固液两相流渐缩管冲刷特性的数值模拟_方正.pdf

2023 年 第 4 期 化学工程与装备 2023 年 4 月 Chemical Engineering&Equipment 1 固液两相流渐缩管冲刷特性的数值模拟固液两相流渐缩管冲刷特性的数值模拟1 1 方 正1，曾 莉1，胡道麟2，宋世聪1，朱武坤1，王 格1，闫天琦1，黄文杰1（1武汉工程大学机电工程学院；2武汉工程大学光能数理学院，湖北 武汉 430205）摘 要：摘 要：为研究固液两相流下油气田输送管道渐缩管的冲刷特性，在液固两相流条件下，在 Workbench中建立倾角为 3、8、13、18和 23的渐缩管物理模型，利用 ANSYS-Fluent 软件对渐缩管段进行冲刷特性数值模拟，同时分析入口流速、渐缩段倾角、砂粒浓度、砂粒粒径四个参量对渐缩管段的冲刷破坏规律。结果表明：流速、动压、剪切应力、湍流动能沿渐缩段流动方向逐渐增加，而静压沿渐缩段流动方向逐渐减小，砂粒浓度在渐缩段底部较高。最大冲刷速率随入口流速、渐缩段倾角和砂粒浓度增加而增大，砂粒粒径对冲刷速率的影响较为复杂，随砂粒粒径增加，冲刷速率先减小，后增大，随后又减小，最终趋于平稳。本文固液两相流渐缩管冲刷特性的数值模拟结果可为油气生产中管道变径管段冲刷控制与防护提供有价值的理论指导。关键词：关键词：固液两相流；冲刷；渐缩管；数值模拟 基金项目：基金项目：国家自然科学基金(51901164)通讯作者：通讯作者：曾莉 前 言前 言 管线的冲刷腐蚀在石油及天然气化工中普遍存在1。冲刷腐蚀指的是金属表面和腐蚀性流体之间相对高速运动而引起的金属损坏现象。随着油气开采进入到中后期阶段，输送管道内 CO2及 H2S 气体分压增大，砂粒含量增加，管线服役环境更加苛刻，易导致管道壁面减薄、孔蚀，进而发生泄漏，造成巨大的经济损失和人员伤亡2,3。尤其是流体流经弯管、三通、变径管等过流部件时，流体的流动方向和固体颗粒的运动方向发生突变，冲刷加剧，管道的壁面厚度迅速减薄，极易发生穿孔而导致管线失效，大大缩短管线的使用寿命4,5。国内外学者对管线冲刷进行了大量研究，研究主要采用计算流体动力学（CFD）模拟方法获取流体动力学参数对管道冲刷行为的影响6-9。前期研究工作模拟了单相流下弯管处的流速和剪切应力分布10,11，及固液两相流下弯管处的沙子浓度、二次流及冲刷速率分布12，并结合流动加速腐蚀和冲刷腐蚀实验，揭示了流动加速腐蚀机理和冲刷腐蚀机理与流体动力学特征的相关性。而变径管处的流体动力学特征与弯管处截然不同。伞宇曦13等对水平渐变管在油水两相流下的压力分布进行模拟，结果显示渐变段压力波动较大，而非渐变段压降稳定；高洋14等模拟了油水两相流、气液两相流流经突缩管的流动形态变化，获取不同含水率、油品粘度、入口流速、管道突缩比条件下压力、相分布云图及速度矢量图，探究了不同因素对流动形态与局部阻力系数的影响。以上对变径管的冲刷特性模拟研究仅考虑油水或气液两相流情况，并未引入固体颗粒，而流体中携带固体颗粒可大大加剧管道的冲刷破坏，因此有必要对变径管段固液两相流的冲刷特性进行系统研究。本研究针对固液两相流渐缩管的冲刷特性，探究了变径管段流体动力学参数静压、动压、流速、砂粒浓度、壁面剪切应力、湍流动能的分布，以及入口流速、渐变段倾角、砂粒浓度和砂粒粒径对渐缩管冲刷特性的影响。相关结论可为油气田生产中管道变径管段冲刷控制与防护提供理论依据，为变径管段的结构设计优化提供有价值的参考。1 渐缩管数值计算模型 1 渐缩管数值计算模型 1.1 数学模型 实验中选用的模拟流体为固液两相流，固液两相流数值模拟遵循质量守恒方程、能量守恒方程及动量守恒方程。在连续运动中，固体颗粒与液态水相之间会产生相互影响，因此计算过程需考虑双向耦合作用，选用标准k-模型15-17（k是湍流脉动动能，是湍流脉动动能的耗散率）。质量守恒方程：(1)能量守恒方程：(2)科学研究与开发 科学研究与开发 DOI:10.19566/35-1285/tq.2023.04.0442 方 正：固液两相流渐缩管冲刷特性的数值模拟 动量守恒方程：(3)式中：为混合密度，kg/m3；为质量的平均速度，m/s；m 为质量原项，kg；为混合粘度，Pa s ；为第k相体积分数，%；为体积力，N；为第k相内能，J；p为流体内压力，Pa；为有效热导率，w/(m k)。湍流脉动动能k方程：=(4)湍流动能耗散 方程：()-=(5)式中：为在 时的平均速度，m/s；为平均速度梯度在第k项时产生的湍动能项，为浮力在k项时引起的湍动能项，为湍流中可压缩的脉冲扩张贡献，为湍流粘度 Pa s ，K为湍流动能，J；为湍流损耗率，m2/s3；为流体密度，kg/m3；为 k 方程中的湍流普朗特数，方程中的湍流普朗特数。雷诺系数：(6)式中：为流速，m/s；为密度，kg/m3；d为水力直径，m；为流体的粘度，Pa s。1.2 冲刷模型 影响管道两相流冲刷行为的因素诸多，如流速、渐缩段倾角、砂粒浓度、砂粒粒径和管径等。砂粒冲击管道壁面产生严重的冲刷破坏，本工作中，由于管路中流体携带少量砂粒，为能实时监测粒子的运动情况，采用颗粒磨蚀与沉积(Particle Erosion and Accretion，PEA)模型表征砂粒对管道壁面的冲刷作用，此冲蚀模型方程18为：(7)式中：为管道壁面的冲刷磨损率，kg/（m2s）；N为碰撞管道壁面的固体颗粒数目；为固体颗粒的质量流率，kg/s；C为颗粒直径的函数，其取值为 1.810-9；为固体颗粒撞击壁面的角度，；为撞击角度函数，取为 1；b是相对速度函数，取值为 0；为管道壁面计算单元，m3。2 渐缩管的数值计算模拟方法 2 渐缩管的数值计算模拟方法 2.1 几何模型建立及网格划分 利用网格生成前处理软件 Workbench 建立总长度为1200 mm 的水平渐缩管段三维几何模型，如图 1 所示，模型由三部分构成，分别为渐缩前直管段、渐缩段、渐缩后直管段。油气田环境中对于渐缩管的倾角选择通常控制在0-30，渐缩倾角大于 30 度，最大冲刷速率会后移至渐缩后直管段。由于渐缩后直管段直径小，流速在此区域增加，若最大冲刷速率也集中在此区域，则对管道的冲刷破坏将大大增加19-21。据此本文中选取渐缩段倾角分别为 3、8、方 正：固液两相流渐缩管冲刷特性的数值模拟 3 13、18、23，渐缩前直管段的直径为 70 mm，渐缩后直管段的直径为 40 mm。渐缩段不同倾角条件下，渐缩前直管段和渐缩后直管段长度相同。随着渐缩段倾角增加，渐缩段长度减小，渐缩前后直管段长度增加。对模型采用正四面体网格划分，如图 2 所示，体网格尺寸为 0.004 m。图 1 不同倾角渐缩管的几何模型 Fig.1.Geometric model of gradual contraction tubes with different taper angles 图 1 不同倾角渐缩管的几何模型 Fig.1.Geometric model of gradual contraction tubes with different taper angles 图 2 倾角为 8的渐缩管段的网格示意图 Fig.2.Mesh of the gradual contraction tube with the taper angle of 8 图 2 倾角为 8的渐缩管段的网格示意图 Fig.2.Mesh of the gradual contraction tube with the taper angle of 8 为了保证模拟结果准确度，在计算允许的范围内对模型进行网格无关性验证，从而得出合适的网格密度，检验结果如图 3 所示。从图中可知，最大冲刷速率随网格数量的变化而不断变化，当网格数量大于 2.56105时，最大冲刷速率变化逐渐平缓，因此，渐缩管的网格数量选取 258922。图 3 最大冲刷速率与网格数目的关系曲线 Fig.3.Relationship between the maximum erosion rate and the mesh number 图 3 最大冲刷速率与网格数目的关系曲线 Fig.3.Relationship between the maximum erosion rate and the mesh number 2.2 边界条件 将渐缩前直管段端面设为 velocity-inlet 进口边界，渐缩后直管段端面设为 outflow 出口边界，应用 ANSYS-Fluent 模拟软件进行流体动力学模拟。目前我国大部分油田已进入油气开采的中后期阶段，由于注水量大，采出液含水率升高，特别是陆上油田采出液含水率平均已达到 80%22，河南某油田现场取样的样品含水率已高达 98%23，山东胜坨油田现阶段综合含水率已超过 95.5%24。因此，本文中将液态水作为连续相介质，密度为 1000 kg/m3，固体二氧化硅颗粒作为离散相介质，密度为 2600 kg/m3，并假定固体颗粒为球状颗粒，流体温度为 60，运算过程中考虑流体的重力作用，取 g=9.81 m2/s。参考油田管线液固两相流的实际工况条件，入口流速分别设为 4、8、12、16、20 m/s25-27，对应湍流强度分别为 38%、75%、111%、147%、185%，入口压力为 1 MPa，水力直径为 0.07 m。由于最小流速 4 m/s条件下，进口处的Re为 187581，该值远远大于 4000，因此模拟过程中选用标准的k-湍流模型，壁面粗糙度为 10 m，收敛精度为 10-5。采用离散相模型（Discrete phase model，简称 DPM）获取渐缩管段内的冲刷速率云图。本文重点关注固体砂粒在渐缩管渐缩段附近的集中分布情况，因此采用欧拉模型（Euler Model）获得砂粒在渐缩管段内的浓度分布。2.3 模拟参数 本文首先模拟渐缩管段内静压、动压、流速、砂粒浓度、壁面剪切应力和湍流动能分布。然后以不同进口流速、渐缩段倾角、砂粒浓度、砂粒粒径作为变量，如表 1 所示，模拟4 方 正：固液两相流渐缩管冲刷特性的数值模拟 不同条件下渐缩管段冲刷速率的变化规律。表 1 渐缩管段流体动力学模拟参数表 Table 1 The parameters of fluid dynamics simulation for the gradual contraction tube 表 1 渐缩管段流体动力学模拟参数表 Table 1 The parameters of fluid dynamics simulation for the gradual contraction tube 序号 流速（m/s）倾角（）砂粒浓度（wt%）砂粒粒径（m）1 4、8、12、16、20 8 1 450 2 8 3、8、13、18、23 1 450 4 8 8 0.5、1、1.5、2、2.5 450 5 8 8 1 50、250、450、650、850 3 计算结果及分析 3 计算结果及分析 3.1 渐缩管段流体动力学参数模拟 图 4 渐缩管段压力分布云图 Fig.4.Contours of pressure 图 4 渐缩管段压力分布云图 Fig.4.Contours of pressure 图 4 为入口流速 8m/s、压力 1 MPa、倾角 8、砂粒浓度 1 wt%、砂粒粒径 450m 条件下渐缩管段的静压和动压分布云图。从图 4（a）中可看出，静压在渐缩前直管段保持不变，当流体流经渐缩段时，静压沿流体流动方向呈梯度逐渐减小，在渐缩段与渐缩后直管段交接处静压出现最低值，为-3.45105 Pa。随着流体继续往前流动，流经渐缩后直管段，静压有略微的上升趋势，随后达到稳定而保持静压不变。在径向方向上，压力分布均匀。另外，渐缩管段的静压沿流动方向呈层状分布，且静压在渐缩段有剧烈变化。由于管壁处的静压是管壁处流体受周围液体分子不规则运动产生的挤压而形成28，当流体流经渐缩段时，管径逐渐减小，横截面积逐渐缩小，管壁处流体承受较小体积流体