劉忠運(yùn)， 張興樂(lè)， 鐘 麗

(1重慶能源職業(yè)學(xué)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(lái)低含油混合介質(zhì)在彎管內(nèi)的流動(dòng)特性及流場(chǎng)分布規(guī)律逐漸引起相關(guān)領(lǐng)域?qū)W者的重視[1-2]。Sudo[3]，Taylor[4]以90°彎管為研究對(duì)象，借助于旋轉(zhuǎn)探針及激光多普勒技術(shù)，對(duì)關(guān)內(nèi)流體流動(dòng)特性進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)量。李靜[5]等針對(duì)不同雷諾數(shù)及管徑比條件，對(duì)彎管內(nèi)的速度場(chǎng)及壓力場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。于利偉[6]等通過(guò)設(shè)計(jì)多相流試驗(yàn)臺(tái)，完成了試驗(yàn)臺(tái)管道上彎管區(qū)域速度分析。同時(shí)部分學(xué)者[7-9]分別采用大渦模擬方法、RNG、k-ε湍流模型等方法對(duì)彎管內(nèi)的流動(dòng)特性進(jìn)行系統(tǒng)分析。實(shí)際上在原油的開(kāi)采及運(yùn)輸過(guò)程中，難免會(huì)存在攜砂現(xiàn)象，混合介質(zhì)攜砂一方面會(huì)對(duì)增強(qiáng)管道的沖蝕，另一方面也會(huì)對(duì)油相的分布產(chǎn)生影響。彭文山[10]等采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)方法，分析了管道直徑、彎徑比、彎曲角度等條件對(duì)固液兩相流沖蝕彎管進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，確定出了最佳的彎管參數(shù)。在采出液運(yùn)輸過(guò)程中，量化管道內(nèi)固液兩相流動(dòng)特性，分析油相及砂相分布，對(duì)于管道的優(yōu)化設(shè)計(jì)及指導(dǎo)輸送系統(tǒng)的安全運(yùn)行至關(guān)重要。

本文基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)方法與群體平衡模型，以雙彎管為研究對(duì)象，分析了不同雷諾數(shù)對(duì)彎管內(nèi)壓力場(chǎng)、速度場(chǎng)、油相粒度以及油砂兩相分布的影響，對(duì)研究彎管內(nèi)多相流流動(dòng)機(jī)理及優(yōu)化設(shè)計(jì)管網(wǎng)系統(tǒng)具有一定的指導(dǎo)意義。

一、計(jì)算模型建立

1. 流體域模型

物理模型為兩個(gè)90°圓弧彎曲彎管，由兩個(gè)水平管段及一個(gè)豎直管段構(gòu)成。其主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖1所示，管道內(nèi)徑為100 mm，兩個(gè)水平管段長(zhǎng)度相等均為500 mm，數(shù)值管段高為400 mm，彎曲直徑為100 mm。介質(zhì)由左側(cè)低處的入口進(jìn)入，經(jīng)兩個(gè)90°彎后由右側(cè)高處的出口流出，在水平管段及豎直管段上均選取兩個(gè)截面對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行分析。

圖1 物理模型及參數(shù)

2. 網(wǎng)格劃分及無(wú)關(guān)性檢驗(yàn)

利用Gambit軟件采用四面體網(wǎng)格對(duì)彎管模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，通過(guò)調(diào)整網(wǎng)格尺寸的方法控制網(wǎng)格總數(shù)。

3. 邊界條件

模擬介質(zhì)為油、水、砂混合，介質(zhì)物性參數(shù)及含量以油田現(xiàn)場(chǎng)采出液為參考，其中水為連續(xù)相介質(zhì)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?jǐn)?shù)為6%，砂相密度為2000 kg/m3，粒徑為300 μm，體積分?jǐn)?shù)為2%。入口邊界條件為速度入口，入口雷諾數(shù)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(jié)果分析

1. 流場(chǎng)特性

1.1 速度場(chǎng)

模擬得出管道內(nèi)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(nèi)流速變化較大，分布規(guī)律明顯不同。在上游水平管內(nèi)流體介質(zhì)剛進(jìn)入管道內(nèi)時(shí)流速比較穩(wěn)定，同時(shí)近壁區(qū)域由于摩擦阻力的影響使得流速減小。在一個(gè)圓弧過(guò)渡區(qū)域速度明顯降低，且在轉(zhuǎn)角處形成該區(qū)域的速度最大值。液流進(jìn)入豎直管段內(nèi)時(shí)，由于運(yùn)動(dòng)方向變?yōu)樨Q直運(yùn)動(dòng)，所以水平方向速度明顯降低。在第二個(gè)圓弧過(guò)渡區(qū)域水平方向速度又逐漸增大，液流又逐漸轉(zhuǎn)變成水平運(yùn)動(dòng)，但在第二個(gè)圓弧過(guò)渡段出口處形成渦流，流場(chǎng)湍流作用增強(qiáng)。

圖2 X方向速度分布云圖

圖3 Y方向速度分布云圖

數(shù)值方向速度分布云圖如圖3所示，可以看出在豎直管道內(nèi)部速度并非對(duì)稱分布，左側(cè)區(qū)域速度要小于右側(cè)區(qū)域，原因是液流在第一個(gè)圓弧過(guò)渡出口處形成渦流區(qū)，致使管道右側(cè)區(qū)域速度升高，并于第二個(gè)圓弧過(guò)渡處達(dá)到豎直速度的最大值。

1.2 壓力場(chǎng)

整體壓力由入口到出口呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢(shì)，上游水平管緊鄰入口壓力較大，在上下兩個(gè)渦流區(qū)壓力明顯降低，在液流變化方向的兩個(gè)圓弧過(guò)渡區(qū)域壓力有所升高，并在外壁的轉(zhuǎn)角處達(dá)到壓力最大值。

1.3 濃度場(chǎng)

不同截面位置油相體積分?jǐn)?shù)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(nèi)入口處油相分布較為均勻，液流運(yùn)動(dòng)至S2位置時(shí)，油相向上運(yùn)動(dòng)管道上部油相分布較大。在豎直管段內(nèi)受渦流影響出現(xiàn)局部油相分布較高現(xiàn)象，當(dāng)流經(jīng)至下游直管段內(nèi)時(shí)，受湍流作用影響管內(nèi)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?jǐn)?shù)分布云圖

砂相體積分?jǐn)?shù)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(dāng)進(jìn)入到上游直管段內(nèi)時(shí)，逐漸出現(xiàn)分層現(xiàn)象，砂相向底部沉積。在豎直管段內(nèi)由于渦流作用的影響，致使砂相向背離渦流區(qū)運(yùn)動(dòng)，渦流區(qū)域砂相減少。

圖5 不同截面砂相體積分?jǐn)?shù)分布云圖

2. 雷諾數(shù)對(duì)流場(chǎng)的影響

為了分析不同入口雷諾數(shù)對(duì)管道內(nèi)相介質(zhì)流動(dòng)特性影響，針對(duì)入口雷諾數(shù)分別為5.83×104、2.91×105、5.82×105、8.74×105、1.07×106時(shí)管道內(nèi)的流場(chǎng)特性進(jìn)行分析。

2.1 濃度場(chǎng)

在分析雷諾數(shù)對(duì)油相及砂相分布影響時(shí)，選取豎直管段軸心位置以及出口位置為分析對(duì)象。得出豎直管段內(nèi)軸心區(qū)域由下到上的油相分布曲線如圖6所示?？梢钥闯鲚^低雷諾數(shù)時(shí)(5.83×104)油相分布規(guī)律與較高雷諾數(shù)時(shí)不同，雷諾數(shù)在2.91×105～1.074×106時(shí)，徑向位置100 mm附近會(huì)出現(xiàn)油相分布峰值區(qū)，而低雷諾數(shù)時(shí)無(wú)此峰值現(xiàn)象。這是因?yàn)樵谌肟诶字Z數(shù)較低時(shí)，彎管內(nèi)渦流區(qū)的渦流現(xiàn)象不明顯，未能對(duì)油相分布產(chǎn)生影響，在靠近管道頂部時(shí)油相密度較水小所以上浮，呈現(xiàn)出頂部油相含量增高的現(xiàn)象。同時(shí)可以看出隨著雷諾數(shù)的增大，兩個(gè)油相分布峰值逐漸升高，即渦流越大致使該區(qū)域內(nèi)油相含量越高。

圖6 不同雷諾數(shù)時(shí)豎直管內(nèi)油相分布曲線

圖7 不同雷諾數(shù)時(shí)豎直管內(nèi)砂相分布曲線

砂相隨雷諾數(shù)的分布情況如圖7所示，可以看出在豎直管段內(nèi)受渦流區(qū)的影響砂相分布存降低，因?yàn)樵跍u流區(qū)域內(nèi)油相為輕質(zhì)相匯聚到渦旋中心，而砂相密度較大在離心力的作用下運(yùn)移至邊壁處，致使該區(qū)域內(nèi)分布降低。

三、結(jié)論

(1)混合介質(zhì)在上游水平管內(nèi)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(qū)域速度較大。豎直管內(nèi)速度及濃度分布受渦流影響較大，同時(shí)下游水平管內(nèi)由于渦流作用與上游水平管內(nèi)速度場(chǎng)、壓力場(chǎng)及濃度場(chǎng)分布差異較大。

(2)渦流區(qū)主要分布在彎管圓弧過(guò)渡出口區(qū)域，渦流會(huì)導(dǎo)致局部高壓，同時(shí)擾亂介質(zhì)運(yùn)動(dòng)軌跡，不利于多相介質(zhì)混合同時(shí)會(huì)降低管道壽命。

(3)彎管內(nèi)雷諾數(shù)為5.83×104時(shí)，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(zhì)油相分布在上層，重質(zhì)砂相分布在下層。隨著雷諾數(shù)的增大(2.91×105～1.074×106)渦流強(qiáng)度逐漸增大，致使砂相向上運(yùn)動(dòng)油相向下運(yùn)動(dòng)。