機動管線輸送艦用燃料油流動傳熱數值模擬研究

劉慧姝 徐碩 王劭博 田愛民 李江 段紀淼

摘? ? ? 要： 艦用燃料油在常溫下黏度大、流動性差，使得裸管鋪設的機動管線需要采用加熱輸送艦用燃料油。利用機動管線加熱輸送艦用燃料油時，燃料油與周圍環境換熱導致管內物性變化，燃料油物性的變化隨即引起流動特性的變化。為了優化應急情況下機動管線加溫輸送系統的工藝參數設置，建立了輸送燃料油過程中流動和傳熱耦合的物理模型，采用數值模擬的方法得到了不同風速、不同環境溫度、不同起點油溫下的溫降和壓降變化，分析了風速對裸露機動管線溫降和壓降的影響，為燃料油的應急保障提供依據。

關? 鍵? 詞：機動管線;艦用燃料油;溫降;壓降;數值模擬

中圖分類號：TE 832? ? ? ?文獻標識碼： A? ? ? ?文章編號： 1671-0460（2019）10-2418-06

Abstract： Under emergency conditions， when using a mobile pipeline to transport marine fuel oil， the heat exchange between the fuel oil and the surrounding environment causes changes in the physical properties of the fuel oil. In order to optimize the process parameter setting of the emergency heating pipeline system， the physical model of flow and heat transfer coupling in the process of transporting fuel oil with the mobile pipeline was established. The influence of wind speed on the temperature drop and pressure drop of the bare motorized pipeline was analyzed and the variation of temperature drop and pressure drop under different wind speeds， different ambient temperature and different starting point oil temperature were calculated by numerical simulation method， and the calculation results were compared with the experimental results in the literature to verify the reliability and accuracy of the calculation results. Reasonable transportation process parameters were determined to provide a basis for emergency protection of fuel oil.

Key words： Mobile pipeline;Marine fuel oil;Temperature drop;Pressure loss;Numerical simulation

燃料油是由多種有機物為主組成的復雜混合物，包括飽和烷烴（蠟）、芳香烴、異構烷烴和膠質等，含有大量的C16至C33之間的烷烴[1-3]。燃料油在常溫下黏度大、流動性差，需要采用加熱方式輸送。應急工況下，通過臨時鋪設裸露鋼質機動管線，經移動加熱裝置，完成燃料油的應急輸轉。機動管線加熱輸送燃料油過程中，由于冬季低溫和強換熱的作用（機動管線是地面裸露鋪設，直接暴露于大氣或海水中），使得燃料油熱損失大，溫降快，黏度上升，壓降大，失去流動性，易發生凝管事故[4-6]。

管線加熱輸送油料研究領域，針對野戰管線裸管鋪設特點及使用環境開展的研究很少，大部分研究是針對固定埋地管線[7，8]。機動管線加熱輸送艦用燃料油過程中流動與傳熱特性，受空氣風速、環境溫度、輸送流量、起點油溫等多種因素共同作用影響，是一個水力和熱力耦合的復雜過程。Venkatesan等[9]在假設流體物性為常數的前提下，利用有限微分法和數值解法對長輸管線從動量和能量角度進行了熱力分析，由積分法構造出了問題的差分格式，采用廣義阻尼牛頓-拉夫遜法求解非線性差分方程組，得到了問題的數值解。Rawat等[10]對海底埋地管線進行了傳熱計算，并利用二維Navier-Stokes方法對流動過程建立了計算模型，對于傳熱過程則采取一維穩態模型。

劉青峰等[4，5，11]針對低溫條件下艦用燃料油的特性，分析了環境溫度對裸露管線傳熱的影響，比較了不同條件下艦用燃料油經加熱后的輸送距離。

本文基于數值模擬方法，建立機動管線輸送艦用燃料油過程中流動傳熱耦合模型，得到不同風速、環境溫度、起點油溫條件下機動管線輸送艦用燃料油過程中溫度和壓力的變化特點，著重研究了風速對輸送艦用燃料油流動與傳熱的影響，為機動管線輸送燃料油提供技術支持。

1? 模型建立

1.1? 管線物理模型

建立模型時考慮要對較長管線進行數值模擬，若模型長徑比太大不利于后續的網格劃分及數值模擬計算，但是管線太短又不能較好的反映機動管線輸送艦用燃料油的實際工況，所以在建立模型時選用管長500 m的二維模型。同時機動管線在鋪設時會出現局部懸空的地勢，根據類似工程處理為保證艦用燃料油的順利輸送，建立架空管線的計算模型，如圖1所示。在模型兩端分別為艦用燃料油和空氣的進出口，艦用燃料油與空氣流動方向相反，通過管壁進行對流換熱。

1.2? 機動管線與風速的傳熱模型

裸管鋪設在地面上的機動管線的熱量損失有以下幾部分組成：流動的燃料油與鋼管內壁的對流換熱;鋼管管壁的導熱;鋼管外壁與外界空氣對流換熱。一般鋼管的導熱性能很好，可以達到46～50 W/（m·℃），故忽略鋼管管壁導熱的熱阻。由于機動管線輸送艦用燃料油水力過程和熱力分布的各個參數都是隨流動不斷變化的，所以在計算時最好的辦法是將整條管線分成若干小段，取每一小段的平均油溫逐段往前計算。

假設機動鋼質管線周圍環境溫度為Te，dl微元管段中的油溫為T，管線輸送額定流量為Q，壓力損失為j，那么艦用燃料油流經dl微元管段后的溫降為dT，可得dl微元管段上的能量方程為：

忽略每一段dl內水力坡降j的變化，同時該微元管段dl中艦用燃料油比熱c和密度視為固定值，因此由蘇霍夫公式可以得到沿程油溫分布，從管線起點開始計算，假設艦用燃料油初始溫度為T0，管線沿程每一小段dl內溫降的計算式：

由于機動鋼質管線輸送時，流量通常都是不變的，管線的總傳熱系數K是影響溫降的關鍵因素，其理論計算式為：

1.2.1? 鋼管內壁和燃料油的傳熱系數a1

艦用燃料油在輸送時的溫度在0～30 ℃之間變化，艦用燃料油的動力粘度在1.155 89～0.043 Pa·s之間變化，在額定輸送流量下可以計算出雷諾數范圍190～5 105，所以燃料油的流動狀態處于層流區域或者過渡區。艦用燃料油的物理性質和所處的流動狀態對燃料油與管壁間的換熱強度有很大影響。管內壁與燃料油的傳熱系數a1可用放熱準數Nu、自然對流準數Gr及流體物性準數Pr來表示。

當Re<2 000且Gr·Pr>500，即燃料油處于層流區時：

式中： —燃料油的導熱系數;

下標y —對燃料油的平均溫度各參數值。

放熱準數Nu與自然對流準數Gr、流體物性準數Pr的關系式如下：

為燃料油的體積膨脹系數。

當2 000

式中：K0 —雷諾數的函數。

1.2.2? 鋼管外壁和外界環境的傳熱系數a2

裸管鋪設的鋼制機動管線沒有保溫層，鋼管與外界空氣直接對流換熱，同時還會受到陽光輻射的影響，由于本文模型是按架空管線建立的，故不考慮管壁與地面接觸發生熱傳導的問題。

在環境溫度一定時，風速是影響陸上管線與外界環境的主要因素，不同風速對鋼管外壁的對流換熱強度不同，鋼制管線與空氣的對流換熱系數a2c按照強制對流進行計算：

鋼制管線在空氣中輻射換熱計算式為：

Tw和Tg —管壁和外界空氣的溫度;

和 —分別表示溫度在Tw時空氣對管壁輻射放熱

的吸收率和空氣的黑度。

由式（10）可以得到a2r計算式為：

故傳熱系數a2為對流換熱系數和輻射換熱系數之和：

1.3? 機動管線的壓降模型

管線輸送燃料油的沿程壓力損失不是線性變化的，需要考慮由于沿程溫降帶來的燃料油黏度變化，在將管線分為若干微元段計算時，根據每段溫度變化取黏度變化的平均值計算該微元段壓力損失，在將所有微元段的壓力損失相加得到整條管線的壓力變化。

假設整條管線分為n個微元段，那么第i段油流的平均油溫Tpi的計算式為：

整條管線被分為n段微元段，那么管線的總壓力損失hf計算式為：

2? 模型求解

2.1? 計算域及網格劃分

模型中管線選用管徑150 mm鋼管，艦用燃料油流動區域為，管線上下部分分別為500 m×5 m和500 m×0.5 m空氣流動區域，故數值模擬的流體計算域為500 m×5.65 m，管線位于計算域偏下的位置，如圖2所示。

網格劃分采用多邊形網格，將流體區域劃分為兩部分。一部分是空氣流動區域，另一部分是艦用燃料油流動區域。在實際輸送時只有在管線的下方有地面作為邊界，管線的其他區域沒有壁面，所以選擇管線下方地面到管線上方5 m處的整個區域作為模擬的計算域，以保證模擬的工況和結果更加貼近實際輸送工況。在實際模擬過程中，由于管壁附近流體運動參數變化梯度較大，且管壁附近是管內艦用燃料油蠟沉積形成的關鍵區域，因此對管壁附近的網格進行了加密處理，以增加管壁附近計算區域的精度，而在其他部分空間較大，同時并不是數值計算的重點區域，所以網格劃分相對簡單，以提高計算效率，節省資源，保證了計算的精度和速度。

2.2? 網格無關性

為了驗證計算結果與網格疏密無關，對網格疏密程度進行了不同的劃分，生成了節點數目分別為104 430、148 443和231 121的網格。使用者三種節點數不同的網格計算得到了機動管線輸送艦用燃料油的流場和溫度場分布，發現在不同網格數目下得到的燃料油平均油溫和管內壓力分布變化規律基本相同，使用節點數較少的網格也能取得良好的數值模擬結果，但在條件允許的情況為了確保更加精確，后續的計算依然采用節點數為148 443的網格。

2.3? 初始邊界條件

艦用燃料油的黏溫變化函數使用UDF定義，管內介質沿Z軸方向流動，機動管線的工作流量為105 m3/s，即質量流量入口為25.87 kg/s;選擇壓力出口，150 mm鋼制機動管線的工作壓力為3.5 MPa，考慮到局部壓力損失和下一站進口壓力，故管線末端出口壓力設為0.5 MPa。管外空氣流動方向與艦用燃料油流動方向相反，空氣流動定義速度入口，根據環境風速的變化選擇不同大小的速度值，出口選擇壓力出口。

3? 計算結果與對比分析

根據海邊季節風速變化，對比了在不同低溫環境下管線在無風（0）、2、4 m/s和最大風速6 m/s情況下的管內溫度與壓力變化。從圖3可以看出在低溫環境下（0 ℃）有風和無風條件下，裸露的鋼制管線散熱區別較大，在無風時鋼管與外界環境熱交換使得管線周圍空氣溫度升高，但由于在無風條件下，空氣分子只是無序的自由運動，散熱緩慢，所以軸向截面溫度云圖中管線周邊的空氣都有明顯的溫度變化。

在同樣有風但風速不同條件下，管線溫降速率也存在差別，在圖3（b）（c）（d）中，管線周圍空氣溫度分布變化不大，是因為管線與空氣對流換熱后損失熱量被迅速散發至廣闊的空氣中。

同時可以看到風速增大后，管內溫度云圖不斷變淺，說明管內的平均油溫在沿管道軸向不斷降低，熱能損失變大。

在不同環境溫度、不同管外風速條件下，經加溫車處理后的艦用燃料油在鋼制機動管線中輸送500 m時的溫度、壓力變化如圖4。可以看到在無風環境下，管內燃料油溫度降低緩慢，環境溫度為0 ℃時，管內壁油溫降低最小（0.7 ℃），環境溫度為-15 ℃時，管內壁油溫變化最大（1.4 ℃）。在有風條件下，經加溫系統加溫輸送500 m的溫度變化為：環境溫度0 ℃，風速為2和6 m/s，溫度變化為3.4和6.4 ℃;環境溫度-5 ℃，風速為2s和6 m/s，溫度變化為3.6和7 ℃;環境溫度-10 ℃，風速為2和6 m/s，溫度變化為4和7.9 ℃;環境溫度-15 ℃，風速為2和6 m/s，溫度變化為4.5和8.9 ℃，可以看出在其他條件相同時，溫降幅度隨著環境溫度的降低而緩慢增大，而在環境溫度同為0 ℃時，小風速2 m/s和極限風速為6 m/s的溫度變化分別為3.4和6.4 ℃，溫降變化接近一倍，說明環境溫度對燃料油輸送時的溫度損失影響較小，而管外風速對管內燃料油的溫度變化影響很大。

將本文模擬結果與劉青峰實驗結果進行對比如表1所示。在無風條件下（0 ℃），管內溫降主要受到管外環境溫度影響，在4種（0，-5，-10，-15 ℃）不同的環境溫度下，Fluent計算的管內壁處溫度分布與實驗值吻合較好;而在環境溫度同為0 ℃時，風速2 m/s時的模擬結果與實驗結果有較小幅度的波動，計算整體的溫降相對誤差為1.2%，而隨著風速的增大，模擬結果與實驗結果的誤差逐步增大，在最大風速6 m/s時，誤差高達25.2%，管線進出口溫降模擬結果比實驗結果大了1.6 ℃。在有風條件下，管內壁溫度變化模擬結果均大于實驗結果，主要是因為模擬條件是充分發展的穩定單相流動且管外風速是穩定不間斷對管線進行對流換熱，而在實際管線輸送過程中，風速不會穩定在一個固定值且風速不可能不間斷的一直刮，所以風速對于實際管線輸送的整體換熱強度是要小于模擬值的，導致了管內壁溫度變化的實驗值低于模擬值。在風速增大時，管內溫降誤差值變大的原因是由于模擬計算時，增大風速對管線換熱強度穩定增大，而實際管線輸送時風速越大在刮風間斷時間內相對于模擬計算損失的熱量越少，所以風速增大時，管內壁溫度變化的模擬結果與實驗結果誤差變大。

在管線出口壓力設為0.5 MPa，保證末端出口剩余一定壓頭，而進口壓力根據出口壓力和管線輸送該距離的壓力損失計算得出，如圖5所示。可以看到壓力變化趨勢都是先降低的較快而后趨于斜率穩定的變化，這是因為在進口處油溫較高，管內外溫差較大，管內燃料油溫降較快，燃料油的黏度也隨之變化較快，因此開始時的壓力損失較大，后面趨于平緩。在無風和有風條件下壓力損失區別較大，風速0 m/s時流經該管段的燃料油壓力損失約0.287 MPa，風速2、4、6 m/s壓力損失為0.39、0.4、0.41 MPa，風速的增大對管線整體壓力損失影響較小。

4? 結 論

（1）陸地鋪設的鋼制機動管線在輸送距離一定時，環境溫度對燃料油輸送時的溫度損失影響較小，而管外風速對管內燃料油的溫度變化影響很大，輸送時的燃料油加溫車間距設置要以管線所處環境風速為主要影響因素。

（2）管線輸送燃料油時無風和有風壓力損失變化明顯，但風速增大時，管內壓力損失變化較小。

（3）在其他條件不變時，增大管線輸送流量，在輸送相同距離時的燃料油溫降較小，但是管內壓力損失增大加快，影響加壓泵站間距設置。

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