上倾航空煤油长输管道内流速对携水能力影响分析

杨月新 詹婷雯

摘 要：随着航空煤油长距离输送管道的不断建设发展，管道可能出现的流动与积水问题也日益突出。本文采用计算流体力学（CFD）技术，利用Fluent软件开展上倾角为30°、直径508mm的管道在流速0.5-2.5m/s的条件下航空煤油-水两相流动数值模拟。分析结果表明：当流速较低时，上倾段内水相出现负流速，其回流作用将导致底部出现明显积水;随着流速的增大，管道底部的积水逐渐减少;当流速超过2.0m/s时，管底积水能被完全排出。

关键词：流速;航煤管道;管底积水;数值模拟

一、引言

随着机场数量和客货吞吐量的持续增加，航空煤油的供应量逐年增大[1]，航空煤油长距离输送管道也随之不断建设并发展。航煤管道由于水压试验必然导致管道在运行初期就存在一定量的积水，航煤中也存在溶解状的微量水分[2]。由于油水存在明显的密度差，在航煤管道输送过程中可能产生底部积水等问题。

由于管道内实际流动状态无法直接观察，因此，基于计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）技术研究航煤管道的油水两相流动特性[3]，分析航煤携水能力，判断可能产生的积水位置，为建立完善的航空煤油管道腐蚀风险预测提供依据。

二、几何模型与数值模型

基于国内外调研和现场航油实际运行工况[4]，本文的物理模型选用管径D=508mm的管道。该模型由水平段、弯曲段和上倾段三部分组成，其中水平段长10m，上倾段长20m，弯曲段的曲率半径r=5D，管道倾角为30°。

航空煤油携水问题可以视为油水两相流动，本文采用常用CFD求解软件Fluent开展数值模拟。为获得更快迭代速度与更高精度，通过借鉴国内外两相流数值模拟经验[5]，确定数值模拟的多相流模型采用VOF模型，湍流模型采用标准k-ε模型。入口设置为速度入口，出口设置为压力出口，壁面采用标准壁面函数法。

介质物性参数均采用温度为20℃时的参数，航空煤油的密度为790.0kg/m3、运动粘度为1.60mm2/s，水的密度为998.5kg/m3、运动粘度为1.03mm2/s。

三、网格划分与无关性验证

利用ICEM CFD软件对上述几何模型进行网格划分。使用结构化网格O-Block划分方法以获得高质量网格，采用Determinant（2×2×2）和Angle两个指标确保网格质量。通过调节各段的节点数，初步拟定100万-200万（25万为梯度）共计5种不用网格数量方案。利用5种不同网格数量开展管径D=508mm、上倾角α=30°，流速V=1.0m/s，水油两相比5%的航空煤油管道流动数值模拟，通过分析同一位置的速度分布发现，当网格数量超过150万以后，截面速度分布计算结果基本一致，可认为计算结果网格无关。因此确定150万网格作为本文的数值模拟模型方案。

四、模拟结果

本文采用Fluent软件开展管径D=508mm、倾角α=30°、流速V=0.5-2.5m/s、水油两相比5%的条件下管道中航空煤油-水两相流动数值模拟，计算结果如图1所示。

随着模拟时间的增加，管道底部的积水情况截然不同。当流速较低（V=0.5m/s）时，积水明显聚集在管道的水平段;随着流速的增加（V=0.8-1.5m/s），管道内航煤-水的两相流动状态呈典型的波状流流动，此时由于积水受到的重力分量較大，航煤的动能不足以完全克服流动阻力，大部分积水由于重力作用出现回流并在管道倾斜段和弯管段循环流动，因此积水难以被携带出管道;随着流速的进一步增加（V=2.0m/s），流体的动能增加，管道内的积水几乎都能被航空煤油携带出去，仅能在倾斜段观测到极少量水团;当流速较大（V=2.5m/s）时，积水能被航煤完全携带出管道。

五、结论

航空煤油长距离输送管道严重积水位置大多发生在管道低洼点的中下部。基于CFD方法采用Fluent软件能较好的开展航煤管道积水分析，模拟结果表明：水相由于密度大，所受的重力分量大，当流速较低时流体动能无法完全克服流动阻力，进而出现负速度并导致流回管底，即上倾段内水相的回流作用将导致明显的管内积水。在航空煤油管道管径D=508mm、上倾角α=30°、水油两相比5%的工况下，管底积水的临界流速为2.0m/s。即当管道流速低于2.0m/s时，航空煤油的长距离输送管道的底部将发生比较明显的积水现象。由于航空煤油管道运输过程中的经济流速大多为1.0-2.0m/s，因此较容易发生积水现象，此时可以通过提高管道流速的方式排除管底积水。

参考文献：

[1] 杨思坤. 通用机场及供油发展现状与展望[J]. 油气储运， 2015， 34（12）：9-15.

[2] 郭云光， 肖明沅. 浅析航空煤油长输管道内杂质产生的原因及应对[J]. 化工管理， 2014， 7（36）：93-94.

[3] 宋博， 王卫强， 孟凡力等. CFD软件在油气储运工程领域的应用[J]. 当代化工， 2015， 9（2）：310-312.

[4] Ahmad ShamsulIzwan Ismail， Issham Ismail， Mansoor Zoveidavianpoor， et al. Review of oil–water through pipes[J]. Flow Measurement and Instrumentation， 2015， 45：357-374.

[5] Zong Y B， Jin N D， Wang Z Y， et al. Nonlinear dynamic analysis of large diameter inclined oil–water two phase flow pattern[J]. International Journal of Multiphase Flow， 2010， 36（3）：166-183.