弯管顺序输送影响因素研究

王 升，王 岳，刘丽艳

（辽宁石油化工大学石油天然气工程学院， 辽宁 抚顺 113001）

由于在成品长输管道的线路上会出现各种工况及各种复杂管道，使得无法建立和研究它的确切模型。而采用数值模拟计算以其投资少、见效快的优势在研究及模拟方面占据了越来越重要的地位。其中，顺序输送过程中的油品经过弯管是一种比较普遍的现象[1]。因为弯管在不同情况下其影响因素有很多，本文以90°弯管为例，利用CFD软件进行了模拟计算，分析了流速、粘度和弯径比在弯管中混油段的影响。

1 物理模型

1.1 物理模型及边界条件

采用 CFD软件建模并对弯管条件下混油进行数值模拟计算。对弯管上游和下游长度均为5 m，管径600 mm，弯径比为3的90°水平弯管进行建模（如图1所示）。管内区域采用结构化六面体网格进行单元划分，在贴近管壁出的边界层区将网格细化（如图2所示）。且本文列出的所有图形均是以模型左端为入口，模型上端为出口。

本文是以汽油先行柴油后行的输送过程为研究条件，采用多相流（VOF）进行模型计算[2]，入口边界设置为速度入口（velocity）,出口边界设置为自由出口（outflow）。为了使分析更加准确，先将入口处的柴油体积分数设置为 0，等前行的汽油运行一段时间直至前行油品在管道内充分运动后，再将后行的柴油的体积分数改为 1，从而实现了这种交替输送的过程。

图1 弯管顺序输送的三维几何模型Fig.1 The three-dimensional geometric model of batch pipelining transportation in an angle branch conditions

图2 管道入口处边界层放大示意图Fig.2 The enlarged view of entrance to the boundary layer pipes

1.2 数学模型

由于管道内截面流速分布不均匀，管道内紊流流动时混油量要比层流流动时小很多。故为了减少混油损失，应使管道在紊流状态下运行。该紊流计算采用雷诺时均法[3,4]，建立成品油顺序输送管道混油计算的时均方程组。本文不考虑重力因素，并且因为输送过程为等温输送，所以不引入重力项和能量方程。非稳态的油品顺序输送的数学模型如下：

连续性方程：

动量方程（N-S方程）：

组分方程：

紊流模型采用k-e 模型。

k方程：

e方程：

式中：ρ—油品密度；

ui、uj—油品速度；

xi、xj—距离；

p—压力；

Prt（C）—为紊流Schmidt数；

Prl（C）—层流Schmidt数；

ut、ul—紊流和层流运动粘度；

t —时间；

gi—重力加速度；

c —前行油品体积分数；

K —紊流脉动动能；

e —紊流脉动动能耗散率。

1.3 物性参数

常温下0#柴油和93#汽油的密度分别取800、720 kg/m3，运动粘度分别取 6×10-6、4×10-6m2/2。混油段截面密度变化遵循简单的比例相加规律，但是混油粘度不可以用简单的组分比例计算，但其组分仍接近于线性关系。

式中：ρA、ρB、ρm—分别为A油、B油和混油的密度；

νA、νB、νm—分别为A油、B油和混油的运动粘度；

CA、CB—分别为A油、B油的体积分数；

αA、αB—待定系数。

2 模拟计算结果及分析

2.1 流速变化

在前行油品为93#汽油，后行油品为0#柴油，流速分别为1、3 m/s的情况下使用CFD软件建模并对混油的特性数值作模拟计算。经计算，在突扩管中雷诺数最小值为100 000，为紊流流动。当混油头处于同一位置时混油段的俯视图如图3所示。

图3 速度不同时混油段浓度分布示意图Fig.3 The concentration distribution diagram of contaminated segments at different speeds

可以看到，当油品按照不同的速度输送时，混油段在管内的形态不一致。输送速度小的混油油头更加尖锐。这是由于雷诺数随速度的增大而增大，雷诺数越大混油截面上的分布就越均匀，强烈的紊流扩散使得液体质点发生剧烈的横向交换，雷诺数越大，紊流扩散就越强烈，而此时分子扩散的作用则可以忽略不计[5,6]。同时，由于受到弯管曲率的影响，在离心力的作用下流体向着曲率半径较大的弯曲部分外侧方向移动，从而导致大量前行油品堆积在外侧弯管的壁面附近。位于管道外壁面的前行油品相较于靠近弯管内侧的油品流动要相对滞后。而在流速不同的情况下，速度较大的输送方式相对于速度较小的在管道弯曲处产生的向心力的差值更大。所以输送速度较大的输送方式相比速度小的混油油头更加靠近弯管内侧部分。

2.2 粘度变化

在前行油品为 93#汽油，后行油品的粘度分别为 和 的 0#柴油，流速都为 1 m/s 的情况下使用CFD软件建模并对混油的特性做模拟计算。当运行13 s时混油段的俯视图如图4所示。

可以看到，在相同的输送时间下，后行油品粘度较大的比黏度较小的混油油头的位置相对滞后，这是由于粘度大的油品分子与管壁的附着力较大使得油品输送相对缓慢所致[7]，此处不详细论述。

2.3 弯径比变化

将弯径比为1、3和5的这3种管道以前行汽油后行柴油的输送顺序，在1 m/s的流速下输送。当油品输送至下游管段的同一位置时，三种情况下的俯视图如图5所示。

图5 弯径比不同时混油浓度分布示意图Fig.5 The concentration distribution diagram of different bend diameter ratio

可以看到，在弯径比不同的情况下混油油头的尖锐程度是随着弯径比的增加而更加尖锐。这是因为弯径比增加，则管道弯曲处所产生的向心力和油品所经历的路程都会随之增大，

致使紊流扩散程度减弱，液体质点所发生的横向交换减弱，由头则更加尖锐。同时，观察这几种情况，弯径比为3的情况下混油油头相较于其他两种情况更加更加靠近弯管内侧部分。这是因为，当有品流经弯管时，大量前行油品堆积在外侧弯管的壁面附近，弯径比较大的弯管中油品前行油品所经历的路程较长，后行油品还没有足以填补弯曲部分，致使混油油头更向弯曲部分偏移。但是，在弯径比为5的情况下，后行油品基本上完全替代了前行油品在弯管中的位置。后行油品此时已经大量堆积在弯曲部分，使原先偏向于弯管内侧的油头重新调整回来（如图6所示）。

图6 弯径比为5时后行油品运行20s混油浓度分布示意图Fig.6 The concentration distribution diagram of bend diameter ratio of 5 after trailing oil product running 20 seconds

在弯径比不同的情况下，由于混油的油头和油尾的位置相对于下游管道的轴线位置一直在发生变化，所以混油在同样时间范围内的长度变化同样值得考虑，为了使下面的研究结果更加明显，将弯径比为1、3和5的管道的下油管道分别加长15、10和5 m。当弯径比为5的情况下，混油段进入下游管段的时间最晚，故以其进入下游管段的时间为标准，其时间为第19 s，在19～32 s内记录结果如图7所示：

图7 19s～32 s三种不同弯径比管道内的混油段长度Fig.7 The contaminated length of three different bend diameter ratio in 19 second to 32 second

可以看出，三种情况下混油段长度的变化趋势基本一致，且随着弯径比的增加，混油段长度越长。这是因为流线是一条光滑曲线，它既不能转折也不能相交，所以在油品流经弯管弯曲处时，壁面附近会产生两个漩涡区，弯曲部分内侧的漩涡区的形成是由于流体流动时的惯性使其与内壁脱离造成的，而弯曲部分外侧的漩涡的形成主要是因为流体与壁面撞击形成的。随着弯径比的增大，在弯管弯曲部分的油品的流向变化越平缓，则使得漩涡区增大。从而维持这两个漩涡区所需的能量增大而带动流体主流束的速度减小，继而混油段长度增加。

3 结 论

建立了紊流顺序输送模型，采用了CFD软件对汽油前行柴油后行情况下针对弯管顺序输送条件的流速、粘度和弯径比的改变进行模拟计算。结果表明，流速越小混油油头越尖锐，并且流速越大混油油头越靠近管道弯曲处；而后行油品粘度较大的比粘度较小的混油油头的位置相对滞后；弯径比较大的管道混油流经下游管段时混油段长度越长。与理论结果基本相符。为以后研究顺序输送混油段计算和检测方面提供了帮助和参考。

［1］ 杨筱蘅.输油管道设计与管理[M].东营：中国石油大学出版社，2006.

［2］ 蒋仕章，蒲家宁．成品油顺序输送时混油粘度的计算与误差分析[J]．油气储运，2003，22(2)：16-19．

［3］陶文铨.数值传热学[M].2版.，西安：西安交通大学出版社，2001:332-409.

［4］ 吴子牛.计算流体力学[M]．北京：科学出版社，2001：70-76．

［5］ 赵海燕.不同工况下顺序输送混油的CFD模拟[J].化学工业与工程技术，2012,33（2）：54-57.

［6］ 常艳兵，王为民.兰咸成品油管道顺序输送混油量分析与计算.当代化工，2011,40（11）：1195-1197.

［7］ 王岳、马跃，张国军,等.顺序输送粘度差对混油量影响分析[J]．辽宁石油化工大学学报，2012,32(4):37-40.．