基于FLUENT的飞机输油管道气液两相流冲洗研究.pdf

科技创新导报 Science and Technology Innovation Herald科技创新导报2022 NO.30 Science and Technology Innovation Herald航 空 航 天 科 学 技 术基于FLUENT的飞机输油管道气液两相流冲洗研究夏洪涛 韦欢洲 苏泽世 刘学文*（上海工程技术大学机械与汽车工程学院 上海 201600）摘要：针对输油管道杂质冲洗的问题，根据现场的工况，利用FLUENT数值模拟软件建立相应的理论模型，再将模型应用到输油管道的气液两相流冲洗规律研究中。得到的数值模拟结果表明：在油气比和气进口速度不变的情况下，随着油进口速度的增大，直管的壁面应力逐渐增加，喷射源即杂质颗粒喷出位置的速度也逐渐增大。通过对输油管道冲洗规律的研究，可以在直管管道运行过程中采取相应的措施进行预防，降低了油品下降的风险，也延长了输油管道的使用寿命。关键词：输油管道 气液两相流 数值模拟计算 管道冲洗中图分类号：V228.1文献标识码：A文章编号：1674-098X(2022)10(c)-0067-04Study on Gas-Liquid Two-Phase Flow Flushing of Aircraft Oil Pipeline Based on FLUENTXIA Hongtao WEI Huanzhou SU Zeshi LIU Xuewen*(School of Mechanical and Automotive Engineering,Shanghai University of Engineering Science,Shanghai,201600 China)Abstract:In view of the problem of impurity flushing in oil pipelines,the FLUENT numerical simulation software was used to establish the corresponding theoretical model according to the field working conditions,and then the model was applied to the study of gas-liquid two-phase flow flushing law in oil pipelines.The numerical simulation results show:With the constant oil gas ratio and gas inlet velocity,as the oil inlet velocity increases,the wall stress of the straight pipe gradually increases,and the velocity of the injection source,that is the position where the impurity particles are ejected,also gradually increases.Through the study on the flushing rules of oil pipelines,corresponding measures can be taken to prevent the decline of oil products and prolong the service life of oil pipelines.Key Words:Oil pipeline;Gas-liquid two-phase flow;Numerical simulation calculation;Pipe flushing含固体颗粒的多相流动现象在石油化工、核能、航空航天、采矿冶金等诸多工业过程中广泛存在，例如，在输油管道运行中就存在着含固体颗粒的多相流动现象，而输油管道设备经常发生因颗粒杂质而产生的堵DOI：10.16660/ki.1674-098X.2204-5640-8705基金项目：2021 年上海工程技术大学校级大学生创新训练项目：输油管线冲洗的多相流研究（项目编号：CX2101021）。作者简介：夏洪涛（2000），男，本科在读，研究方向为车辆工程专业。通信作者简介：刘学文（1978），男，博士，高级工程师，研究方向为力学信息学、重大工程问题的CAE软件开发与应用，E-mail：。67科技创新导报Science and Technology Innovation Herald2022 NO.30 科技创新导报 Science and Technology Innovation Herald航 空 航 天 科 学 技 术塞。在管道运行前期，管道中泥沙颗粒导致故障占很大一部分1。飞机输油管道是关系到飞机油品安全的重要设备，为了飞行安全，必须对飞机输油管道进行严格检测和监测2。开启预过滤器与过滤分离器进行检查清洗时，发现内部有较多的固体杂质，通过检验和分析，这些经过输油管道末端过滤器过滤出的固体杂质成分有铁锈、焊渣、泥沙等3，若不及时清理，极易造成管道管壁穿孔，引起油品泄漏4。因此，需要对输油管线进行冲洗，去除杂质。RACP A等采用了流量修正传输的方法对气体和液体管道中清管器运动进行了数值模拟，但没有考虑到气体和液体的混合比问题5。WU X等在天然气管道空中穿越清管过程动态响应中只考虑了单相冲洗，而并未涉及多相流冲洗6。钟强通过数值模拟的方法研究了流体对管道的冲刷作用，考虑了入射角度、流体的速度等因素对冲洗的影响7。张赫铭等采用标准k-湍流模型，研究了三通管中壁面切应力的分布，讨论了流体力学因素对冲洗的影响8。由此可见，国内外学者都对管道冲洗展开过研究。本次，我们将采用数值模拟结合理论分析的方法对输油管线的多相流冲洗展开研究。1 数值模拟分析1.1 理论模型管道冲洗时，流动为湍流且为不可压缩流动。对单相流冲洗时，设置为稳定流；对多相流冲洗时，设置为瞬态流动。入口边界条件选为压力入口，出口为压力出口边界条件9。对多相流冲洗时，对于入口相的设置，根据油气不同配比进行设置。以计算流体动力学理论为基础，进行一定的假设后，通过求解连续性方程、动量方程和能量方程等微分方程，再结合给出的初始条件和边界条件，运用计算机和其它的特定软件，对微分方程进行空间和时间的离散，并进行一定数量的迭代计算，最终来逼近一个近似解10，这就涉及到控制方程的选择。以下分别是流体力学中的连续方程、动量平衡方程的微分方程形式。1.1.1 连续性方程t+()ujxj=0（1）1.1.2 动量平衡方程t(ui)+xj(ujui)=xj(uixj)-pxi+xj(ujxi)-23xi(ujxj)+gi-Fi（2）本次模拟实验将选择标准k-方程来进行数值模拟，k指单位质量流量的湍流脉动动能，其定义如下11：k=12(-u2+-2+-w2)（3）是指脉动动能的耗散率，通过引入，可以把湍流粘性系数t和k联系起来12：t=ck2（4）1.2 管道冲洗模拟1.2.1 计算模型选取某输油管道工程进行研究，选择水平管道作为研究对象，建立几何模型，最终确定模型管道管长L=25m，管 径 D=0.219m，最 终 建 立 几 何 模 型 如 图 1所示。图1管道几何模型示意图68科技创新导报Science and Technology Innovation Herald科技创新导报 Science and Technology Innovation Herald2022 NO.30 航 空 航 天 科 学 技 术1.2.2 初始条件设置管道的中间进口是空气，外环是油气，通过改变进口的横截面积来改变不同油气比。下面数据选用的油气比为2 1，空气的进口速度为10m/s。油气进口初始化表压350 000Pa，设置强度与粘度比：湍流强度5%，湍流粘度比 10；出口回流方向设置“normal to boundary”，回流压力设置“total pressure”，设置强度与粘度比：湍流强度为5%，湍流粘度比设为10。1.2.3 网格和边界条件首先，采用专业建模软件Solidworks进行三维参数化模型建立，导入ANSYS并进行网格划分，对模型网格的划分形式是混合，网格添加边界层，先控制网格，选取混合网格划分，控制网格大小为20mm，然后增加边界层，以四层1.2倍的速度递增，随后增加进口边的尺寸限制，分为28份。本次数值计算的网格最终控制在17万左右。管壁为模拟铁质材料，壁面粗糙度为0.5，管道模型关键参数设置如表1所示。1.2.4 计算方法应用ANSYS FLUENT 软件对飞机输油管道多相流冲洗进行数值模拟，采用标准k-方程来进行数值模拟13。入口设置为速度进口，出口设置为压力出口，压力为350 000Pa，壁面设置为无滑移的静止壁面，残差收敛标准设置为10-7，时间步长设置为0.0005s，计算的总时间不确定，以管道内颗粒物全部冲出作为模拟实验结束的标志。2 结果分析图2为在油气比为2 1、空气的进口速度为10m/s的情况下，油进口速度为1m/s时，壁面正应力分布图。本文控制油进口速度的大小，其他变量保持不变，取油进口速度分别为1m/s、3m/s、5m/s、7m/s、9m/s。通过对实验数据结果的分析，发现随着油进口速度的增大，管道壁面的正应力也逐渐增大。分析管道内油气两相的动压分布，气相动压小于油相动压，而两个气泡之间的小液柱动压却比油相的动压大很多，是油相动压的2倍多，可以对管道壁面的颗粒起到清洗作用，相比于单相油冲洗的效果也要好很多。随着进气时间的延长，管道内的油相动压值持续增大，分析管道内油气两相的动压分布，随着冲洗速度增大，冲洗可能更加高效，但同时，当增大冲洗速度时，要保证产生的管壁正应力不高于管壁的强度极限，否则可能会使管壁破损，产生安全隐患。图3为在油气比为2 1、空气的进口速度为10m/s的情况下，油进口速度为9m/s时，x=5m、x=10m、x=15m处喷射源的喷出速度。控制油进口速度的大小，其他变量保持不变，取油进口速度分别为1m/s、3m/s、5m/s、7m/s、9m/s，得到在不同油进口速度下不同喷射源位置的喷出速度。结果显示，在一般情况下，当油进口速度越大时，不同喷射源喷出的速度也越大。油进口速度最佳速度集中在 3m/s、5m/s 和 7m/s时，这种最优速度一方面不会由于进气量太少不能形成单状流的冲洗状态，也不会因为进气量太多使气液两相保持弹状流的高能量的连续对管壁的冲刷作用，从而使得气液两相各相的作用都发挥出来。管道内的湍流强度增大，流体的紊动情况加剧，增大惯性切应力，使壁面剪切力增大，使清洗效果更好。在管壁处的湍流强度较大，沿着管道半径方向，越靠近管道中心，湍流强度逐渐下降，并且在管道入口段，随着流动的发展，湍流强度会先加强后减弱，随着充气速表1管道模型关键参数设置参数流体材料原油密度/（kg/m3）固体颗粒物直径/m每个位置固体颗粒物总流量/（m/s）重力加速度/（m/s2）喷射源位置/m管道直径/m数值kerosene-liquid78010-60.00310-109.8x=5、10、150.219图2油进口速度为1m/s 时壁面正应力分布图69科技创新导报Science and Technology Innovation Herald2022 NO.30 科技创新导报 Science and Technology Innovation Herald航 空 航 天 科 学 技 术度的增加，湍流强度也会随之增大，流体（橙色部分）在管道横截面上的分布可直观看出。同时，这也意味着当管道内部压力较高时，管道壁面正应力变大，流体与管道内颗粒之间发生耦合作用，颗粒与管道内壁之间的碰撞多产生滑移现象，加剧管道的磨损。当系统集输压力较低时，随着流速的不断增大，由流体携带的固体颗粒的数量增加，颗粒与管道内壁碰撞的概率增加，管道冲蚀率增大。因此，通过降低流体流速，可以减轻管道冲蚀磨损，减少管道壁面应力，同时杂质颗粒的冲洗效果也良好。所以，为了管道安全，应选择合理的油进口速度。3 结论（1）采用数值分析法，从流体力学的角度对直管的气液两相流冲洗进行数值模拟分析。从管道壁面正应力分布云图可以看出，混合气进口速度越大，管壁正应力越大。（2）通过在固定油气比和固定空气的进口速度情况下对不同的油进口速度进行数值分析，分析结果表明，管道受到的最大压力随油进口速度的增加而变大。因此，在实际现场中，为了避免因流速过大引起输油管道管壁的腐蚀和穿孔而使管道受损，应合理选择流速。（3）研究的过程为利用流体力学理论研究多项流冲洗提供了依据。参考文献1 王洪达,刘杰,李岷桁,等.输油管道竖直90弯管冲蚀模拟研究J.中国科技信息,2021(23):81-84.2 徐哲轶.固体杂质对输油管道弯头的冲刷腐蚀仿真研究J.中国设备工程,2019(12):144-145.3 郭云光,肖明沅.浅析航空煤油长输管道内杂质产生的原因及应对J.化工管理,2014(36):93-94.4 滕向松,孟军政,尹仲伟,等.基于FLUENT的输油管道弯头冲蚀模拟分析与防控措施研究J.石油化工腐蚀与防护,2021,38(3):19-22.5 RACP A,RMB B,FBDFR C,et al.Numerical simulation of pig motion in gas and liquid pipelines using the Flux-Corrected Transport methodJ.Journal of Petroleum Science and Engineering,2020,189(9):106970.6 WU X,NIU S,LI C.The study of the dynamic response of the natural gas pipeline aerial crossing during pigging process:a reviewJ.Journal of Fluids and Structures,2021,105(5):1-17.7 钟强.油气管道中油气水多相流水击问题的数值模拟D.西安：西安建筑科技大学,2019.8 张赫铭,李文昊,何新林,等.不同管径水平管道气液两相流动数值模拟J.排灌机械工程学报,2021,39(5):488-494.9 张洋洋,刘志慧,耿光伟,等.多相流流动对管道腐蚀状况研究J.盐科学与化工,2021,50(12):5-10.10张馨玉.介质、管径及倾角对管内气液两相流型影响的数值模拟D.长春:东北电力大学,2019.11张显晖.空气中传染性飞沫传播过程的数值模拟D.包头：内蒙古科技大学,2011.12宋晓琴,刘玲,骆宋洋,等.天然气集输管道90弯头冲蚀磨损规律研究J.润滑与密封,2018,43(8):62.13吕永亮.油页岩高频多场对流法加热特性数值模拟研究J.科技创新导报,2017,14(20):28-29.图3管道在油进口速度9m/s 下，x=5m、x=10m、x=15m 处喷射源的喷出速度70