天然气水合物输送管道气液固三相流运动特性分析VIP

第 4 4 卷 第 l l期 2 0 1 5 年 1 1月 当 代 化 工 C o n t e mp o r a r y C h e m i c a l I n d u s t r y V o 1 4 4 N o I 1 N o v e mb e r ，2 0 1 5 天然气水合物输送管道 气液固三相流运动特性分析 吴官纪，潘 振 ，陈保东，杨 帆 ( 辽宁石油化工大学 石油天然气工程学院，辽宁 抚顺 1 1 3 0 0 1) 摘 要： 气液固 相流动是多相流体力学中非常重要和难以解决的问题之一。目前对于多相流的研究， 重点还在于两相流， 对三相湍流流动正在开展和进行中。在气液两相流流动的基础上， 增加天然气水合物固相。 分析同相的加入对流体压力、密度 、体积等参数产生的影响，使天然气水合物的研究更加深入。在气液固三相 流模拟中，通过改变天然气固体颗粒直径 、密度来研究天然气水合物三相流体参数的变化，而三相流体参数的 变化反过来又会影响天然气水合物的颗粒直径， 在实际开发中难以达到的情况下， 利用数值模拟可以具体反映 二者的变化关系，为以后天然气水合物的开发提供了更精确的数值及合适的开采方案。 关键词：天然气水合物；气液固三相流；数值模拟 中图分类号：T E 8 3 2 文献标识码 ： A 文章编号： 1 6 7 1 0 4 6 0( 2 0 1 5)1 1 - 2 6 4 8 0 4 Ana l y s i s o f M o ve m e n t Cha r a c t e r i s t i c s o f Ga s Li q ui d So l i d Thr e e pha s e Fl o w i n Na t ur a l Ga s Hy dr a t e Tr a ns po r t a t i o n Pi pe l i ne G u a n - j i ，P A NZ h e n ，C H E NB a o d o n g ，Y A NF a n ( Co l l e g e o f P e t r o l e u m E n g i n e e r i n g ，L i a o n i n g S h i h u aUn i v e r s i t y ， Li a o n i n gF u s h u n 1 1 3 0 0 1 ，Ch i n a ) Ab s t r a c t ：Ga s l i q u i d s o l i d t h r e e p h a s e fl o w i S o n e o f v e r y i mp o r t a n t a n d d i 衔 c u l t p r o b l e ms i n mu l t i p h a s e flu i d me c h a n i c s T h e p r e s e n t s t u d y o n mu l t i p h a s e fl o w i S ma i n l y t wo p h a s e fl o w； s tud y o n t h e t h r e e p h a s e t u r b u l e n t fl o w i S b e i n g c a r r i e d o u t I n t h i s p a p e r , o n t h e b a s i s o f g a s l i q u i d t wo p h a s e flo w, n a t u r a l g a s h y d r a t e p h a s e wa s a d d e d ， e ffe c t o f a d d i n g s o l i d p h a s e o n t h e fl u i d p r e s s u r e ， d e n s i t N v o l u me a n d o t h e r p a r a me t e r s wa s a n a l y z e d I n t h e g a s l i q u i d s o l i d t h r e e p h a s e flo w s i mu l a t i o n ， b y c h a n g i n g t h e s o l i d p a r t i c l e d i a me t e r a n d d e n s i t y p a r a me t e r , t h e c h a n g e o f n a tur a l g a s h y d r a t e t h r e e p h a s e fl u i d wa s s t u d i e d a s we l l a s e f f e c t o f t h r e e p h a s e fl o w p ara me t e r s c h a n g e o n g a s h y d r a t e p a r t i c l e d i a me t e r T h e n u m e r i c a l s i mu l a t i o n c a l l r e fl e c t t h e c h a n g e s o f t h e r e l a t i o n s h i p b e t we e n t h e m ， wh i c h c a n p r o v i d e mo r e a c c u r a t e d a t a a n d s u i t a bl e mi n i n g p l a n f o r f u t u r e d e v e l o p me n t o f n a t u r a 1 g a s h y d r a t e Ke y wo r d s ： Na t u r a 1 g a s h y d r a t e ； Ga s l i q u i d s o l i d t h r e e p h a s e flo w； Nu me r i c a l s i mu l a t i o n 随着经济的不断发展，能源问题 日益凸显，石 油和煤等传统的能源日益枯竭，这就要求我们寻找 和探索新的可替代能源。 在寻找过程中， 人们发现， 蕴藏在海底的天然气水合物是一种高效、清洁的可 代替能源 ，具有相当可观的发展前景 。 虽然天然气水合物的储量很大 ，但是它通常都 是储藏在海底 ，而且覆盖层也很浅 ，因此 ，对天然 气水合物的开采和运输是天然气水合物的一个应用 难题。通过探索，人们发现固态开采法是目前开采 天然气水合物最有效 、最合理的开采方法。在固态 开采过程中，如何将天然气水合物通过水力输送技 术运送至海面是最关重要 的部分 。因此本文利用 F l u e n t软件对天然气水合物的竖直输送管道进行了 数值模拟 ， 对管段内部的流场特性进行 了分析 。 。 通过模拟过程得出天然气水合物的颗粒浓度 、 基金项 目： 辽宁省高等学校优秀人才支持计划资助项 目， 收稿 日期： 2 0 1 5 - 0 6 一l 0 作者简介：吴官纪 ( 1 9 萌一) ，男，硕士研究生，研究方向 颗粒密度 、颗粒粒径以及天然气水合物输送的流速 对天然气水合物的输送影响。结果表明 ，天然气水 合物的颗粒粒径偏小、适度的体积浓度以及较小的 天然气水合物颗粒密度有利于其水力输送 。 1 计算流体动力学基本控制方程 1 1 基本方程 ( 1 )质量守恒定律 质量守恒定律是指单位时间内流体微元体中 质量的变化与同一时间间隔内流人该微元体的净质 量相等，方程式为： 一0p + + 【 + ( 2 ：o ( 1 ) at 8x av a z 式中：p一流体密度 ； f一时间 ： “ 、v 、W 一速度矢量在 X 、Y 、2 方向上的分量。 项 目号 ：L J Q 2 0 l 4 0 3 8 。 天然气水合物。E - m a i l ：1 0 9 8 4 0 7 9 7 5 q q c o m 。 第 4 4卷第 1 1期 吴官纪，等：天然气水合物输送管道气液固三相流运动特性分析 2 6 4 9 ( 2)动量守恒定律 动量守恒定律是指微元体中流体 的动量对时间 的变化率与外界作用在该微元上的各种力之和相 等 ，方程式为 ： a t + + a y + =去 旦 ay ay 一 ( 2 ) 反 I J 岔 + + + = + 瓣apat c?x oy 3 ) 岔 l J 岔 岔 a t + + =昙 专 一 ( 4 ) & I I 、 。 式中：“ 、v 、W一速度矢量在 x 、 z 方向上的分量； 一 动力粘度； ( 3)能量守恒定律 能量守恒定律的定义为：微元体中能量的S D il 率与进入微元体的净热流量加上体力与面力对微元 体所做的功相等 ，方程式为 ： + + + = a ( k a v ) J+ 茜 水 5 ) a ac J al，l J l 出 J 式中： 一温度 ； c D一 比热容； k传热系数； 一 耗散项 。 1 _ 2 基本假设 为了便于利用 F l u e n t 软件模拟固、 液 、 气三相 流 的流动状态 ，常需要做 以下假设 ： ( 1 ) 固相天然气水合物的固体颗粒看作球形， 并且假设天然气 水合 物的的颗粒粒径均匀大小不 变。 ( 2 ) F I 流中的固相是连续运动介质， 液相( 水) 是不可压缩的流体，同时假设固液气三相的物理性 质均是常数 。 ( 3 ) 通常认为气体为理想气体状态。 ( 4 ) 流体与壁面间无滑移 1 3 三维有限元网格划分 模型网格质量的优劣对软件的计算结果的精 确性及计算过程的速度起着决定性作用，因此在模 拟过程中划分网格形式有重要 的意义。本论文以竖 直上升管道中的某一段为模拟对象， 利用 F l u e n t 软 件中的 G a mb i t软件开始三维模型的建立工作 ，在 图 1中可以看到相关 的三维模型。 图 1 为三维模型的网格划分 Fi g 1 3 d mo d e l o f m e s h i n g 以下是模拟过程中所需的主要几何参数 D= 0 - 3 m， 胁= 5 m。非结构化 网格和结构化 网格是构成网格 总体的两部分。其中非结构化网格是指在网格区域 内部相邻两点之间的毗邻单元不尽相同；而对于结 构化网格则恰好相反，在 网格 区域 内部 的毗邻单元 全部相 同，这样建立的网格质量很好 ，模型网格生 成效率也很高，并且利用这种网格对于区域的边界 拟合过程的实现也变得相对轻松，通过使用参数化 方法以及样条插值的方法对空间或者曲面进行拟 合，模拟的区域较为光滑，可以接近试剂模拟的模 型 。 非结构化网格和结构化网格的区别在于， 在计 算结果的收敛性上，结构化网格形式要比非结构化 网格形式优越， 但是在模拟复杂的几何结构过程中， 非结构化网格更具有实际的应用价值， 可操作性强。 在本篇论文中，笔者采用结构化网格形式建模。 1 4 边界条件 ( 1 ) 进口条件 ：将管段底部端进口定义为速 度进口边界， 气液固三相的速度大小根据流量确定， 并且在入 口方 向速度分布均匀 ， 方 向垂直于进 口面 ， 另给出湍动能、耗散率的预估值及气液固三相体积 浓度及固体颗粒直径。 ( 2 ) 壁面条件 ：所有壁面上流体都满足无滑 移条件， 计算时， 近壁处采用标准壁面函数法处理。 ( 3)出口条件 ：将管道上端出 口定义为 自由 出流出 2 数值模拟结果与分析 设定天然气固体颗粒粒径为 3 m m， 流速为 l m s ，颗粒密度为 2 0 0 0 k g m 3 ，体积分数为 0 3 ，水的 速度为 1 m s ， 体积分数为 0 4 ， C H 的速度为 1 m s ， 体积分数为0 _ 3 ， 考察颗粒直径对管段压力损失和阻 力损失的影响，颗粒直径变化范围为 3 、4 、5 、6 、 7 、8 mm。通过 F l u e n t模拟绘制出 口附近水相流动 速度分布云图、出口附近固、液、气流动速度分布 云图 、出口附近固、 液气相压力分布云图、 ( 图中以 颗粒直径为 3 mm为例 )( 图 2 7 1 。 图 2 出口附近 气相流动速度 分布云图 Fi g 2 Ne a r t h e e x p o r t g a s flo w v e l o c i t y d i s t r i b u t i o n ne pho gr am 第 4 4卷第 1 1期 吴官纪，等：天然气水合物输送管道气液固三相流运动特性分析 2 6 5 1 阻力损失突然激增， 说明当天然气颗粒直径为 8 m m 进出口压力降也在不断增大，而且压力降增大的趋 时 ，对二者损失 的影响很大 ，是一个转折点。 喜 壬 f 颗粒直径I mm 图 8为天然气固体颗粒直径与压力损失的关 系 Fi g 8 Th e r e l a t i o n s h i p b e t we e n g a s s o l i d p a r t i c l e d i a me t e r a n d t h e p r e s s u r e l o s s 4 结束语 本论文通过对天然气水合物的形成及分解条 件 ，建立了气液固三相流的数学模型，运用质量守 恒 、动量守恒 、能量守恒三大控制方程 。在 f l u e n t 软件中，找到适合的方法，模拟了天然气水合物在 竖直管道 中压力 、密度 、速度的变化 ，使人们在开 采的过程中能够发现更经济、更合理的开采方法。 其中在选取管道时只是选取了管道长度为 5 m，发 现若选择的管道过长，会导致模拟结果的失败，这 是美 中不足之处。 随着天然气水合物颗粒直径的不断增大， 管段 势变得不在趋于平缓 ，这一点可以说明，大 的天然 气水合物的颗粒直径有利于天然气水合物的有效输 送。在粒径在 3 7 mm之间的变化范围内，管段 内 压力损失和阻力损失的变化趋于平缓 ，而当粒径为 8 m m 时 ， 管段内的压力损失和阻力损失增大明显 。 对于输送天然气水合物的流速 ，管段内的压力损失 随着浆体流速的升高而呈现上升趋势，管段内的阻 力损失也随着浆体流速的升高而不断升高。 参考文献： 1 周怀阳，彭小彤，叶瑛天然气水合物M 北京：海洋出版社， 2 0 0 0 2 史斗， 孙成权， 朱岳年国外天然气水合物研究进展 M 兰州：兰 州大学出社， 2 0 0 2 3 孙志高， 樊栓狮， 郭开华，等 天然气水合物分解热的确定 J I 分 析测试学报， 2 0 0 2 ， 2 1 ( 3 ) ： 7 - 9 4 廖健， 梅东海， 杨继涛， 等天然气水合物相平衡研究的进展 J 】 天然气工业， 1 9 9 8 ， 1 8 ( 3 ) ， 7 5 8 2 5祝道平，宁正福 利用高能气体压裂技术开采天然气水合物可行性 分析 J 1 重庆科技学院学报( 自然科学版) ， 2 0 0 9 ， 1 l ( 3 ) ： 3 7 3 9 6李淑霞，陈月明，杜庆军 天然气水合物开采数值模拟的参数敏感 性分析【 J J 现代地质， 2 0 0 5 ， l 9 ( 1 ) ： 1 0 8 1 1 2 7赵生才， 德国气水合物研究计划 简介 J J 天然气地球科学 ，2 0 0 1 ， 1 2 (2 ) ， 6 3 6 7 8 马文婧；南海天然气水合物开发 的风险因素分析f D 】 青岛：中国海 洋大学， 2 0 1 1 ( 上接 第 2 6 4 7页 ) 4 崔鹏 埋地管线腐蚀坑的导波检测方法研究 D 西安石油大学，2 0 1 1 5 1 王钧埋 地金属集输管道腐蚀机理腐蚀防护及修复技术研究 D 冲 国 石油大学( 华东) ， 2 0 0 4 6郭乃连， 郭永超 埋地天然 气管道 的腐蚀 与防护综述 J 】 化工 管 理2 0 1 5 ( 3 ) ： 1 9 5 7 白洁 浅谈石油管道腐蚀防护措施与研究 J _ 化工管理，2 0 1