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(huán)保與技術監(jiān)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(chǎn)生的渦街會使一部分區(qū)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(yè)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(chǎn),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(shù)與雷諾數(shù)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(shù)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(shù)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(shù)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(chǎn)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(wěn)定性的影響,通過改變區(qū)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(jù).

1 建模計算

研究某原油電脫水器絕緣棒參數(shù)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(qū)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(shù)學模型見圖1.將結構化網(wǎng)格和非結構化網(wǎng)格相結合,將計算區(qū)域劃分為兩個部分,如圖2所示.

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

圖2 計算區(qū)域網(wǎng)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(qū)域切面圖Fig.3 Section of computational area

2 數(shù)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(nèi),其迎流區(qū)流速為0.25 m/s左右,而在與來流成90°的兩側(cè)流速增大為0.75 m/s左右.絕緣棒后側(cè)的背流區(qū)速度幾乎為零,隨著流體的繼續(xù)流動,流速逐漸增大,最后趨于穩(wěn)定.綜上所述,與來流方向成90°夾角的圓柱上下兩側(cè)的主流區(qū)速度為最大值,而在漩渦區(qū)、圓柱的背流側(cè)和其后回流區(qū)的流速相對較低;同時可以觀察到圓柱的上下兩側(cè)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(xiàn)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(chǎn)生了分離,從而對圓柱體產(chǎn)生了持續(xù)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(chǎn)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(qū)域,壓強達到最大;在垂直來流的圓柱兩側(cè)以及背流區(qū)壓強最小;在絕緣棒后側(cè)壓強逐漸增大,最后達到穩(wěn)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(qū)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(nèi),背流區(qū)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(qū)域逐漸減少.當流體繞流后,柱體后部會產(chǎn)生對稱的環(huán)流運動區(qū)域,該處流線排列有序并呈封閉狀態(tài),從而使每組形成一個"駐渦".回流越多,產(chǎn)生二次分流的趨勢越明顯.當雷諾數(shù)達到一定值時,快速旋轉(zhuǎn)的漩渦在柱體后部區(qū)域出現(xiàn),導致柱面產(chǎn)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(zhì)點,其x向速度分布隨時間的變化逐步達到流態(tài)穩(wěn)定,其分布有一定的規(guī)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)在絕緣柱兩側(cè).

3 結論

通過對原油電脫水器絕緣棒三維圓柱繞流的數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn):①與來流方向成90°夾角的圓柱上下兩側(cè)的主流區(qū)速度為最大值,而在漩渦區(qū)、圓柱的背流側(cè)和其后回流區(qū)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(cè)及背流區(qū)壓強最小,柱后壓強逐漸增大,最后達到穩(wěn)定值;③背流區(qū)面積在一定流速范圍內(nèi),隨著流速的增大而逐漸減小;④雷諾數(shù)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(qū)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(jīng)濟流速下減緩圓柱繞流的卡門渦街現(xiàn)象,這與實際工業(yè)應用情況亦相符.