水膜研制超稠油流场分析论文
两种互不相容液体之间的密度相近,但粘度差别却非常大。输送高粘度液体时,使低粘度液体(如水)在管壁和高粘度核心流(如超稠油)之间形成环状润滑液膜,在一定的操作条件下,两种流体在管内形成同心液环,低粘度流体液膜靠近管壁,从而避免因超稠油与管壁直接接触而导致较高的压力损失[1]。Bensakhria等设计的水膜发生器,当稠油通过水平管段时,利用环形注射方式引进水流,而Hasson等设计的水膜发生器形状对称,可以在很大程度上限制管道壁面附近低粘度流体的流动区域,降低入口流体的湍流程度[2]。基于在辽河油田进行超稠油水膜面减阻技术中型试验(架空试验管道长度200m,规格57×3.5)的成功经验,借鉴国外水膜发生器的相关技术,开展新型高效水膜发生器的研究设计,研制产品即将应用于406×8实际运行管道中。
1结构设计
1.1水膜形成机理高压水流通过注水口射入后为湍流模式,各个方向速度均不稳定,不易形成稳定水膜。因此,在设计水膜发生器时,使高压水流入射后通过一个厚度为1的穿孔板再形成水膜,穿孔板均匀开孔,可以很好地控制入流速度;与水流入口垂直的板(穿孔板)上留有一定面积不开孔(图1),使高速水流直接射到未开孔的钢板上以控制水流动能。通过Fluent仿真软件对水膜发生器内部流场进行模拟,确定水膜发生器的合理长度和开孔直径。通过控制水流入口压力、速度,可以控制水膜发生器形成水膜的厚度。
1.2渗透筛管的选择将孔径为1mm的不锈钢穿孔板制作成圆柱形水膜面渗透筛管(图2,开孔率为15%),其作用是使垂直方向的水流均匀而平稳地注入输油管道,而水流通过筛管的渗透速度是水膜形成的关键因素。
2强度计算
根据水膜发生器的结构特点,以壳单元建立全模型,利用StructuralShellElastic4node63单元进行计算,设置其常数为10mm。由于水膜发生器筒体两端连接其它构件,近似认为两端可以保持圆形截面形状,为此约束环向位移;在两端约束轴向位移,向筒体内表面施加压力,压力值为10MPa。利用有限元软件ANSYS对水膜发生器进行应力分析,得到此时的应力云图(图3),可知筒体两端的连接过渡处内表面为危险面,其最大应力强度值为30.801MPa,远远小于X52管线钢的屈服极限值。以X52管线钢为材料的水膜发生器最大承受压力可达32.9MPa,当管道运行压力为6MPa时,可以保证安全运行。同时,根据ANSYS软件的模拟结果(图3),管壁开孔处(红色区域)应力集中,应进行加强处理[3-4]。
3内部流场分析
3.1数学模型运用Gambit建立三维模型并进行网格划分(图4)。由于水膜面形成后环绕在油心的周围,在壁面和油心之间形成薄膜,为了捕捉界面的流体力学数据,划分网格时使用边界层网格进行处理,同时增大环状区域的网格密度。性方程、动量方程、方程、方程。为了便于对控制方程进行分析,以及利用同一程序求解各控制方程,设通用变量,则各控制方程均可表示为:式中:各项自左向右依次为瞬态项、对流项、扩散项和源项,其中:为流体密度;u为速度矢量。对于特定方程,、、S具有特定的形式(表1,其中:ui为i方向的速度分量;为应力张量;p为静压;Si为包含了其它的模型相关源项,如多孔介质和自定义源项)。式中:为湍动能;t为时间;为耗散率;xi为i方向;xj为j方向;G为由平均速度梯度引起的'湍动能产生项;Gb为由浮力引起的湍动能产生项;YM为可压缩湍流中脉动扩张的贡献;C1、C2和C3为经验常数;、分别为与和对应的Prandtl数;S和S为用户定义的源项[5];t为湍流粘度;C为常数。水膜发生器的渗透筛管由厚度为0.001m的不锈钢穿孔板制成,使用Fluent对其进行运算处理时可以应用多孔介质模型。因不锈钢穿孔板很薄,建立模型时使用表面区域而不是单元区域,故形成的多孔介质一维化简模型被称为多孔跳跃,可用于模拟具有已知速度、压降特征的薄膜。多孔介质的动量方程具有附加的动量源项,其由两部分组成,即粘性损失项和惯性损失项:式中:为渗透率;C2为内部阻力因子;为液体粘度,Pa?s;vi为i方向的速度分量,m/s;vj为j方向的速度分量,m/s。通过多孔介质的液体为水,其粘度较低,穿孔板很薄,因此忽略粘性损失项,只考虑惯性损失项[6]。
3.2边界条件与初始条件水膜发生器在初始条件下充满水,流动从稠油入口开始。油和水两相液流均为速度入口,油流入口速度0.8m/s,水流入口速度1m/s。出口压力101325Pa,两液体的表面张力0.3N/m。考虑y方向重力因素,其值为-9.8m/s。超稠油密度为0.996kg/m3,粘度为2.5Pa?s。不锈钢穿孔板的开孔率为15%,假设水流通过穿孔板的压降是水头压力的0.5倍,可以通过下式计算惯性损失项中适当的C2值。p=0.5Klv215%式中:p为压降,Pa;Kl为压降损失因数;为流体密度,kg/m3;v215%为液体通过开孔率为15%穿孔板后的速度,m/s。在Fluent模型中,水流通过穿孔板的速度假定为100%开孔率下的速度,惯性损失系数必须转化为多孔区域的动压头损失[6],计算出在15%开孔率下,C2=25000。
3.3结果与分析采用非稳态模型对水膜发生器形成水膜的情况进行模拟,计算时间控制在3600s,并且结果已经收敛。观察水膜面的形成情况(图5a,红色代表油相,蓝色代表水相),在运行时间内油相体积分数图像变化基本保持稳定,油水混合区域出现锯齿波的主要原因是:在网格划分过程中使用了边界层网格,靠近壁面区域网格划分密集,而水膜发生器内部核心区域网格划分较为稀松。因此,含水率稍有变化,水相的体积分数图像变化幅度即非常明显,但依然可见壁面附近水膜面的稳定形成。由水流入口中心截面图(图5b)可知,因水流垂直注入到没有开孔的不锈钢板上,故油水界面清晰。在这里定义x=0.4m时为水膜发生器出口,x=0.6m时为该模型出口。由水膜发生器出口和模型出口的截面图(图5c、图5d)可知,水膜发生器出口处的水膜面厚度大于模型出口的水膜面厚度。对水膜发生器的内部速度场进行分析(图6a,油流入口速度为0.8m/s,对应浅黄色区域),水膜面形成以后,水流在水膜发生器及管道轴心位置的速度较大。水流入口速度为1m/s,垂直注入到没有开孔的不锈钢板上。水膜面渗透筛管外侧为水相区域,约在轴向x=0.14处筛网外侧的水流速度减小至趋于稳定。由此可以推断,在设计水膜发生器时,适当减小其轴向长度不会影响水膜面的稳定形成。筛管外环区域基本为浅绿色(图6b),表明水膜发生器设计8个入水口时得到的径向速度较为理想,筛管内侧由于超稠油的高粘性使边界层附近的速度梯度变化明显。根据水膜发生器出口和模型出口的速度梯度云图(图6c、图6d),水流速度在径向上逐渐变化,最高速度在管的中心位置,并沿径向逐渐减小,至壁面接近于0。
4结论
研究设计了一种水膜发生器,其使水流垂直入射至水平管道上,并在管道上套加渗透筛管,外管走水,内管走油。根据Fluent软件的模拟结果,可以适当减小水膜面渗透筛管的轴向长度,但需保留穿孔板上一定面积为不开孔区域,以保证在筛管外得到稳定的水流速度场。根据强度计算结果,使用材料为X52的管线钢制作水膜发生器完全可以满足实际运行工况条件的要求。根据ANSYS软件的模拟分析结果,水膜发生器外壁面开孔处应进行加强处理。综上分析,该水膜发生器可以应用于实际运行管道中,并能够获得稳定的环状水膜面。
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