17 基于CFD的核-环降流模拟综合研究.doc

基于CFD的核-环降流模拟综合研究摘要：用水润滑输送高粘原油是能源领域的一项节能技术。本工作，对核-环流降流通过垂直管道进行了计算流体动力学模拟研究。应用了计算流体力学软件FLUENT 6.3.26 1，模拟数据和实验结果之间已取得令人满意的对比。对于广泛的进口油和水的流速的综合研究得到了速度，压力，体积分数及壁面切应力的数据图表。关键词：高粘原油；核-环状流；降流；壁面切应力1 引言随着低粘度石油储量的日益消耗及陆地油田的枯竭，已经促使重点转移到高稠油以及海上石油的开采。在利用这些石油来源的主要挑战之一是抽取这些高粘性油（粘度范围，100 - 10000 cp）需要的巨大动力。研究人员认为水润滑输送是处理这种情况经济的方式。可以通过油水核-环输送实线，既水包围位于中心核心的油。在核-环状流中，仅仅水的流动产生壁面摩擦，这样泵功率需求就会大大降低。由于其工业性的重要，对于核-环状流的不同方面已经有了实验、数值模拟和分析等研究报告。Charles等人2、Arney等人3、Miesen等人4已对横向核-环状流做了实验研究，Parda 和 Bannwart5、Bai等人6做了竖直向上流动方向的实验研究。几个理论也被提出来解释流动物理学。Bentwich 7试图考虑界面张力、重力和毛细力的获得界面形状。随后，奥姆斯等使用的流体动力润滑理论，分析了高黏度油-水水平核-环状流8。Huang等人9报道了对层流和紊流两种情况对摩擦系数和偏心含率的影响。他们用标准的k 湍流模型来求解湍流环状流，发现摩擦系数随偏心距增加。Bai等10在假设轴对称等密度波状流的条件下采用控制体积的基础方法来模拟核-环流。柯等人11试着模拟湍流波状核心流。他们用剪应力输运模型来解决湍流动能和耗散方程，发现模型预测的压力分布和波长比初始k-模型更好。Ooms和Poesio12研究了通过水平横管的核-环流，分析了在蛇形浪及竹形浪的情况下核心浮力是如何平衡的。另一方面，核-环流降流情况知之甚少。据笔者所知，唯一的研究资料由Bai等人6提供，他们在直径0.009525m的玻璃管用汽缸油=0.6 Pa-s，密度 905 kg/m3和水的进行实验。他们发现了新的流型，即上行的竹浪流和下行的螺旋状浪流。不过，对于横跨国家的输送，正确估计水动力特性，如体积分数，壁面剪切分布等高效的设计至关重要。对于高油流率，可能无法进行实验室实验获取这些信息。考虑到为经济设计可选运行条件的准确信息需求，模拟这种情况的重要性已体会到。计算流体力学软件FLUENT 6.3.26 1是用来模拟以水润滑以油为芯的通过直径0.012m下行管路的核-环流。该模型对作者得到的核心层厚度与压力下降的实验结果进行了验证。然后用来产生关于流流体力学的有用数据。图1 几何模型示意图2 模型开发已经开发出三维模型用以研究核-环流。图1为降流几何结构示意图，所分析的管路直径0.012m，长度0.48m。该图描绘的情况是：石油是通过0.008m直径喷嘴管引入，而水从环形空间引入。用计算流体力学软件FLUENT 6.3.26 1进行模拟。应用有限体积法用适合的离散方程来离散控制方程。离散化后，采用分离式求解解决了该控制方程。已经完成的非定常流的计算是为了揭示核-环状流的初步发展。明确的假设包括非定常流，非混相液，恒定液体属性，液体直接进入而非实际情况中的汇聚进入。由于两种流体共享一个相对分明的界面，在FLUENT中选定欧拉-欧拉为基础的流体体积（VOF方法）技术应用于两相模型。VOF解决两相流体共有的动量方程的单集。控制方程的细节问题和界面处理可以从FLUENT 6.3.26的用户指南1获得。在例中，假定的核心石油由于其高粘度始终是层流，环流中的水则为湍流。因此，使用了k -模型。在此模型中的湍流动能和粘滞扩散率得到计算，并用于获得流场中的湍流粘度。其中k, 和 t分别为湍流动能，耗散速率和涡流粘度。Eij 定义为：常数项为：C=0.09, k=1, =1.3, C1=1.44, C2=1.92.2.1 初始条件在所有的模拟中，管道最初是充满石油，流动从石油入口开始。2.2 入口边界条件在喷嘴指定油的流速，水的流速在环形空间设定。因此，考虑均匀速度分布的初始条件是：At z=0，0=r=0.004，Ur=0，Uz=U油At z=0.048 m，0.004 m=r=0.006 m, Ur=0，Uz=U水2.3 壁面边界条件一个静止无滑移边界条件施加在管道壁。也是提供水在管壁上的接触角。Uz=0（无渗透）和Ur = 0（无滑移）模拟提供的接触角为27。这是水与玻璃（管壁材料）之间的接触角，在目前的实验中由Ramehart提供的滴形测角仪测量。2.4 出口边界条件在出口，使用压力出口边界，而在出口方向扩散通量的变量设置为零3数值模拟3.1模型网格划分在软件GAMBIT中完成模型网格划分。靠近喷嘴进口地区、出口和近壁面采取密集的网格。图2描绘了网格几何形状。网格由55105六面体组成。为了捕捉在界面上的流体力学数据，接触面比管道中部区域的网格数要多（密集）。为了检验结果对网格密度的依赖性，要单独完成网格检查。据观察，目前的节点设置这些结果不受网格的影响（支配）。3.2. 离散化方法由于两相流的动态行为，时间步长设为0.0001s，并短暂模拟运行。对控制方程采用不同的离散方法。， PRESTO 13对连续性方程进行了离散。一阶迎风法用于离散动量方程，其作为提供了适当的代表流动物理状况的方法。湍流动能方程和耗散速率方程也用这种方法进行了离散。PISO14使用了压力速度耦合。图2 几何模型网格划分3.3. 收敛准则基于计算变量的余值，即质量、速度分量、和体积分数，设置了收敛准则。在目前的计算，当不同变量的残差数值低于三个数量级时，认为计算收敛。对于湍流动能和耗散速率，标准则是五个数量级。两相在各自进口引入，开始瞬态模拟。油水的表观速度在给定的实验条件下被设置为入口条件。经过几步计算，观察到两相的流动符合核心流态。4 实验为验证模拟结果，在2.5 m长，内径0.012 m的玻璃管以润滑油（= 960 kg/m3; 0.2 Pa s）和水为实验流体进行了试验。石油表观速度已从0.15 m/s 至 0.8 m/s不等，水速从0.15 m/s至 0.8 m/s不等。油的速度测量是使用Coriolis质量流量计，电磁流量计用来测水速。质量流量计的范围是0-2.5 10-3 m3/s ，最小读数为2.5 10-5。实验中润滑油表观速度测量误差在 0.43，而水在 0.3。在距入口1m处将流态观测并拍照。用数码相机（DSCH9，索尼）拍摄记录各相不同表观速度的流动现象。使用专业图像分析软件分析这些照片以取得不同流量条件下的水膜厚度。压降测量的是在相距0.7m的两个测压孔取得的，其中第一个测压孔在距喷嘴0.8m处。差压变送器（Honeywell STD120）用于此处。该传感器最小计数为1.010-2 Pa，在实验条件下的精度为 0.5。静水头随压差降(dp/dz)diff得到应用，从传感器获得来提取总压降。随后，通过以总压力梯度减去两相混合物的重力组成部分估算了摩擦压力梯度（-dp/dz）f。5 实验结果的模型验证最初在实验范围内一个已知的水油流率组合进行的模拟。随后，以较高流速的石油进行模拟。模拟点已经叠加在流型图中。在图3a，实验曲线表示的流型的转变，模拟得到的点已用不同颜色的星星表示。这些数据表明，各点分布在核-环状流的不同区域。从模拟结果得到的一些具有代表性的流动分布以及从实验中获得的相应照片也被列于图3b。该图显示了实验流场与模拟模式的合理匹配。然而，可以看到，模拟并没有完全捕获油水界面波纹。原因可以归结为用于界面追踪的VOF模型（的问题）。VOF基于每个计算单元原位体积分数值重建界面。VOF方法所使用的线性逼近情况，基于体积分数及其单元衍生信息，相对于每个部分填充单元中心的线性界面位置得到了计算。该方法的特点之一是它不将界面作为一个连续链。相反，它在某些地方有微小的不连续性。因此，该方法对小曲率模型是适当的，当界面出现不规则波短时，该模型并不能完全捕捉到高速情况下的油水界面波纹。由时间平均壁面切应力曲线和水膜的厚度所计算的摩擦压降的模拟数据分别与图4a和b的实验结果进行了比较。这些数字表明，该模型一直过高估计压降，其中最大偏差为20，而所有的实验数据的平均水膜厚度在 10之间。图4 (a)摩擦压降梯度的实验值与预测值比较(b)水环厚度的实验值与预测值比较6实验结果与讨论经过验证，该模型用于生成核-环状流的流体力学额外信息。研究结果已列于下节。6.1核心流动的发展图5画面描绘的是核-环流传输过程中水膜的演化顺序。粉红色的颜色是指存在的水，而深蓝色是指石油。从图中可以明显看出大量的水形围绕管道内壁成一个膜，而石油通过中央核心流动。在CFD模拟计算，对应Uso=0.53 m/s 和 Usw=0.3 m/约在t = 0.90 s环状流的发展，环状流的快速发展是与实验结果一致。图5 对应Uso=0.53 m/s 和 Usw=0.3 m/，核心油分数发展变化云图图6ac代表的对应于不同时间同一表面石油体积分数的横截面轮廓（L/D=30）瞬间测速关系。有趣的是观察到的表面波本质上呈三维。这会需要用文字分析处理，即假设的核心是轴对称流动，并证明在目前工作所应用是三维模型的合理性。图7ac描述在一个特定即时时间的核心与轴向位置的配置变化。从图6和7可以断定，内部波面的结构在时间和空间变化与实验观察一致。图6 在30L/D和Uso=0.53 m/s 和 Usw=0.3 m/s条件下油的分数在不同时刻的云图图7 在t=0.9s和Uso=0.53 m/s 和 Usw=0.3 m/s条件下油的分数在不同轴向的云图6.2水动力参数的研究起初估计了流域的速度场。图8描绘了速度横截面云图。该图显示了速度在径向方向的幅度逐渐变化。最高速度是在管的中央部分，并沿径向逐渐减少直到它终于在壁面上成为零。为了更好地了解这一现象，在管道的三个不同轴向位置速度分布也加以考虑（图9a）。它清楚地描绘了原油-水向出口移动时速度场的变化。仔细的观察揭示了一些有趣的发现。入口附近的（L/D=10）核心的速度分布图较为平直，并在下行方向达到顶点。图8 Uso = 0.53m/s 和 Usw = 0.3m/s及 L/D= 20; t = 1.5s时速度横截面云图，m/s图9 Uso=0.53 m/s和 Usw=0.3 m/s时油原位体积分数的时间平均径向分布图图像还表明，观察到在距管中心0.0037 m到 0.0045 m的界面位置，界面径向速度梯度有一个突变。这可以从Uso=0.53 m/s和 Usw=0.3 m/s时原位体积分数的时间平均径向分布图获得（图9b）。随着流动的发展，这种变化更加突出，并显示了两相之间的滑移效应。图10显示了近壁面总压纵向变化。这表明压力随着流向出口方向逐渐减小。图11揭示了总压随L / D增加的径向变化。在横断面没有太多的压力变化，尽管近壁径向压力分布曲线斜率有明显的变化。这可能要归咎于接触界面的压力情况。在液体速度为Usw 和 Uso的情况下，对摩擦压力梯度和壁面切应力做了进一步的研究。图12中红色的实线和虚线分别显示了摩擦压力梯度在Uso恒定随着Usw变化以及Usw恒定随着Uso变化两种情况。图例中的黑色实线描绘了针对不同Usw的平均壁面切应力在不同时间随Uso的变化。可以看出，摩擦压降随Usw 和 Uso增加，双方的唯一区别是曲线陡度的不同。摩擦压降以及壁面切应力在一定Usw的情况下随着Uso大幅上升，这是一个预期的趋势，可以解释如下：石油的粘度是水的200多倍。因此，在恒定的水流速下增加石油速度会增加石油的比例，这反过来又增加了有效的粘度，因此摩擦压降增大，这也对壁面剪应力有效。另一方面，水的含量增加并不会显着增加有效粘度。因此，当Usw变化时会观察到压力的增加逐渐降低。因此，可以在没有进行实际试验的情况下在实际操作中利用该模型估算摩擦压力损失。后文我们作了尝试以了在解建立核-环状流两液体沿下游分布如何变动的情况。在管道中的各种轴向位置的时间平均原位石油体积分数可以被定义为：这里，A0是油的截面积，A为管的横截面积。如果假定为（两截面）核心同心，在管子轴上特定位置的0可从下面得到：(6) ，这里Dc是核心的平均直径，D为管子直径。Dc取自从模型得到的核心形态(在特定 L/D处)的平均核心直径图13描述了在Uso =0.53 m/s和Usw= 0.3 m/s时0随L/D的变化。从图中可以观察到，石油原位体积分数的在入口附近高，并逐渐减少，直到它到22L/D（大约）后达到恒定。这背后的原因可以归结为一个定值项的影响。结果是先前提到的速度和压力场都未得到发展。由于这种情况，油分数在进口处更多。随着流体向出口移动，速度场得到发展，原位体积分数趋于恒定。随后，有人试图了解Uso和Usw对0影响。通过实现Uso保持0.53 m/s不变，并从0.3到1 m/s逐步改变水的流速范围。对于所有这些