腐蝕結(jié)垢對(duì)長(zhǎng)輸管道流場(chǎng)影響的數(shù)值模擬

腐蝕結(jié)垢對(duì)長(zhǎng)輸管道流場(chǎng)影響的數(shù)值模擬

摩擦不僅是造成固體相位能量損失的主要原因，也是導(dǎo)致固液界面之間相位能量損失的主要原因。據(jù)說，世界能源的消耗是克服摩擦的主要原因。管道運(yùn)輸中一部分能量用于克服地形高差所需的位能,另一部分就是克服油品沿管路流動(dòng)過程中摩擦造成的能量損失。油品在管道內(nèi)的流動(dòng)狀況和管道內(nèi)表面形貌有很大關(guān)系,之前都只是關(guān)注初始粗糙度對(duì)摩擦阻力的影響,較少關(guān)注管道運(yùn)行過程中內(nèi)表面發(fā)生變化后摩擦阻力的變化。而我國(guó)大部分原油具有高黏度的特點(diǎn),易結(jié)垢,并且隨著原油開采末期高含水期的到來,管線腐蝕、結(jié)垢問題更將是困擾和制約管道輸送今后發(fā)展的重要因素之一。腐蝕、結(jié)垢都會(huì)對(duì)管道內(nèi)表面形貌產(chǎn)生較大影響,所以有必要對(duì)此種情況下的管道摩擦阻力變化進(jìn)行研究。目前運(yùn)用FLUENT軟件對(duì)管道摩擦阻力進(jìn)行研究是一種新的方式,本文作者通過數(shù)值模擬管道在腐蝕、結(jié)垢條件下流場(chǎng)的變化情況,進(jìn)而分析管道流體摩擦阻力的變化情況。通過計(jì)算和比較分析管道的沿程摩擦阻力系數(shù),獲得了管道腐蝕、結(jié)垢后內(nèi)壁表面狀態(tài)的改變對(duì)管道流體摩擦阻力的影響規(guī)律。1摩擦阻力失測(cè)管道的摩阻損失包括沿程摩阻損失和局部摩阻損失兩部分,沿程摩阻損失是指流體通過直管段所產(chǎn)生的摩阻損失;局部摩阻損失是指流體通過各種閥件和管件時(shí)所產(chǎn)生的摩阻損失,也就是流體流經(jīng)突變截面時(shí)流速的大小和方向均發(fā)生劇烈變化而引起的能量損失。對(duì)于長(zhǎng)輸管道摩擦損失主要是沿程摩阻,局部摩阻只占1%~2%。從流體力學(xué)角度分析,沿程摩擦阻力產(chǎn)生的本質(zhì)是,流動(dòng)過程中流體受管壁和自身黏性影響會(huì)產(chǎn)生摩擦損失,并會(huì)產(chǎn)生徑向方向的速度分量,阻礙沿軸向方向的運(yùn)動(dòng),從而造成不必要的能量損失。本研究旨在通過FLUENT軟件數(shù)值模擬輸油管道的流動(dòng)狀況,并通過后處理得到數(shù)值模擬過程中管道的沿程阻力系數(shù)λ。這里需要用到2個(gè)公式,即流體力學(xué)中著名的伯努利方程和達(dá)西公式,分別如下所示:考慮水平管道,故位置水頭變化可以忽略不計(jì),又選取充分發(fā)展段,管道橫截面平均速度相等,所以式(1)和(2)簡(jiǎn)化聯(lián)立后可解得:在數(shù)值模擬過程中,可以得出管道中不同截面處油流的壓降Δp及對(duì)應(yīng)截面處的平均流速v,所以可以求出數(shù)值模擬管道的沿程阻力系數(shù)λ,對(duì)比原管道和腐蝕、結(jié)垢管計(jì)算的λ值,即可得出管道摩擦阻力的變化情況。2模型的構(gòu)建2.1原油流動(dòng)管道首先建立管道的幾何模型,其中一條管道由于要添加腐蝕凹坑,所以選取的管道尺寸相對(duì)小一些,減小復(fù)雜程度。管道為水平管,流體以一定的速度在管道中流動(dòng),內(nèi)部流動(dòng)介質(zhì)為原油。為了具有代表性,選用的原油為大慶原油,具體物性如下:密度ρ=860kg/m3,運(yùn)動(dòng)黏度v=2×105mm2/s,動(dòng)力黏度μ=0.0172Pa·s。管道相關(guān)尺寸分別為:長(zhǎng)度L=2m,直徑D=0.3m,當(dāng)量粗糙度e=0.10mm,幾何模型如圖1所示。2.2數(shù)值模擬方法湍流流動(dòng)是一種高度復(fù)雜的流動(dòng),目前的湍流數(shù)值模擬方法可以分為直接數(shù)值模擬(DirectNumericalSimulation)和非直接數(shù)值模擬。非直接數(shù)值模擬又分為大渦模擬方法(LargeEddySimulation)、Reynolds平均法和統(tǒng)計(jì)平均法。數(shù)值模擬最理想的狀態(tài)就是網(wǎng)格最夠小,小到足以分辨最小渦的運(yùn)動(dòng),時(shí)間步長(zhǎng)也足夠短,短到小于渦的最小運(yùn)動(dòng)周期,但這幾乎是不可能實(shí)現(xiàn)的,因?yàn)閷?duì)計(jì)算機(jī)硬件要求太高。退而求其次就有了大渦模擬(LES),可以將比網(wǎng)格尺度大的湍流運(yùn)動(dòng)直接計(jì)算出來,小于網(wǎng)格尺寸的渦對(duì)大尺寸渦的影響就通過建立模型來模擬,但這仍對(duì)計(jì)算機(jī)有較高的要求。所以只能再退而求其次,用RANS法,即只考慮渦流引起的平均流場(chǎng)的變化,就是只要得到整體的效果即可,所以就對(duì)網(wǎng)格尺寸要求不是很高,可以用一般計(jì)算機(jī)求解,目前運(yùn)用較多的是RANS平均法。在此選用的就是運(yùn)用RANS平均法的RNGk-ε模型。3模擬分析3.1分散劑的選取流體流動(dòng)受物理守恒定律的支配,基本的守恒定律包括:質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律、能量守恒定律。如果流動(dòng)包含不同成分(組元)的混合或相互作用,系統(tǒng)還要遵守組分守恒定律。如果流動(dòng)處于湍流狀態(tài),系統(tǒng)還要遵守附加的湍流輸運(yùn)方程。控制方程就是這些守恒定律的數(shù)學(xué)描述。由于在研究中不考慮流體流動(dòng)過程中的熱交換和溫度變化,故沒有包括能量守恒方程。(1)質(zhì)量常數(shù)守固定公式(2)變量守規(guī)程(3)崔動(dòng)能k的輸出方程(4)崔里色散率的輸運(yùn)方程查表可得:Cμ=0.09,δk=1.0,δε=1.3,Cε1=1.44,Cε2=1.92。3.2增加管道流速針對(duì)于模型的數(shù)值模擬,給出以下邊界條件:把結(jié)垢簡(jiǎn)化為管道直徑的減小,前提是管道體積流量不變,根據(jù)文獻(xiàn),管道結(jié)垢厚度為幾毫米左右,在此取最不理想的情況,結(jié)垢層厚度為1cm。流通面積變小后,管道流速由原來的2m/s增加到2.3m/s。(1)進(jìn)口邊界條件:流體以2m/s的速度,水平方向進(jìn)入到管道中;(2)出口邊界條件:設(shè)置為出流;(3)壁面邊界條件:固體壁面上采用無(wú)滑移條件。幾何模型是在GAMBIT軟件中直接建立的。雖然模型比較規(guī)則簡(jiǎn)單,網(wǎng)格劃分還是進(jìn)行了幾次不同的嘗試,選取運(yùn)用邊界層網(wǎng)格的劃分方式。本節(jié)中選擇分離式的求解器,采用隱式算法,采用SIMPLE算法。對(duì)于亞松弛迭代因子,可初步確定壓力修正項(xiàng)為0.3,動(dòng)量修正項(xiàng)為0.7。在計(jì)算的過程中,根據(jù)收斂情況,確定是否要對(duì)松弛因子進(jìn)行調(diào)整,收斂殘差標(biāo)準(zhǔn)均設(shè)為10-3。4流場(chǎng)模擬結(jié)果及分析4.1對(duì)結(jié)垢的網(wǎng)格劃分將劃分的網(wǎng)格導(dǎo)入FLUENT軟件進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,在滿足殘差的條件下,得到滿足要求的解,數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理后得到所需的結(jié)果。圖2,3分別為未結(jié)垢管內(nèi)流場(chǎng)的速度云圖、壓強(qiáng)云圖。為得到結(jié)垢管的速度和壓力云圖,同樣將結(jié)垢管的網(wǎng)格也導(dǎo)入FLUENT中進(jìn)行數(shù)值模擬,把兩種情況下的結(jié)果進(jìn)行比較,即可發(fā)現(xiàn)管道中流場(chǎng)的變化情況,如圖4,5所示。由于管徑只是變化了2cm,從結(jié)垢前后管的速度云圖和壓強(qiáng)云圖并不能很直觀地看出流態(tài)的變化,因此選取相同位置的截面,計(jì)算了截面處的平均速度和壓力,結(jié)果如表1,2所示?？梢园l(fā)現(xiàn),在流通面積減小后,管道內(nèi)流速加快,壓降也增大了。網(wǎng)格檢驗(yàn)是數(shù)值模擬過程中重要的一步,只有通過網(wǎng)格檢驗(yàn)才能說明網(wǎng)格劃分對(duì)計(jì)算結(jié)果沒有影響,即得到的數(shù)據(jù)才具有可信性。為此只對(duì)未結(jié)垢管計(jì)算域重新劃分了網(wǎng)格,得到的對(duì)比結(jié)果如表2所示?？梢园l(fā)現(xiàn)不同的網(wǎng)格劃分得到的結(jié)果是基本相同的,因此網(wǎng)格劃分是合理的,可以用于數(shù)值模擬。采用上面的網(wǎng)格劃分,計(jì)算沿程阻力系數(shù)如下:根據(jù)雷諾數(shù)計(jì)算公式,即,可得當(dāng)體積流量不變時(shí),直徑d減小,雷諾數(shù)增大。又根據(jù)公式λ=0.3164Re-0.25,可知當(dāng)雷諾數(shù)增大時(shí),沿程摩擦阻力減小。上面計(jì)算結(jié)果和理論分析結(jié)果一致,可以發(fā)現(xiàn)沿程摩擦阻力系數(shù)變小,但單位長(zhǎng)度的壓降相差仍然較大,這就說明結(jié)垢對(duì)管道的運(yùn)行有很大影響。眾所周知,長(zhǎng)輸管道在設(shè)計(jì)時(shí),泵站數(shù)都是在規(guī)定流量下油品從起點(diǎn)到終點(diǎn)總的壓力損失來確定的,如果結(jié)垢過厚,管路全線的壓力能的損失肯定會(huì)增大,這就要求管道每個(gè)泵站要提供更多的壓頭,才能保證油品在管道中可以順利輸送。但管道可以承受的壓強(qiáng)是一定的,而且隨著管道使用年限的增加,管道強(qiáng)度也是不斷下降的,所以增大管道運(yùn)行時(shí)的壓強(qiáng)可能會(huì)造成管道的破裂,從而形成嚴(yán)重的環(huán)境事故。所以必須對(duì)管道的結(jié)垢進(jìn)行控制,使管道可以長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)行。4.2腐蝕管道沿程摩擦阻力系數(shù)數(shù)值檢驗(yàn)管道的腐蝕是一個(gè)復(fù)雜的過程,表面的腐蝕坑也是無(wú)規(guī)律的,所以要完全模擬管道的腐蝕較難,在此同樣采用簡(jiǎn)化處理。在GAMBIT建模中,首先建立三維的圓柱體表示管道的計(jì)算域,在此基礎(chǔ)上再添加腐蝕坑。因?yàn)檫x取的管道內(nèi)徑為300mm,管壁厚度在10mm左右,所以添加的腐蝕坑最大深度為8mm左右,添加到圓柱上后,通過布爾運(yùn)算將它們合成為一個(gè)整體,再進(jìn)行網(wǎng)格劃分。幾何模型和網(wǎng)格劃分分別如圖6,7所示。與前面一樣,對(duì)幾何模型同樣進(jìn)行了網(wǎng)格檢驗(yàn)。將模型導(dǎo)入到FLUENT中,得到的速度、壓力云圖及相關(guān)數(shù)據(jù)如圖8,9和表3所示。計(jì)算腐蝕管沿程摩擦阻力系數(shù)如下:與前面計(jì)算的未腐蝕管沿程摩擦阻力系數(shù)0.0403相比,可以發(fā)現(xiàn)沿程摩擦阻力系數(shù)值減小,壓降也有所減小。該計(jì)算結(jié)果和前面的理論分析有出入,其原因并不是因?yàn)楣艿辣砻孀兊么植?導(dǎo)致沿程摩擦阻力系數(shù)變大和阻力增加。下面將給出這一現(xiàn)象的機(jī)制解釋。出現(xiàn)腐蝕凹坑后管道沿程摩擦阻力減小,其原因在于該尺度的凹坑并沒有加劇紊流,因?yàn)榻饘俦砻孢€是被邊界層覆蓋住了,凹坑中的渦流被抑制在邊界層中而不能擴(kuò)散到中心流中加劇主流場(chǎng)的紊流,如圖10所示。相反在金屬表面和流體之間發(fā)生了類似于滾動(dòng)摩擦代替滑動(dòng)摩擦的現(xiàn)象,滾動(dòng)摩擦造成的阻力明顯是小于滑動(dòng)摩擦所造成的阻力,因而就出現(xiàn)了管道在出現(xiàn)該尺度的腐蝕坑后阻力反而減小的情況。另外,Bearman和Harvey也曾發(fā)現(xiàn),雷諾數(shù)在4×104~3×105的范圍內(nèi),布置凹坑直徑與圓柱直徑比為0.009的凹坑在圓柱體表面能實(shí)現(xiàn)減阻。原因可能是圓坑結(jié)構(gòu)近似于一種小面積曲面,可以形成一種獨(dú)特的渦使流場(chǎng)中的旋渦重新擬合,且流場(chǎng)中大部分的渦都被約束在這種結(jié)構(gòu)中,破壞了原始流場(chǎng)中的湍流渦結(jié)構(gòu),并嚴(yán)重干擾了湍流大渦的形成,從而實(shí)現(xiàn)減阻。這可以為基于表面紋理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的管道減阻提供一種新的思路和方法。5單位長(zhǎng)度和管道強(qiáng)度下降(1)管道在結(jié)垢后流通面積減小,在體積流量不變的情況下流速增加,通過理論分析可知沿程摩擦阻力系數(shù)減小,數(shù)值模擬也說明了這一點(diǎn),但