弯管内部油水两项流的数值模拟

闫明龙, 聂 晶, 刘勇峰, 刘林远, 孙辰琛

（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）

弯管内部油水两项流的数值模拟

闫明龙, 聂 晶, 刘勇峰, 刘林远, 孙辰琛

（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）

在油井出油管道以及石化生产中，油水两项流是非常常见的现象。为了减少能耗、便于制订防腐措施，利用GAMBIT软件建模以及FLUENT软件的可实现 模型对弯管中油水两项流的压力场和速度场进行模拟。结果表明，管内入口直管压力呈逐阶减小趋势；弯管内壁出形成低压区且又内向外逐渐增大；而速度分布正好与压力分布规律相反，恰好与自由涡流理论的模型相符。且通过对油水两项所占体积分数分别为30%、50%、80%三种情况的模拟得出，由于水密度大于油的原因，随着油相体积分数的下降，管内整体压强减小，整体速度增大。

弯管；数值模拟；流动；油水两项流；FLUENT

在油田开发的中后期,为了提高采收率,人们常用注水的方法增加产量。而且随着生产液中含水量的上升,从油井地面上的出油管道以致地层中的岩石空隙到均会产生油水两相流动且在石化生产中非常普遍所以 研究油水两相流在集输管道中的流动规律对于减少能耗、制订防腐措施方面具有积极的意义。20世纪初,Charles 等[1]发现在原油中掺入 40%～60%的水后,其在管道中流动的沿程摩阻可降低 90%。Brauner等[2]指出了油水两相流不同流型间的转变机理,提出了各流型的摩擦压降预测模型。我国对于两相流的研究起步比较晚,陈杰[3]、蔡继勇[4]、吴铁军[5]等通过试验研究,对油水两相流的流型和转换规律进行了分析与探讨。最近几年,国内外一些学者用流动模拟和数值分析的方法研究油水两项流方面有所进展[6,7],且目前已逐渐成为油水两相流研究的主要手段。

本文利用FLUENT软件对油水两相流在弯管内的流动情况进行模拟[8], 采用k-ε可实现模型。

1 研究模型

1.1 物理模型

选取某输油管道的一弯管管径。直径800 mm，弯径比为2.4，弯管前后各为6 m。GAMBIT建模选Interview size为0.1运用Hex/Wedge单元与Cooper方法对模型进行的划分。三维网格模型如图1。

图1 三维模型Fig.1 Three-dimensional model

1.2 控制方程

流体力学连续性方程

式中: ux、uy、uz分别为x、y、z三个方向的速度分量m/s; t为时间; ρ为密度,kg/m3。

动量方程的本质是牛顿第二定律。依据这一定律，可导出x、y、z三个方向的动量方程如下：

本模型在FLUENT中定义为可实现k-ε型。

2 数值结果与分析

1) 使用FLUENT求解器进行计算。其压力云图和速度云图分别为图2，图3所示。

图2 弯管内压力图（油相占80%）Fig.2 Diagram of pipe inner pressure (oil phase 80%)

（1）因为流体具有粘性, 所以在流体流经管道拐角后就会产成旋转,形成漩涡,产生较大的管内流体阻力, 从而带来能量的损[9]失, 降低能量的利用率，所以弯管压力由入口端到出口处总体上呈逐渐减小状。

（2）当到达弯管内侧时出现低压带，弯管外侧出现高压带，并在此段呈现由内避面向外壁面逐渐增大的趋势。而且此结果与速度分布正好相反，弯管内壁处压强最小的地方，速度越大。

（3）在出口直管处压力成梯状分布，而速度在Y方向分层比较明显且速度分布在出口直管由内向外逐渐增大。由于流体离心力作用和弯管处离心力作用产生的二次漩流效应，所以在流体流经弯管时改变速度方向和大小。

图3 弯管内速度分布图（油相占80%）Fig.3 Diagram of velocity distribution of pipe inside (oil phase 80%)

2)以下分别对油相占总体积分数的80%，50%，30%的压力云图（图4）进行比较。

图4 弯管内压力云图Fig.4 Diagram of pipe inner pressure

（1）管内压力场还是由进口至出口压力呈逐渐降低趋势。但随着油相比例减少，管内整体压强增大。这是因为管内流体的粘度与密度的变化而变化。

（2）在不同油相体积分数下弯管处内壁面仍呈现低压带，但随着油相比例的减少低压带面积明显缩小。

3)对80%、50%、30%三种油相速度云图（图5）进行比较。

图5 弯管内速度云图Fig.5 Diagram of velocity of pipe inside

（1）模型弯管处由内至外速度由大变小，出口直管速度由内壁面至外壁面由小变大。

（2）随着油相的减少管内整体速度减小。这是因为水的密度为1.0 g/cm3，油的密度分为两种：1.难挥发油一般在0.89～0.93 g/cm3之间；2.易挥发油密度多在0.73～0.85 g/cm3之间，所以无论怎样水的密度大于油。所以在入口压力一定的情况下，随着水相比例的增加管内流体速度减小。

3 结 论

（1）采用FLUENT中的 可实现模型对弯管两项流的计算结果与理论结果基本吻合。计算得出随着油相比例减少，管内整体压强增大。且随着油相比例的减少弯管处内壁低压带面积逐渐缩小。

（2）弯管内压力分布规律为，在弯管处压力随内壁面至外壁面逐渐增大，在整个管内呈逐渐减小，而速度分布正好与压力分布规律相反。这一特征也恰好与自由涡流理论的模型相符。

（3）由于水的密度大于油，所以在同等压力入口的情况下，随着水相比例的增加管内流体整体速度减小。

［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］陈杰, 冯传令, 蔡一全, 等. 油水两相分层流动的压降研究[J]. 油气储运, 2001, 20 (9) : 37-40.

［4］蔡继勇, 陈听宽, 汤为, 等. 水平管内油水乳状液流动特性研究[J].化学工程, 1999，27(3): 33-35.

［5］吴铁军. 水平管内油水两相流动特性研究[D]. 西安交通大学, 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］刘文红, 郭烈锦, 张西民, 等. 水平管油水两相流摩擦阻力特性试验研究[J] . 工程热物理学报, 2005, 26 (1) :80-83.

［8］金俊卿，郑云萍。FLUENT软件在油气储运工程领域中的应用[J].天然气与石油,2013(02):48-50.

［9］谈文虎，赵朝文，文代龙, 等. 锻制弯头内部流场分析[J]. 天然气与石油, 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

闫明龙（1987-），男，辽宁抚顺人，助理工程师，硕士，2012毕业于辽宁石油化工大学油气储运专业，研究方向：天然气管道储藏与运输。E-mail：334850346@qq.com。