90°弯管内高黏原油水环流动特性的数值研究
吴君强1 蒋文明1 杜仕林2 刘 喆3
【摘 要】环状流输送稠油技术正受到越来越多的关注。在水环输送高黏原油的过程中,不可避免地会经过弯管等部件，在弯管中离心力的作用下核心油流靠近壁面,容易失稳。运用FLUENT软件,采用VOF模型针对90°弯管进行油水环状流的数值模拟研究,通过不同界面张力的对比研究其维稳特性。结果表明，界面张力对90°弯管中水环的稳定性有显著影响,在模拟条件下油水界面张力增大至0.25 N/m时对水环通过90°弯管的维稳效果最好。 【期刊名称】天然气与石油 【年(卷),期】2019(037)001 【总页数】6
【关键词】弯管;水环;稠油;数值模拟
基金项目：国家自然科学基金项目(51406240)；山东省自然科学基金项目(ZR 2014 EEQ 003)；中央高校基本科研业务费专项资金(18 CX 02082 A/17 CX 02064 A/14 CX 02211 A/12 CX 04070 A)；青岛市源头创新计划应用基础研究项目(17-1-1-88-jch)
0 前言
随着轻质石油的不断开采,油田已经进入稠油开采阶段。而使用稠油输送最主要的问题在于其黏度过高。稠油常用输送方法为加热、稀释和乳化等方法,但存在能耗高、建设成本高、油品品质变化大等问题[1]。因此,水环输送作为一种相对节能的方法应运而生。
Dove I J等人[2]在其专利中首次提出，在输送高黏液体时可以用水来润滑管道
壁面来减小摩擦。屠大燕等人[3]通过理论与实验,探究了水环同心输送过程中的流动参数特性,建立了水环输送高黏油的效率与摩阻之间的关系式。敬加强等人[4]进行了稠油流动边界层水基泡沫减阻模拟，发现边界层中的泡沫可以隔离水平管道中上部的油壁界面,而液膜可以润滑水平管道下部的油壁界面,不仅解决了水环输送稠油时的偏心问题,而且可以减少水环输送稠油时的耗水量。贺成才[5]针对宾汉流体偏心环状管流进行了数值模拟,通过计算得到了对工程应用有重要价值的流动规律。Bannwart A C[6]对水环流动的建模方面进行了研究，发现核心环状流要求两种液体互不相混,且要求两种液体黏度不同,密度相差很小,且界面张力在环形结构中起重要作用。Ghosh S等人[7]使用FLUENT模拟了180°弯管中润滑油和水的核心环状流，在给定的条件下,与水平和向下流相比,U形弯管的核心在向上流动中污染壁面较小。郭旭等人[8]运用CFD软件,分别对水环通过45°和90°弯管工况下的流场进行了模拟，分析确定采用水环输送技术时爬升相同的高度下应选择90°弯管来提高管线高程。JingFan等人[9]模拟油水两相流通过Π型管道,结果揭示了油水两相流的界面结构、两种流体分布、压力和速度分布信息，为优化操作和几何参数提供了参考依据。Park S M等人[10]采用VOF模型对90°弯管核心流和90°弯管单相流进行了比较，同时模拟了弯管中有无界面张力对核心流的影响。Ooms G等人[11]模拟了90°弯管中的偏心环状流,由于核心与环形界面处法向力达到平衡,偏心环状流在90°弯管中可能存在的。
一般而言,前人对水环的研究大多集中在水平直管或者立管上,而输送稠油过程中不可避免地会经过弯管部件,前人对水环通过弯管时的研究却较少。与直管内的水环流动相比,弯管中的流动更加复杂。由于离心力对弯管中流型的影响,很可能
导致水环通过弯管时油品偏心污染管壁。因此系统地研究水环通过弯管的稳定性具有实际意义。本文通过FLUENT软件，详细分析了90°弯管中不同界面张力对水环结构的影响，为水环通过弯管提供了理论参考依据。
1 模型的建立
由于要考虑离心力的影响,为了充分反映弯管内部流场的流动情况,研究采用三维模型，弯管结构见图1。本文选择坐标系为笛卡尔坐标系,x轴为轴向,y、z轴为径向，入口采用直流入射形式,油入口管道直径7.44 mm,水入口为环形入口,管道直径9.52 mm,其中管道的曲率半径28.56 mm,曲率比1/6,直管长度20 mm[12]。
模拟使用FLUENT软件求解器,采用瞬态模拟条件。模拟基于两种流体互不相溶的假设,液体性质恒定且液体通过直喷嘴同轴进入管道。 1.1 控制方程
常见的两相流计算模型有：VOF模型、Eulerian模型、Mixture模型[13]。由于高黏油和水是互不相溶的两种液体,并且两相界面的位置是判定水环稳定性的关键参数之一,因此选用VOF模型用于数值计算。 连续性方程如下: ·(ρU)=0 (1)
式中:ρ为流体密度,kg/m3;U为速度,m/s;t为时间,s。
在VOF模型算法中,FLUENT软件对于整个流场区域只求解一个动量方程,见式(2)。该动量方程的求解结果取决于每相流体的体积分数所决定的密度和黏度等参数。
90°弯管内高黏原油水环流动特性的数值研究
