fig.10 Velocity nephogram and contour map of time variation at sectionH3whenv=0.5 m/s

圖11 v=1.0 m/s時,在切面H3處隨時間變化的速度云圖和等值線圖Fig.11 Velocity nephogram and contour map of time variation at sectionH3whenv=1.0 m/s

圖12 v=2.0 m/s時,在切面H3處隨時間變化的速度云圖和等值線圖Fig.12 Velocity nephogram and contour map of time variation at sectionH3whenv=2.0 m/s

2.2.2 來流速度為v=1.0 m/s時的模擬結果

圖11給出了在v=1.0 m/s時,切面H3在t=T/5、t=3T/5和t=T的速度云圖和速度等值線圖.由圖11可知,隨著流速增大,卡門渦街現象減緩.

2.2.3 來流速度為v=2.0 m/s時的模擬結果

由圖12并結合圖11可知,隨著流速進一步增大,卡門渦街現象減緩甚至消失,絕緣柱后距離絕緣柱越遠,流速越趨近于平均值,同時,從圖12可知,在絕緣柱前,由于絕緣柱的阻擋,流速較高,最大流速出現在絕緣柱兩側.

3 結論

通過對原油電脫水器絕緣棒三維圓柱繞流的數值模擬發現:①與來流方向成90°夾角的圓柱上下兩側的主流區速度為最大值,而在漩渦區、圓柱的背流側和其后回流區的流速相對較低;②柱前隨著位置的推移壓強逐漸增大,柱側及背流區壓強最小,柱后壓強逐漸增大,最后達到穩定值;③背流區面積在一定流速范圍內,隨著流速的增大而逐漸減小;④雷諾數的高低會影響柱面的壓力梯度及漩渦的形成;⑤通過改變區域的速度就可達到改變甚至消除卡門渦街的目的.

綜上所述,可選擇原油流速v=1.0 m/s進行原油脫水操作,確保在經濟流速下減緩圓柱繞流的卡門渦街現象,這與實際工業應用情況亦相符.