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阀内油水环状流数值模拟

油水环状流(两相流)稠油运输是一种低能耗的高黏度石油管道运输方式,球阀是石油管道运输系统中的重要零部件,其开启过程对阀内环状流会产生影响。刘晔等利用流体软件FLUENT分析了球阀内部的漩涡流动及流量系数;Tabrizi等分析了不同开度下球阀内流动特征、压力降、漩涡等;王慧杰对球阀启闭动态特性进行了数值模拟与试验研究,揭示了球阀开启和关闭过程的压差和流阻特性随启闭时间的变化规律及其启闭过程的差异性;杨国强等对球阀内壁三维流场进行数值模拟仿真,探究了球阀开启过程的内部流场变化;王朝富等对强制密封的球阀内部流动进行分析及结构优化;朱锦霞等模拟分析了球阀内流阻因数和流量系数随球阀开度的变化关系;另外,赵莹等对阀内流动状况也进行了分析。以上研究对了解球阀内部复杂流动具有重要作用,但多数研究集中在单相流流动,很少涉及多相流在球阀内流动结构的分析。Jiang等研究了油水环状流在弯管内流动,江帆等研究了对阀门开启过程中阀门内变截面流道两相流动状况。虽然高黏度石油是非牛顿流体,但将之处理为牛顿流体也能得到合理的结果。通过对球阀内环状流状况进行数值模拟,探究开度变化对环状流流型及其流动参数的影响,为后续油水环状流在球阀开闭过程中的稳定性研究提供依据。

1 模型建立

油水环状流涉及两种不相容不可压缩的流体,故采用基于网格的流体体积函数(VolumeofFluid,VOF)进行模拟分析,各流体遵守质量守恒、动量守恒定律,湍流模型选择标准k-ε模型,油水之间的相互作用采用连续表面力(ContinuumSurfaceForce,CSF)模型。

1.1 控制方程

连续性方程:

(1)

其中:

式中:ρ表示流体密度,kg/m3;t表示时间,s;∇表示散度;表示流体速度,m/s;αq为q相的体积分数;ρq为第q相的密度,kg/m3

动量守恒方程:

    (2)

其中:

式中:p为静态压力,Pa;τ为指应力张量,Pa;g为重力加速度,m/s2为外部体积力,N;μ为流体黏度,Pa·s;μq为第q相的黏度,Pa·s;I为单位张量。

CSF表面张力模型:

    (3)

其中:

式中:Fσ为油水界面张力,可作为外部体积力代入式(2),N/m;σow为油水界面张力系数;ρo为油相的密度,kg/m3;αo为油相的体积分数,%;ρw为水相的密度,kg/m3;αw为水相的体积分数;κ为界面曲率;n为相体积分数的散度。

标准k-e湍流模型:

    (4)

    (5)

其中:

式中:k为湍动能,m2/s2;ε为耗散率,m2/s3;Gk为平均速度梯度引起的湍动能产生项,m2/s3;C1ε、C2ε、Cμ为常数,其值分别为1.44、1.92、0.09;σk为湍动能k湍流普朗特数,其值为1.0;σε为耗散率ε的湍流普朗特数,其值为1.3;xi为第i个坐标方向;xj为第j个坐标方向;μt为湍动黏度,Pa·s。

1.2 计算模型

球阀的流道直径为20mm,阀前长度为100mm,阀后长度为200mm,根据球阀的结构创建球阀内部流动区域的几何模型,整个模型由入口管道、阀芯及出口管道组成。球阀阀芯的开度从10%~80%,开度每增加10%建立一个几何模型。使用ANSYSWorkbench中的Mesh模块对模型进行网格划分,由于模型大部分属于规则的圆柱体,为了减少网格数量,加快求解速度,故网格采用六面体类型(图1)。检查网格最大扭曲度为0.71,最小正交质量为0.41,符合数值模拟计算要求。

图1 球阀流动区域的网格模型

为了了解环状流在管道系统阀门中的流动结构,考虑到计算难度,采用两相牛顿流体形成环状流,即由水形成外环、高黏度的油形成油核。物性参数:水的密度为998.2kg/m3,黏度为0.001003Pa·s;油的密度为960kg/m3,黏度为0.22Pa·s;水相与油相的表面张力为0.039N/m。设定边界条件:入流速度为入口(表1),压力为出口,其余均为壁面。开启标准k-ε湍流模型,流动方程求解方法选择SIMPLE算法,方程中各项的离散格式全部设置为二阶迎风格式,双精度求解。

表1 流体入流速度参数

2 试验验证与结果分析

2.1 试验

搭建了油水环状流流经球阀的试验平台(图2),对不同开度的几何模型进行了数值模拟分析,并考虑了3种入流速度,对比油水两相流量的试验结果与模拟结果(图3)。可以看出:模拟结果与试验结果比较接近,而且趋势一致,说明利用数值模拟方法能够分析油水两相流在球阀内的流动状况。

图2 油水环状流试验平台示意图

图3 不同阀门开度和入流速度下油水相流量的试验结果与模拟结果对比图
(图例:红色-模拟值,黑色-试验值)

2.2 环状流的流型演变

设定流体入流速度为v1,分析不同阀门开度对环状流流型的影响(图4,红色区域表示该区域全是油,蓝色区域表示全是水,其他颜色表示油水混合)。当阀门开度较小时,由于阀芯前后端的过流面积较小,两相流体加速流动,在阀内与阀后形成射流,产生漩涡,导致油水相互混合,环状流被破坏,随着阀门开度增加,油水环状流逐渐恢复稳定。

图4 流体在入流速度v1不同阀门开度下的流型图

设定阀门开度为30%,分析流体不同入流速度对环状流流型的影响(图6)。随着流体入流速度的增加,阀后计算区域的油相分布较集中,有利于环状流的稳定。

图5 流体在阀门开度30%不同入流速度下的流型图

2.3 油相体积分数的演变

设定流体入流速度为v1,在球阀油水环状流模型水平方向截取4个截面(图6),这4个截面分别为:截面I、截面II、截面III、截面IV,位置分别为:X=-60mm、X=-120mm、X=-180mm、X=-240mm。对这些截面的油相体积分数进行定量分析,得到不同开度下油相体积分数的变化(图7)。因为管道初始状态充满水,油相所占体积分数很小,而随着阀门的增大,油相体积分数增加明显。由于漩涡的作用流出阀门出口的油相产生回流,造成截面I和截面II位置油相聚集较多,而在截面III和截面IV位置聚集较少;当阀门开度达到47%以后,漩涡逐渐开始减弱,4个截面的油相含量逐渐稳定,油相体积分数趋近于0.53。

图6 球阀油水环状流模型截面位置示意图

图7 阀门开度对不同截面油相体积分数的影响

2.4 阀门前后两端压力差的演变

对阀门不同开度下阀门前后两端(阀前与阀后各1倍阀芯直径处)压力差的变化进行分析(图8),随阀门开度的增大阀门前后两端压力差减小,当阀门开度较小时(小于30%),压力差减小迅速,因为每增加10%的开度对应着流道面积成倍的增加。

图8 不同入流速度下阀门开度对阀门前后压力差的影响

2.5 粘附距离的演变

油水环状流中油相穿越水相而粘附在管道壁面上,造成油水环状流被破坏,输油阻力增加,因此研究粘壁现象成为考察油水环状流稳定性的一种重要因素。定义油相粘附到壁面的位置为粘壁点,而距阀芯最近的粘壁点到阀芯中心的距离为粘壁距离,对粘壁现象进行分析(图9)。粘壁距离在阀门开度为10%和20%时均为10mm,表明阀门小开度下,油相容易粘附到壁面,导致环状流失稳。随着阀门开度的增加粘壁距离逐渐加大,在阀门开度达到80%时,粘壁现象已经基本消失,只有偶尔的速度波动造成少量油相液滴粘附到壁面,而后又迅速被水冲刷掉。

图9 阀门开度对粘壁距离的影响

3 结论

基于VOF与CSF模型对油水环状流流经球阀的状况进行数值模拟,分析了阀门开度(流道截面)变化与入流速度对油水环状流结构、油相体积分数、阀门两端压力差以及油相粘壁距离的影响,得到大开度、较高的入流速度能够较好地维持油水环状流的稳定。建立油水环状流试验平台进行试验验证,所得试验结果与模拟结果比较接近,且趋势一致,为油水环状流稳定运输及入流参数的优化提供参考。

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