楊月新 詹婷雯

摘 要：隨著航空煤油長距離輸送管道的不斷建設發(fā)展，管道可能出現(xiàn)的流動與積水問題也日益突出。本文采用計算流體力學（CFD）技術，利用Fluent軟件開展上傾角為30°、直徑508mm的管道在流速0.5-2.5m/s的條件下航空煤油-水兩相流動數(shù)值模擬。分析結果表明：當流速較低時，上傾段內(nèi)水相出現(xiàn)負流速，其回流作用將導致底部出現(xiàn)明顯積水;隨著流速的增大，管道底部的積水逐漸減少;當流速超過2.0m/s時，管底積水能被完全排出。

關鍵詞：流速;航煤管道;管底積水;數(shù)值模擬

一、引言

隨著機場數(shù)量和客貨吞吐量的持續(xù)增加，航空煤油的供應量逐年增大[1]，航空煤油長距離輸送管道也隨之不斷建設并發(fā)展。航煤管道由于水壓試驗必然導致管道在運行初期就存在一定量的積水，航煤中也存在溶解狀的微量水分[2]。由于油水存在明顯的密度差，在航煤管道輸送過程中可能產(chǎn)生底部積水等問題。

由于管道內(nèi)實際流動狀態(tài)無法直接觀察，因此，基于計算流體力學（Computational Fluid Dynamics，CFD）技術研究航煤管道的油水兩相流動特性[3]，分析航煤攜水能力，判斷可能產(chǎn)生的積水位置，為建立完善的航空煤油管道腐蝕風險預測提供依據(jù)。

二、幾何模型與數(shù)值模型

基于國內(nèi)外調(diào)研和現(xiàn)場航油實際運行工況[4]，本文的物理模型選用管徑D=508mm的管道。該模型由水平段、彎曲段和上傾段三部分組成，其中水平段長10m，上傾段長20m，彎曲段的曲率半徑r=5D，管道傾角為30°。

航空煤油攜水問題可以視為油水兩相流動，本文采用常用CFD求解軟件Fluent開展數(shù)值模擬。為獲得更快迭代速度與更高精度，通過借鑒國內(nèi)外兩相流數(shù)值模擬經(jīng)驗[5]，確定數(shù)值模擬的多相流模型采用VOF模型，湍流模型采用標準k-ε模型。入口設置為速度入口，出口設置為壓力出口，壁面采用標準壁面函數(shù)法。

介質(zhì)物性參數(shù)均采用溫度為20℃時的參數(shù)，航空煤油的密度為790.0kg/m3、運動粘度為1.60mm2/s，水的密度為998.5kg/m3、運動粘度為1.03mm2/s。

三、網(wǎng)格劃分與無關性驗證

利用ICEM CFD軟件對上述幾何模型進行網(wǎng)格劃分。使用結構化網(wǎng)格O-Block劃分方法以獲得高質(zhì)量網(wǎng)格，采用Determinant（2×2×2）和Angle兩個指標確保網(wǎng)格質(zhì)量。通過調(diào)節(jié)各段的節(jié)點數(shù)，初步擬定100萬-200萬（25萬為梯度）共計5種不用網(wǎng)格數(shù)量方案。利用5種不同網(wǎng)格數(shù)量開展管徑D=508mm、上傾角α=30°，流速V=1.0m/s，水油兩相比5%的航空煤油管道流動數(shù)值模擬，通過分析同一位置的速度分布發(fā)現(xiàn)，當網(wǎng)格數(shù)量超過150萬以后，截面速度分布計算結果基本一致，可認為計算結果網(wǎng)格無關。因此確定150萬網(wǎng)格作為本文的數(shù)值模擬模型方案。

四、模擬結果

本文采用Fluent軟件開展管徑D=508mm、傾角α=30°、流速V=0.5-2.5m/s、水油兩相比5%的條件下管道中航空煤油-水兩相流動數(shù)值模擬，計算結果如圖1所示。

隨著模擬時間的增加，管道底部的積水情況截然不同。當流速較低（V=0.5m/s）時，積水明顯聚集在管道的水平段;隨著流速的增加（V=0.8-1.5m/s），管道內(nèi)航煤-水的兩相流動狀態(tài)呈典型的波狀流流動，此時由于積水受到的重力分量較大，航煤的動能不足以完全克服流動阻力，大部分積水由于重力作用出現(xiàn)回流并在管道傾斜段和彎管段循環(huán)流動，因此積水難以被攜帶出管道;隨著流速的進一步增加（V=2.0m/s），流體的動能增加，管道內(nèi)的積水幾乎都能被航空煤油攜帶出去，僅能在傾斜段觀測到極少量水團;當流速較大（V=2.5m/s）時，積水能被航煤完全攜帶出管道。

五、結論

航空煤油長距離輸送管道嚴重積水位置大多發(fā)生在管道低洼點的中下部?；贑FD方法采用Fluent軟件能較好的開展航煤管道積水分析，模擬結果表明：水相由于密度大，所受的重力分量大，當流速較低時流體動能無法完全克服流動阻力，進而出現(xiàn)負速度并導致流回管底，即上傾段內(nèi)水相的回流作用將導致明顯的管內(nèi)積水。在航空煤油管道管徑D=508mm、上傾角α=30°、水油兩相比5%的工況下，管底積水的臨界流速為2.0m/s。即當管道流速低于2.0m/s時，航空煤油的長距離輸送管道的底部將發(fā)生比較明顯的積水現(xiàn)象。由于航空煤油管道運輸過程中的經(jīng)濟流速大多為1.0-2.0m/s，因此較容易發(fā)生積水現(xiàn)象，此時可以通過提高管道流速的方式排除管底積水。

參考文獻：

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