实现粘性流体的高效率运输

1、 实现粘性流体的高效率运输梁晓红 杨崭 孙玉娟 张逍驰 李真 杨海兴 关键字: 圆管流;分层流;数学模型;压降摘 要: 从流体力学中ns方程出发，建立了圆管两相分层层流流动的数学模型。通过两相分层层流的相互作用的流体力学分析，提出了两相流动界面的耦合条件，从而得到了一组完整描述两相圆管分层流的数学方程，再通过数值求解分层流的数学方程，得到了对工程实际应用有重要价值的流动规律。应用圆管两相分层层流的运动规律，可以实现高粘流体的高效率输送，其节能效果十分明显。 引言 在各种管道输送流体的过程中，由于流体成分的复杂性，常常出现两相分层流。如含水原油或含气原油的输送等，由于流体容重差的作用，常出现管道

2、中油水或油气的分层流；再如钻水平井及各种定向井中，工作液中含有大量岩屑而导致管道中上下层流体性质完全不同而成分层流。对这种圆管两相分层流，如果仍然用单相流来研究就会产生较大的误差。所以，研究圆管分层流具有重要的工程实际意义。 而与此同时，我们已经开始学习粘性流体流动的基本解题方法，研究这个更加实际和复杂的问题有助于我们更好地深入学习。例如a. 课本例题：管内定常流动 P247p ub. 平板边界分层流动 那么，当我们考虑在圆的边界而非平板边界的分层流动又会是什么情况呢？下面我们来分析这种管道内的分层流动。（一） 圆管分层流的数学模型 如图1所示，两相在圆管中分层流，上下两层流体的水力学参数分别

3、用下标1，2表示。圆管半径R，两项界面在Y=H处。假设流体只有轴向流而无径向流，且分层流界面稳定，无化学反应与掺混等现象发生。则由不可压缩流体力学的N-S方程知： (1) 边界条件： 1.上层流体，流速在管壁ADB上为零； 2.下层流体，流速在管壁ACB上为零界面处耦合条件： 1、设流体流动时上下两层流体相互之间无滑移，则在界面上， 2、由于上下两层流体相互作用，则在界面处相应的切应力相平衡，即 (2) 或为 (3)构成了一组描述圆管分层流动的适定的方程组。求解析解较为困难而用 数值方法求解更为恰当。（二） 数值求解a) 运用第一种差分法的五点格式 ，（P168数学物理方程及其数值解法） 方程

4、（1）为椭圆方程，先将圆管沿X、Y上直径N等分，划分圆管为若干个网格，取最靠近边壁的圆管内网格为边壁，只要网格足够精细，误差就可以降到足够小，得到： 即得 b) 运用逐次超松弛迭代法（SOR） 带入1，2即得上下层流体内网格处的迭代式；上层网格内的迭代公式： 下层网格内的迭代公式：界面上网格处： 界面处的迭代：(三) 算例 我们以如下参数作为算例分析： 图2 流量与分层高度的关系分别以上下两层流体的粘度相差从10倍到100倍不等进行计算，即分别对 开始，逐步减小至 ，再把圆管分层流动时高粘流体的流量与等压差下单一高粘流体的流量作一比较。,其中为压差不变时单一高粘流体时的流量。为图1所示，分别从

5、0至，步幅为。其运算结果为图2。 （四）结论及应用通过对圆管分层流的精确数值模拟，发现在输送高粘流体的时候，适当添加一些粘度较小的流体，如天然气等，形成圆管分层层流，则可实现比单一地输送高粘流体更加节能，更加高效。而且添加的流体粘度越小，则在输送高粘流体时，比单一地输送高粘流体节能的效率越高。另外，添加低粘流体的流量多少十分关键，添加低粘流体的流量太多或太少均不能达到高效节能地输送高粘流体的目的，必须通过精确的数值计算确定一个最佳的低粘流体的添加量，才可能达到目的。通过精确地数值计算确定一个最佳的低粘流体的添加量，可以比单一地输送高粘流体增加流量达152 316 ，其节能效果十分明显。本文的研

6、究工作为工程混输技术及设计提供了可靠的科学依据及计算方法。现在的管道运输主要有下面几种原油管道：世界上的原油总运输量中约有85%95%是用管道外运的。我国目前拥有原油管道约8000公里，管道原油运输量占管道总运输量的90%以上，原油外运量的70%以上是由管道运送的。成品油管道：可以是运送一种油品，也可以是运送多种油品，主要是由炼油厂通往化工厂、电厂、化肥厂、商业成品油库及其他用户之间。我国成品油管道大部分都是管径小、距离近、输送油品单一的管道。天然气管道：是输送气田天然气和油田伴生气的输气管道，由开采地或处理厂输送到城市配气中心，是陆地上大量运输天然气的唯一方式。煤浆、矿浆管道是将其粉碎后加水

7、成浆状通过管道运输。管道作为一种新型的现代化的运输方式将逐步扩大其使用范围。在建设方面不仅地区成网、国内成网，国际间跨国管道的发展也有相当的势头；在运输货种方面，由现有原油、成品油、天然气扩大到重油、二氧化碳气、沙石等建筑材料等；由于各种性能的货种增加，相应的管道驱动方式多样，输送工艺会更加复杂等。 在这一过程中，分层流的研究极高的粘性流体的配置问题将有很大的实用价值。参考文献：1 Govior G W ，Kaziz，复杂混合物在管道中的流动M, 权忠舆译。北京：石油工业出版社，1983. 2393572 郑永刚，方铎，水平偏心环空中分层流动的速度分布及减阻规律A,95全国水动力学研讨会文集C。北京：海洋出版社，1995. 2212263 郑永刚，谢翠丽，牛顿流体在圆管中紊流一层流分层流动及减阻规律A,第五届全国海事研讨会文集C。北京：海洋出版社，1999. 1231264 郑永刚，谢翠丽，圆管中分层层流流动的新模型及减阻规律J. 水利学报，1999，44（1）：23315 郑永刚，非牛顿流体流动理论及其在石油工程中的应用M.北京：石油工业出版社，1999. 1301726 郑永刚，方铎，圆管掺气减阻理论研究J. 水