大小头管内流场数值模拟

刘 俊，陈彰兵，李朝阳

(中国石油集团工程设计有限责任公司 西南分公司，四川 成都610041)

0 前言

天然气采取管道运输，具有受外界影响小、安全密封、稳定运行等优点［1－2］。持续的经济发展和环保要求使天然气等清洁能源的需求逐年上升，因此天然气管道事业获得了快速的发展［3－4］。据统计我国现有管道经多年的冲刷以及内外腐蚀后，在关键部位如大小头处存在一定的安全隐患，严重影响了输油管道的安全运行［5－9］。

由腐蚀等原因引起管道泄漏，不仅造成大量能源的流失还造成了严重的环境污染，对社会安全和生态环境构成潜在危害［10－11］。本文利用CFD软件，得到了大小头管内流场、压力分布云图，为大小头内防腐及管道安全运行和维修提供了一定的理论依据。

1 研究问题及模型

本文选取某输气管道大头段长3 m管径100 mm，小头段长5 m管径150 mm，过度段长0.2 m。天然气流速10 m/s，含水率10%。采用三维模型，重力沿X轴负方向，大小头物理模型如图1。利用分区划分技术对模拟区域进行四面体和六面体网格划分，所得网格图如图2所示。

图1 物理模型

图2 网格划分

2 控制方程

由于天然气中的水分分布范围较窄，为了获得较为准确的数据，选用欧拉模型。

体积分数方程

式中 αq——第q相的体积分数;

ρq——第q相的物理密度。

质量守恒方程

式中vq——第q相的速度;

式中 μq和λq——第q相的剪切和体积粘度;

p——所有相之间共享的压力;

连续方程

3 模拟结果与分析

由于采用三维管道试图，内部流体流动情况不易区分，本文沿垂直于X轴截取X=0，X=±0.04，X=±0.08五个截面。分别获得各个截面流场情况，然后进行对比分析。

3.1 速度分布

图3为各截面速度分布图。由Y=0截面可知，速度等值线在进口段分布较稀疏，速度为20 m/s;在变径处存在环状速度分布线，速度由20 m/s增加到40 m/s;气体通过变径段进入小管后，速度增加，靠近管壁速度由55 m/s降低至35 m/s。

图3 各切面速度分布图

对比Y=0.08、Y=－0.08与Y=0.04、Y=－0.04两个截面速度几乎没有什么变化，由此可知对称位置速度变化不大。

对比Y=0、Y=0.04、Y=0.08可知截面位置越靠上速度变化越大，同一速度等值线向内收缩。

3.2 水相分布

图4为各截面水相分布云图。对比Y=0.08、Y=－0.08与Y=0.04、Y=－0.04可知同一对称面含水量几乎相同。对比Y=0、Y=0.04、Y=0.08含水量在小管段靠近壁面先减小后增大。

图4 水相分布图

3.3 剪切应力

由于流体在均匀管道内流动剪切应力变化不大，而在变径处有较大变化，本文仅研究变径处壁面剪切应力变化。

图5给出了变径处壁面剪切应力分布云图。由图可知大管段入口处近似不存在剪切应力;在变径处剪切应力等值线变密，呈逐渐增大趋势;小管段入口处逐渐变大，而后有减小的趋势。

图5 变径处壁面剪切应力分布

3.4 速度矢量

由于管道内具有流体流动较规则，在研究速度矢量时，仅给出Y=0截面的局部速度。

由图6可知，变径处速度逐渐增加，再与小管接口对管壁冲蚀作用较大。为降低由于冲刷腐蚀对管道安全的危害，需要在变径处采用耐腐蚀钢材或适当增加壁厚。

图6 速度矢量分布图

4 结论与建议

(1)速度等值线在进口段分布较稀疏，对称位置速度变化不大，截面位置越靠上速度变化越大，同一速度等值线向内收缩。

(2)同一对称面含水量几乎相同，含水量在小管段靠近壁面先减小后增大。

(3)大管段入口处近似不存在剪切应力;变径处剪切应力等值线变密，呈逐渐增大趋势;小管段入口处逐渐变大，而后有减小的趋势。

(4)变径处流体冲刷作用较大，需采用耐腐蚀钢材或适当增加壁厚。

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