爬坡管段油水两相界面波动特性数值模拟研究

赵仕浩 郝迎鹏

（中国石油天然气管道工程有限公司工艺室）（中国石油大学（华东）储运与建筑工程学院)

国内成品油管道投产时，大多采用油顶水的方式将管内积水置换出来。而对于地形起伏较大区域的管段，由于油水密度和黏度的差异，管线低洼处积水很难被全部携带出去，部分积水积聚在管线底部，造成管道内腐蚀。若增大管线输量，腐蚀产物就可能被油品冲刷并携带出去，造成过滤器、减压阀等设备堵塞。因此若利用上游来油将低洼处积水携带出去，就可减轻管道内壁腐蚀，避免发生计划外的停输事故[1-2]。

积水被油流携带爬坡过程是一个两相流问题。在不同工况下，油水两相界面因剪切速率不同呈现不同的波动特性[3-5]。目前，对液液两相流界面波的研究大多集中在环状流中。1989年，Bannwart等人[6]采用运动波理论对油水两相核心环状流动的界面波速进行了研究，理论研究得出的体积分数与实验结果相吻合。该研究认为，对于上倾段爬坡流动，由于油比水密度小，界面波速小于流动核心速度。Rodriguez等人[7]摄像记录了立管内核心环状流动的油水界面波的几何特性 （波长、波幅和波形剖面图）、波速以及持水率等信息，发现界面波长越短，波形曲率就越大。随后Rodriguez提出了立管核心环状流动的分析模型[8]，分析解表明波形特征取决于管线特性以及液体流速和物理性质，所得预测结果与实验结果吻合。本文通过数值模拟方法建立爬坡管段油流携水模型，对爬坡过程中油水两相界面波动特性进行了研究，并深入探讨了不同工况下两相界面的波动特性。

1 爬坡管段油流携水模型的建立

1.1 计算模型的选取

采用Fluent软件对油流携水爬坡过程进行模拟。由于在爬坡管段油水两相间存在明显的界面，理论分析相界面波动特性时需追踪油水界面，因此计算模型选用VOF多相流模型。经多次计算，将模拟结果与实验结果进行对比。对模型作如下设定：以油相雷诺数Re为依据，若Re<2000，选择层流模型；若Re≥2000，选择κ-ε湍流模型中的Realizable模型。采用三阶MUSCL方法对动量方程离散以提高模拟精度，Courant Number设为0.25。模拟采用固定时间步长的方法进行数据采集，采集频率为100 Hz。为避免发散，随着水相体积分数和油相表观速度的增大，将时间步长设置为0.005 s，但采集频率不变。

1.2 边界和初始条件设定

（1）边界条件的设定

考虑课题实际背景，将入口边界条件设为油相速度入口。若采用自由出口流动边界条件，模拟过程中会出现油相回流现象 （reversed flow），这是不合理的，因此出口边界条件设为压力出口边界，无壁面滑移。

（2）初始条件的设定

在模拟进行前，需设定一定体积的积水平铺在水平管段，以接近现场情况。由于需模拟不同持水率条件下界面波动特性，采用用户自定义方法编写水相的初始化函数 （UDF）。

2 模型验证

2.1 模型结果实验验证

为验证模型的准确性，将数值模拟结果导入TECPLOT后处理软件得到水相的分布状态，与实验室摄像得到的水相分布图进行比较如图1、图2所示；从模拟结果与实测图像中提取流场各参数的数据，验证数值模拟结果的正确性。

图1 实验测得有机玻璃管不同油表观流速下的积水分布状态 （管径d=50 mm，角度θ=20°，持水率为0.05）

图2 数值模拟不同油表观流速下的积水分布状态 （管径d=50 mm，角度θ=20°，持水率为0.05）

由图1、图2可看出，数值模拟得到的水相积水分布与实测积水分布相似；积水在油流剪切作用下积聚在管段爬坡处；随着油相表观流速的增大，水相进入爬坡段且以偏心大水滴形状存在；油相表观流速增加到一定程度后，油水界面处开始出现波动，出现卷吸夹带现象。对比实测图像分析与数值模拟结果如表1所示。

表1 不同油相表观流速下相界面波动情况实测与模拟结果

根据上述分析可知，有机玻璃管中积水分布形态及其临界表观油速的预测值与实测值差别不大，模型预测结果具有一定的指导意义。

2.2 油水界面波监测及界面波参数提取

数值模拟发现，油水界面波沿着流动方向衰减，在一种油流剪切速率下界面流场各处的界面波动特性是不同的。为便于比较不同工况下油水界面波的性质，本文依据式 (1)采用UDF自定义函数计算水相整体的质心位置，在水相整体质心位置处建立监测面，对油水界面波进行实时监测。

从监测数据中提取出各个子波的周期、振幅，结合相关性分析得到的波速值，就可以求解得到各个子波的波长。由于界面波变化不一，本文采用统计分析的方法处理界面波参数。

3 模拟结果分析

3.1 不同油相表观流速

对不同油相表观流速下界面波的参数分布数据进行统计分析，得到界面波参数平均值变化曲线如图3所示。分析可知，随着油相表观流速增加，界面波振幅与波速增大，而油水界面波的波长和波周期减小。

图3 算例工况下界面波参数平均值变化曲线

3.2 不同管道的上倾角

将不同管道上倾角界面波的参数分布数据进行统计分析，得到平均值如图4所示。由图4可以看到，波长、波振幅和波速数据分布均值随着倾角的增加而减小，而波周期则是随着角度的增加而增加，因此上倾角对界面波的产生有抑制作用。统计各工况下60 s内产生的波数发现，10°管段产生的波数大于30°管段产生的波数，再次验证了管道倾角对界面波的抑制作用。

图4 算例工况下界面波参数平均值变化曲线

3.3 不同油品物性

分别采用汽油和柴油进行实验，对油水界面波动特性进行研究。实验工况为：管道直径D为50 mm，初始水相持液率εin取10%，管道角度θ为10°， 油相表观流速 Uos依次为 0.115 m/s、0.130 m/s、 0.145 m/s、 0.160 m/s、0.175 m/s。 统计分析对应界面波动参数，得到界面波参数平均值与标准差变化情况，图中三角形实线表示汽油管道数据，下三角形虚线表示柴油管道数据。

从图5可以看到，对于界面波的波长均值和波速均值，汽油管段要大于柴油管段，但相差幅度不大；而在任意表观流速下，柴油管段中界面波的波振幅均值恒大于汽油管段中的均值；汽油管段中的油水界面波的周期值均值恒大于柴油管道。

图5 算例工况下界面波参数平均值变化曲线

3.4 不同管道直径

对比管径D分别为50 mm和70 mm两条管段数据，得到界面波参数平均值结果如图6所示。管径70 mm油水界面波的波长大于管道直径50 mm油水界面波的波长，但是对应界面波参数数据较分散且相差幅度不大；管径50 mm界面波的波振幅均值恒大于管径70 mm中数据；管径70 mm界面波波速均值大于管径50 mm波速均值；管径50 mm管道对应界面波周期数恒大于管径70 mm管道中的数据，因此产生界面波的频率随着管径增加变快。

图6 算例工况下界面波参数平均值变化曲线

4 结论

本文针对成品油低洼处积水建立了油流携水爬坡段数值模型，并通过实验验证了模型的正确性。研究表明，油水界面波沿着流动方向衰减。通过Fluent模拟对界面波结构参数的影响因素进行了研究，依次分析了不同油相表观流速、管道上倾角、油品物性、管道直径等因素对界面波的结构参数（波长、波振幅、波周期、波速）的影响。结果表明，波长受各个因素变化不明显，均值比较稳定；波振幅的变化能够反应油流对积水的扰动强度，因此各因素对波振幅的影响与其对积水形态的扰动相一致；波速的加快间接说明界面扰动的增加，其随各因素的变化与波振幅变化趋势相同。

[1]陶江华,田艳玲，杨其国，等.成品油管道运营问题分析及其解决方法 [J].油气储运，2006，25（5）：59-61.

[2]王德增,刘井会，王彩霞，等.对成品油管道中沉积物的分析 [J].油气储运，2005，24(2)：59-60.

[3]Xu Guang-li,et al.Trapped water displacement from low sections of oil pipelines[J].International Journal of Multiphase Flow,2011,37(1)：1-11.

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[7]Rodriguez O M H,Bannwart A C.Experimental study on interfacial waves in vertical core flow[J].J Petroleum Science and Engineering,2006，54(3-4):140-148.

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