彎管內部油水兩項流的數值模擬

閆明龍, 聶 晶, 劉勇峰, 劉林遠, 孫辰琛

（中國石油集團工程設計有限責任公司西南分公司，四川 成都 610041）

彎管內部油水兩項流的數值模擬

閆明龍, 聶 晶, 劉勇峰, 劉林遠, 孫辰琛

（中國石油集團工程設計有限責任公司西南分公司，四川 成都 610041）

在油井出油管道以及石化生產中，油水兩項流是非常常見的現象。為了減少能耗、便于制訂防腐措施，利用GAMBIT軟件建模以及FLUENT軟件的可實現 模型對彎管中油水兩項流的壓力場和速度場進行模擬。結果表明，管內入口直管壓力呈逐階減小趨勢；彎管內壁出形成低壓區且又內向外逐漸增大；而速度分布正好與壓力分布規律相反，恰好與自由渦流理論的模型相符。且通過對油水兩項所占體積分數分別為30%、50%、80%三種情況的模擬得出，由于水密度大于油的原因，隨著油相體積分數的下降，管內整體壓強減小，整體速度增大。

彎管；數值模擬；流動；油水兩項流；FLUENT

在油田開發的中后期,為了提高采收率,人們常用注水的方法增加產量。而且隨著生產液中含水量的上升,從油井地面上的出油管道以致地層中的巖石空隙到均會產生油水兩相流動且在石化生產中非常普遍所以 研究油水兩相流在集輸管道中的流動規律對于減少能耗、制訂防腐措施方面具有積極的意義。20世紀初,Charles 等[1]發現在原油中摻入 40%～60%的水后,其在管道中流動的沿程摩阻可降低 90%。Brauner等[2]指出了油水兩相流不同流型間的轉變機理,提出了各流型的摩擦壓降預測模型。我國對于兩相流的研究起步比較晚,陳杰[3]、蔡繼勇[4]、吳鐵軍[5]等通過試驗研究,對油水兩相流的流型和轉換規律進行了分析與探討。最近幾年,國內外一些學者用流動模擬和數值分析的方法研究油水兩項流方面有所進展[6,7],且目前已逐漸成為油水兩相流研究的主要手段。

本文利用FLUENT軟件對油水兩相流在彎管內的流動情況進行模擬[8], 采用k-ε可實現模型。

1 研究模型

1.1 物理模型

選取某輸油管道的一彎管管徑。直徑800 mm，彎徑比為2.4，彎管前后各為6 m。GAMBIT建模選Interview size為0.1運用Hex/Wedge單元與Cooper方法對模型進行的劃分。三維網格模型如圖1。

圖1 三維模型Fig.1 Three-dimensional model

1.2 控制方程

流體力學連續性方程

式中: ux、uy、uz分別為x、y、z三個方向的速度分量m/s; t為時間; ρ為密度,kg/m3。

動量方程的本質是牛頓第二定律。依據這一定律，可導出x、y、z三個方向的動量方程如下：

本模型在FLUENT中定義為可實現k-ε型。

2 數值結果與分析

1) 使用FLUENT求解器進行計算。其壓力云圖和速度云圖分別為圖2，圖3所示。

圖2 彎管內壓力圖（油相占80%）Fig.2 Diagram of pipe inner pressure (oil phase 80%)

（1）因為流體具有粘性, 所以在流體流經管道拐角后就會產成旋轉,形成漩渦,產生較大的管內流體阻力, 從而帶來能量的損[9]失, 降低能量的利用率，所以彎管壓力由入口端到出口處總體上呈逐漸減小狀。

（2）當到達彎管內側時出現低壓帶，彎管外側出現高壓帶，并在此段呈現由內避面向外壁面逐漸增大的趨勢。而且此結果與速度分布正好相反，彎管內壁處壓強最小的地方，速度越大。

（3）在出口直管處壓力成梯狀分布，而速度在Y方向分層比較明顯且速度分布在出口直管由內向外逐漸增大。由于流體離心力作用和彎管處離心力作用產生的二次漩流效應，所以在流體流經彎管時改變速度方向和大小。

圖3 彎管內速度分布圖（油相占80%）Fig.3 Diagram of velocity distribution of pipe inside (oil phase 80%)

2)以下分別對油相占總體積分數的80%，50%，30%的壓力云圖（圖4）進行比較。

圖4 彎管內壓力云圖Fig.4 Diagram of pipe inner pressure

（1）管內壓力場還是由進口至出口壓力呈逐漸降低趨勢。但隨著油相比例減少，管內整體壓強增大。這是因為管內流體的粘度與密度的變化而變化。

（2）在不同油相體積分數下彎管處內壁面仍呈現低壓帶，但隨著油相比例的減少低壓帶面積明顯縮小。

3)對80%、50%、30%三種油相速度云圖（圖5）進行比較。

圖5 彎管內速度云圖Fig.5 Diagram of velocity of pipe inside

（1）模型彎管處由內至外速度由大變小，出口直管速度由內壁面至外壁面由小變大。

（2）隨著油相的減少管內整體速度減小。這是因為水的密度為1.0 g/cm3，油的密度分為兩種：1.難揮發油一般在0.89～0.93 g/cm3之間；2.易揮發油密度多在0.73～0.85 g/cm3之間，所以無論怎樣水的密度大于油。所以在入口壓力一定的情況下，隨著水相比例的增加管內流體速度減小。

3 結 論

（1）采用FLUENT中的 可實現模型對彎管兩項流的計算結果與理論結果基本吻合。計算得出隨著油相比例減少，管內整體壓強增大。且隨著油相比例的減少彎管處內壁低壓帶面積逐漸縮小。

（2）彎管內壓力分布規律為，在彎管處壓力隨內壁面至外壁面逐漸增大，在整個管內呈逐漸減小，而速度分布正好與壓力分布規律相反。這一特征也恰好與自由渦流理論的模型相符。

（3）由于水的密度大于油，所以在同等壓力入口的情況下，隨著水相比例的增加管內流體整體速度減小。

［1］Charles M E.Water layer speeds heavy crude flow[J].Oil and Gas J ournal,1961,8(4):68-70.

［2］Bruaner N,RovinskyJ,Moalem Maron.Determination of the interface c urvature in strati-fied two phase systems by energryconsiderations [J].Int.JMulti-phaseFlow,1996,22(6):16-17.

［3］陳杰, 馮傳令, 蔡一全, 等. 油水兩相分層流動的壓降研究[J]. 油氣儲運, 2001, 20 (9) : 37-40.

［4］蔡繼勇, 陳聽寬, 湯為, 等. 水平管內油水乳狀液流動特性研究[J].化學工程, 1999，27(3): 33-35.

［5］吳鐵軍. 水平管內油水兩相流動特性研究[D]. 西安交通大學, 200 1，08: 22-24.

［6］Biberg D, Halvorsen G.Wall and interfacial shear st ress inpressur e driven two phase laminar stratified pipe flow[J].Int.J.MultiphaseFl ow, 2000, 26(10): 16-17.

［7］劉文紅, 郭烈錦, 張西民, 等. 水平管油水兩相流摩擦阻力特性試驗研究[J] . 工程熱物理學報, 2005, 26 (1) :80-83.

［8］金俊卿，鄭云萍。FLUENT軟件在油氣儲運工程領域中的應用[J].天然氣與石油,2013(02):48-50.

［9］談文虎，趙朝文，文代龍, 等. 鍛制彎頭內部流場分析[J]. 天然氣與石油, 2013(04): 88-91.

Numerical Simulation of Oil-water Two-phase Flow in Elbow

YAN Ming-long, NIE Jing, LIU Yong-feng, LIU Lin-yuan, SUN Chen-chen
（PetroChina CPE Southwest Branch, Sichuan Chengdu 610041，China）

The oil-water two-phase flow is very common in oil pipe of well and petrochemical industry. In order to decrease energy consumption and formulate anticorrosive measures, GAMBIT software was used to establish the model, and pressure field and velocity field of oil-water two-phase flow in elbow were simulated by FLUENT software. The results show that the straight tube inlet pressure reduces gradually; low-pressure area is formed at inside wall of the elbow and it increases from inside to outside; distribution laws of the velocity and pressure is just opposite, just conform to the free vortex theory model. The results simulated under three cases of oil-water volume fraction of 30%, 50% and 80% show that, due to the density of water is higher than oil, as the oil phase volume fraction declines, the overall pressure in tube reduces, the overall speed increases.

Elbow; Numerical simulation; Flow; Oil-water two-phase flow; FLUENT

TQ 018

A

1671-0460（2014）12-2724-03

2014-05-05

閆明龍（1987-），男，遼寧撫順人，助理工程師，碩士，2012畢業于遼寧石油化工大學油氣儲運專業，研究方向：天然氣管道儲藏與運輸。E-mail：334850346@qq.com。