吳君強(qiáng) 蔣文明 楊娜 張倩 杜仕林 劉楊 陳義美 來興宇

1山東省油氣儲(chǔ)運(yùn)安全省級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

2中國石油大學(xué)（華東）儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院

3長慶油田公司生產(chǎn)運(yùn)行處

4中國石油管道局工程有限公司

目前，人們對(duì)于稠油的需求越來越高，而稠油由于其黏度過高，傳統(tǒng)的輸送稠油方法（主要有加熱、稀釋和乳化）均存在一些問題[1]。而水環(huán)輸送不僅可以節(jié)約能量，還可以減少原油對(duì)管壁的污染，因此水環(huán)輸送稠油正受到越來越多的關(guān)注。

國內(nèi)外對(duì)水環(huán)輸送高黏原油的研究最早可以追溯到20 世紀(jì)初，DOVE 等[2]最初提出可以使用特殊的油水混合裝置形成水環(huán)輸送原油。屠大燕等[3]通過對(duì)水環(huán)同心流動(dòng)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)由于管壁附近的高剪切區(qū)被低黏相的水所占據(jù)，因而流動(dòng)時(shí)摩阻能大幅度下降，甚至可能實(shí)現(xiàn)管道輸送接近凝固點(diǎn)的原油。馬祥琯[4]對(duì)水環(huán)輸送的效益、水環(huán)液體的選擇、水環(huán)流量比的選擇三個(gè)方面進(jìn)行了研究，認(rèn)為水環(huán)輸送的經(jīng)濟(jì)效益主要取決于流量增加比和能耗降低比。并且層流水環(huán)流量增加比遠(yuǎn)高于湍流水環(huán)，因此水環(huán)輸送對(duì)高黏液體、低雷諾數(shù)流動(dòng)狀態(tài)效果最好。劉天佑[5]進(jìn)行了黏稠油偏心水環(huán)輸送的研究，且導(dǎo)出了偏心率的計(jì)算公式。該研究不僅給出了適用于任意厚度的層流水環(huán)流態(tài)判據(jù)，同時(shí)又得到了光滑區(qū)湍流水環(huán)流態(tài)判據(jù)和層流核心流態(tài)判據(jù)。JIANG 等[6]為獲得水環(huán)在Π 型管道中的流動(dòng)特性，運(yùn)用VOF 方法對(duì)油水兩相流進(jìn)行了模擬。國外學(xué)者BANNWART[7]對(duì)水環(huán)在水平、豎直、傾斜管中均有研究，通過研究發(fā)現(xiàn)，界面張力在油水環(huán)狀流中起著重要的作用。GHOSH 等[8]對(duì)水環(huán)通過水平、向上和向下的U形管進(jìn)行了研究，在研究條件下，U 形管在向上流動(dòng)的過程中最不容易污染壁面。PARK 等[9]對(duì)彎管中的油水兩相流和單相流進(jìn)行了比較，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，二次流對(duì)水環(huán)通過彎管影響顯著。

由于在輸送稠油的過程中不可避免地經(jīng)過彎管，且水環(huán)通過彎管時(shí)流動(dòng)參數(shù)對(duì)其影響較大，而前人對(duì)此研究又較少，因此系統(tǒng)地研究流動(dòng)參數(shù)對(duì)水環(huán)通過彎管時(shí)的穩(wěn)定性具有實(shí)際意義。本文通過FLUENT詳細(xì)分析了90°彎管中不同流速、不同密度比和不同黏度比對(duì)水環(huán)結(jié)構(gòu)的影響，可為將來水環(huán)的現(xiàn)場應(yīng)用提供理論參考。

1 模型的建立

為了充分反映水環(huán)在彎管中軸向和切向的流動(dòng)情況，采用三維模型對(duì)彎管建模分析。圖1為彎管結(jié)構(gòu)示意圖，油相沿管道中心射入，水相沿環(huán)形區(qū)域射入[10]。

彎管的幾何尺寸為：管道直徑9.52 mm，進(jìn)油口直徑7.48 mm，管道的曲率半徑28.56 mm，曲率比1/6，直管段長度20 mm。

1.1 控制方程

假設(shè)油水互不相溶，為了捕捉油水界面的位置，選擇FLUENT求解器中的VOF模型對(duì)水環(huán)在彎管中的流動(dòng)進(jìn)行模擬[11-12]。模擬涉及到的公式如下：

連續(xù)性方程

式中：ρ為密度，kg/m3；U為速度，m/s；t為時(shí)間，s。

圖1 彎管結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structural diagram of elbow

動(dòng)量方程

式中：p為流場中的壓力，Pa；g為重力加速度，m/s2；F為作用于系統(tǒng)的力，kg/(m2·s)；μ為流體的黏度，Pa·s。

標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型的基本運(yùn)輸方程為[13-14]

式中：kt為湍流動(dòng)能，m2/s3；εt為耗散速率，m2/s3；μt為渦流黏度，Pa·s。

1.2 模型驗(yàn)證

為驗(yàn)證模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，與Ghosh論文的結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證[15]。采用與GHOSH S 模型中相同的參數(shù)，觀測段長480 mm，直徑12 mm，油相進(jìn)口直徑8 mm，油水速度分別為0.53 m/s和0.3 m/s，油水黏度分別為0.2 Pa·s 和0.001 Pa·s，油水密度分別為960kg/m3和1000kg/m3，模擬條件下的重力加速度g=-9.8m/s2。采用本文的數(shù)值模擬方法對(duì)其模型進(jìn)行計(jì)算，實(shí)驗(yàn)與模擬結(jié)果對(duì)比如圖2和圖3所示。

由圖2 和圖3 可見，采用本文的數(shù)值計(jì)算方法與Ghosh S 模型結(jié)果基本一致，油水分布與文獻(xiàn)中相同，壓力變化趨勢(shì)一致，誤差在20%以內(nèi)。說明本文的計(jì)算結(jié)果可靠，可以用于模擬水環(huán)在管道中的流動(dòng)。

圖2 稠油體積分?jǐn)?shù)云圖Fig.2 Cloud chart of heavy oil volume fraction

圖3 模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比Fig.3 Comparison between simulation results and experiment data

2 數(shù)值模擬

2.1 參數(shù)設(shè)置

研究條件下初始時(shí)刻油水入口采用速度進(jìn)口邊界條件（vo=vw=0.3 m/s），出口為壓力出口（p=0.1 MPa），壁面為無滑移邊界條件。油水性質(zhì)如表1所示。

2.2 網(wǎng)格獨(dú)立性檢驗(yàn)

為了較全面地獲得彎管內(nèi)部的流動(dòng)情況，采用三維非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格數(shù)目分別為3 219 433、3 461 662、4 527 931。如圖4 所示，為使油水界面清晰，并同時(shí)滿足網(wǎng)格獨(dú)立性要求，最終網(wǎng)格數(shù)目選擇為3 461 662。

表1 油水物性Tab.1 Oil and water properties

圖4 模擬結(jié)果對(duì)比Fig.4 Comparison of simulation results

3 結(jié)果與討論

水環(huán)在彎管中流動(dòng)時(shí)并不能一直保持穩(wěn)定流動(dòng)，與水平管中不同，水環(huán)在彎管中流動(dòng)時(shí)不僅受到浮力的影響，離心力對(duì)其穩(wěn)定性影響也不可忽略。如圖5所示，隨著彎曲角度的增加，水環(huán)核心逐漸向管壁一側(cè)偏移，并且彎曲角度越大，偏移越明顯。因此，研究流動(dòng)參數(shù)對(duì)水環(huán)在彎管中的影響具有一定的現(xiàn)實(shí)作用。

3.1 流速對(duì)彎管水環(huán)的影響

為研究彎管中流速對(duì)水環(huán)流場的影響，保持表面張力為0.2 N/m不變，出口壓力為0.1 MPa，忽略重力的影響，分別設(shè)置流速為0.3、0.6、0.9 m/s，分析流速對(duì)彎管中水環(huán)的影響規(guī)律。

從圖6 和圖7 可知，隨著流速的增加，核心油流向管道外側(cè)偏移程度增加。當(dāng)流速為0.3 m/s時(shí)，隨著彎管偏轉(zhuǎn)角度的增加，彎管內(nèi)部的核心油流仍保持在管道中心，向管壁偏轉(zhuǎn)的程度較小。當(dāng)流速為0.9 m/s 時(shí)，隨著彎管偏轉(zhuǎn)角度的增加，彎管內(nèi)部的核心油流向管壁偏移的程度較大，且核心油流的形狀在水層的擠壓下變形，經(jīng)過彎管后核心油流保持向管壁一側(cè)偏移的狀態(tài)向前流動(dòng)。其原因在于流速增大導(dǎo)致水環(huán)經(jīng)過彎管帶來的離心力增大，水和油的密度差導(dǎo)致彎管帶來的離心力大小不同，進(jìn)而發(fā)生核心油流偏移的現(xiàn)象。

圖5 稠油體積分?jǐn)?shù)在彎管中的分布Fig.5 Neavy oil volume fraction distribution in the elbow

圖6 不同流速下水環(huán)在管道中的油水體積分?jǐn)?shù)分布Fig.6 Oil and water volume fraction distribution of water ring oil in the pipeline under different flow rate

圖7 不同流速下水環(huán)在管道內(nèi)的五個(gè)模型截面位置處油水體積分?jǐn)?shù)分布Fig.7 Oil and water volume fraction distribution of five model section in the pipeline under different flow rate

3.1.1 界面油水體積分?jǐn)?shù)分布

圖8為入口流速為0.9 m/s時(shí)彎管不同截面處的油相體積分?jǐn)?shù)分布曲線，從圖8 中可以看出，當(dāng)θ=0時(shí)，油芯主要聚集在管道的中心，隨著彎管角度的增大，水環(huán)向彎管外側(cè)偏心的幅度增大。在離心力的作用下，油相逐漸靠近彎管外側(cè)管壁。

3.1.2 界面速度分布

入口流速為0.9 m/s 時(shí)彎管不同截面處的軸向速度分布曲線如圖9所示。當(dāng)θ=0時(shí)，在油芯偏心比為-0.7～0.7區(qū)域，中心油速基本保持不變，環(huán)形水層區(qū)域速度梯度很大，剪切強(qiáng)烈。而隨著彎管角度增大，彎管外側(cè)速度梯度增大，剪切區(qū)域變小，內(nèi)側(cè)速度梯度減小，剪切區(qū)域變大。這說明在0.9 m/s流速的條件下，隨著彎管角度的增大，由于離心力的作用增大導(dǎo)致核心受到擠壓偏心嚴(yán)重，最終導(dǎo)致水膜失穩(wěn)。

圖8 入口流速為0.9 m/s時(shí)彎管中各截面的油相體積分?jǐn)?shù)分布Fig.8 Oil phase volume fraction distribution of each section in the elbow with the inlet flow rate of 0.9 m/s

圖9 流速為0.9 m/s時(shí)水環(huán)在彎管不同位置處的軸向速度分布Fig.9 Axial velocity profile of water ring at different locations of elbow with the flow rate of 0.9 m/s

3.1.3 界面壓力分布

入口流速為0.9 m/s 時(shí)彎管不同截面的壓力分布如圖10 所示。從圖10 可以看出，彎管截面壓力分布呈現(xiàn)為水層區(qū)彎管外側(cè)壓力高、內(nèi)側(cè)壓力低，油芯壓力高于水層壓力。

3.2 密度對(duì)彎管水環(huán)的影響

圖11 為入口流速為0.3 m/s、表面張力為0.15 N/m時(shí)，不同油品密度下水環(huán)在彎管內(nèi)部的油水體積分?jǐn)?shù)云圖，圖12 為彎管在不同油品密度下、不同界面位置處的油水體積分布相圖。

從圖中可以看出，彎管內(nèi)部核心油流的偏移程度隨著油水密度比的減小而增大。油的密度越小，核心油流越向上偏移，當(dāng)油品的密度為700 kg/m3時(shí)，經(jīng)過彎管所帶來的離心力已經(jīng)不是導(dǎo)致水膜失穩(wěn)的主要因素。原因是隨著油品密度的降低，彎管離心力減小，油芯在離心力作用下向管壁外側(cè)偏移程度減小，而此時(shí)水油密度差較大，導(dǎo)致核心油流在水膜中所受的浮力增大，油芯上浮靠近上壁面。雖然此時(shí)彎管內(nèi)部油芯同時(shí)受到浮力和離心力作用，但此時(shí)浮力占主導(dǎo)因素。

圖10 入口流速為0.9 m/s時(shí)彎管不同截面處的壓力分布Fig.10 Pressure distribution at different sections of elbow with the inlet flow rate of 0.9 m/s

圖11 不同油品密度下水環(huán)在管道中的油水體積分?jǐn)?shù)切向分布Fig.11 Tangential distribution of the oil and water volume fraction in the pipeline with different oil density

圖12 不同油品密度下水環(huán)在管道內(nèi)的5個(gè)橫截面位置處油水體積分?jǐn)?shù)分布Fig.12 Oil and water colume fraction distribution of five section in the pipeline with diferent oil density

3.2.1 界面油水體積分?jǐn)?shù)分布

圖13 為油相密度為700 kg/m3時(shí)彎管不同截面處的油相體積分?jǐn)?shù)分布曲線，從圖中可以看出，當(dāng)θ=0時(shí)，油芯主要聚集在管道的中心，具有輕微的向上偏移的趨勢(shì)，隨著彎管角度的增大，水環(huán)向上偏心的幅度增大。在浮力的作用下，油相逐漸上浮靠近上側(cè)管壁。

圖13 油相密度為700 kg/m3時(shí)彎管中各截面的油相體積分?jǐn)?shù)分布Fig.13 Oil phase volume fraction distribution of each section in elbow with oil phase density of 700 kg/m3

3.2.2 界面速度分布

油水密度比為0.7 時(shí)彎管不同截面的軸向速度分布如圖14 所示，在此條件下軸向速度基本不隨彎管截面角度變化而變化。當(dāng)θ=0 時(shí)，在油芯偏流比-1～-0.5 區(qū)域，中心環(huán)狀流流速逐漸由0 增加到0.38 m/s；在油芯偏流經(jīng)-0.5～0.75 的區(qū)域，中心環(huán)狀流流速基本持平，保持在0.38 m/s。在油芯偏流比0.75～1 區(qū)域，速度由0.38 m/s 驟降到0。這說明，核心油流區(qū)流速基本保持不變，水層區(qū)速度梯度很大，剪切主要發(fā)生在水層區(qū)。且在油芯偏流比0.75～1區(qū)域剪切最強(qiáng)烈，剪切區(qū)厚度較小，這說明彎管上側(cè)的水膜在浮力的作用下受到核心油流的擠壓而變形，管道上側(cè)水膜厚度變小，管道下側(cè)的水膜厚度變大。

圖14 油水密度比為0.7時(shí)水環(huán)在彎管不同位置處的軸向速度分布Fig.14 Axial velocity distribution of water ring at different locations of elbow with the oil-water density ration of 0.7

3.2.3 界面壓力分布

油水密度比為0.7 時(shí)，彎管不同截面的壓力分布如圖15 所示。從圖中可以看出，彎管截面壓力分布呈現(xiàn)為水層區(qū)彎管外側(cè)壓力高、內(nèi)側(cè)壓力低，油芯壓力高、水層壓力低。

圖15 油水密度比為0.7時(shí)彎管不同截面處的壓力分布Fig.15 Pressure distribution at different sections of elbow with the oil-water density ratio of 0.7

3.3 黏度對(duì)彎管水環(huán)的影響

當(dāng)入口流速為0.3 m/s 且表面張力為0.2 N/m、油品密度為900 kg/m3時(shí)，水相黏度保持0.001 Pa·s不變，通過改變油品黏度改變兩相黏度比，水環(huán)在不同黏度比下的油水體積分?jǐn)?shù)如圖16 和圖17 所示。當(dāng)黏度比為200∶1 時(shí)彎管外側(cè)的水膜在離心力的作用下受到核心油流的擠壓而變形，同時(shí)彎管上側(cè)的水膜在浮力的作用下受到核心油流的擠壓而變形，管道上側(cè)水膜厚度變小，管道下側(cè)的水膜厚度變大。黏度比增大或減小，水膜在管道中的油水體積分布基本無變化，油品黏度在一定范圍內(nèi)對(duì)水膜的穩(wěn)定性未產(chǎn)生明顯影響。

圖16 不同黏度比下水環(huán)在管道中的油水體積分?jǐn)?shù)切向分布Fig.16 Oil and water volume fraction tangential distribution in the pipeline with different viscosity

圖17 不同黏度比下水環(huán)在管道5個(gè)模型橫截面位置處油水體積分?jǐn)?shù)分布Fig.17 Oil and water volume fraction distribution of water ring at five model section locations of pipeline with defferent viscosity

4 結(jié)論

借助FLUENT 軟件研究了不同工況下水環(huán)在90°彎管中的流動(dòng)情況，得出以下結(jié)論：

（1）流速過大時(shí)，由于離心力的作用增大，核心油流向彎管外側(cè)偏移嚴(yán)重，在討論條件下當(dāng)流速為0.3 m/s時(shí)，水環(huán)的穩(wěn)定性最好。

（2）油水密度比較小時(shí)，由于浮力作用增大，核心油流向彎管上側(cè)偏心嚴(yán)重，在討論條件下當(dāng)油水密度比為0.9時(shí)，水環(huán)的穩(wěn)定性最好。

（3）油品的黏度對(duì)彎管中水環(huán)的穩(wěn)定性影響較小，在一定范圍內(nèi)，油品黏度增大或減小，水環(huán)在管道中的油水體積分布基本不變。