兩種互不相容液體之間的密度相近,但粘度差別卻非常大。輸送高粘度液體時,使低粘度液體(如水)在管壁和高粘度核心流(如超稠油)之間形成環狀潤滑液膜,在一定的操作條件下,兩種流體在管內形成同心液環,低粘度流體液膜靠近管壁,從而避免因超稠油與管壁直接接觸而導致較高的壓力損失[1]。Bensakhria等設計的水膜發生器,當稠油通過水平管段時,利用環形注射方式引進水流,而Hasson等設計的水膜發生器形狀對稱,可以在很大程度上限制管道壁面附近低粘度流體的流動區域,降低入口流體的湍流程度[2]。基於在遼河油田進行超稠油水膜面減阻技術中型試驗(架空試驗管道長度200m,規格57×3.5)的成功經驗,借鑑國外水膜發生器的相關技術,開展新型高效水膜發生器的研究設計,研製產品即將應用於406×8實際運行管道中。
1結構設計
1.1水膜形成機理高壓水流通過注水口射入後爲湍流模式,各個方向速度均不穩定,不易形成穩定水膜。因此,在設計水膜發生器時,使高壓水流入射後通過一個厚度爲1的穿孔板再形成水膜,穿孔板均勻開孔,可以很好地控制入流速度;與水流入口垂直的板(穿孔板)上留有一定面積不開孔(圖1),使高速水流直接射到未開孔的鋼板上以控制水流動能。通過Fluent仿真軟件對水膜發生器內部流場進行模擬,確定水膜發生器的合理長度和開孔直徑。通過控制水流入口壓力、速度,可以控制水膜發生器形成水膜的厚度。
1.2滲透篩管的選擇將孔徑爲1mm的不鏽鋼穿孔板製作成圓柱形水膜面滲透篩管(圖2,開孔率爲15%),其作用是使垂直方向的水流均勻而平穩地注入輸油管道,而水流通過篩管的滲透速度是水膜形成的關鍵因素。
2強度計算
根據水膜發生器的結構特點,以殼單元建立全模型,利用StructuralShellElastic4node63單元進行計算,設置其常數爲10mm。由於水膜發生器筒體兩端連接其它構件,近似認爲兩端可以保持圓形截面形狀,爲此約束環向位移;在兩端約束軸向位移,向筒體內表面施加壓力,壓力值爲10MPa。利用有限元軟件ANSYS對水膜發生器進行應力分析,得到此時的應力雲圖(圖3),可知筒體兩端的連接過渡處內表面爲危險面,其最大應力強度值爲30.801MPa,遠遠小於X52管線鋼的屈服極限值。以X52管線鋼爲材料的水膜發生器最大承受壓力可達32.9MPa,當管道運行壓力爲6MPa時,可以保證安全運行。同時,根據ANSYS軟件的模擬結果(圖3),管壁開孔處(紅色區域)應力集中,應進行加強處理[3-4]。
3內部流場分析
3.1數學模型運用Gambit建立三維模型並進行網格劃分(圖4)。由於水膜面形成後環繞在油心的周圍,在壁面和油心之間形成薄膜,爲了捕捉界面的流體力學數據,劃分網格時使用邊界層網格進行處理,同時增大環狀區域的網格密度。性方程、動量方程、方程、方程。爲了便於對控制方程進行分析,以及利用同一程序求解各控制方程,設通用變量,則各控制方程均可表示爲:式中:各項自左向右依次爲瞬態項、對流項、擴散項和源項,其中:爲流體密度;u爲速度矢量。對於特定方程,、、S具有特定的形式(表1,其中:ui爲i方向的速度分量;爲應力張量;p爲靜壓;Si爲包含了其它的模型相關源項,如多孔介質和自定義源項)。式中:爲湍動能;t爲時間;爲耗散率;xi爲i方向;xj爲j方向;G爲由平均速度梯度引起的'湍動能產生項;Gb爲由浮力引起的湍動能產生項;YM爲可壓縮湍流中脈動擴張的貢獻;C1、C2和C3爲經驗常數;、分別爲與和對應的Prandtl數;S和S爲用戶定義的源項[5];t爲湍流粘度;C爲常數。水膜發生器的滲透篩管由厚度爲0.001m的不鏽鋼穿孔板製成,使用Fluent對其進行運算處理時可以應用多孔介質模型。因不鏽鋼穿孔板很薄,建立模型時使用表面區域而不是單元區域,故形成的多孔介質一維化簡模型被稱爲多孔跳躍,可用於模擬具有已知速度、壓降特徵的薄膜。多孔介質的動量方程具有附加的動量源項,其由兩部分組成,即粘性損失項和慣性損失項:式中:爲滲透率;C2爲內部阻力因子;爲液體粘度,Pa?s;vi爲i方向的速度分量,m/s;vj爲j方向的速度分量,m/s。通過多孔介質的液體爲水,其粘度較低,穿孔板很薄,因此忽略粘性損失項,只考慮慣性損失項[6]。
3.2邊界條件與初始條件水膜發生器在初始條件下充滿水,流動從稠油入口開始。油和水兩相液流均爲速度入口,油流入口速度0.8m/s,水流入口速度1m/s。出口壓力101325Pa,兩液體的表面張力0.3N/m。考慮y方向重力因素,其值爲-9.8m/s。超稠油密度爲0.996kg/m3,粘度爲2.5Pa?s。不鏽鋼穿孔板的開孔率爲15%,假設水流通過穿孔板的壓降是水頭壓力的0.5倍,可以通過下式計算慣性損失項中適當的C2值。p=0.5Klv215%式中:p爲壓降,Pa;Kl爲壓降損失因數;爲流體密度,kg/m3;v215%爲液體通過開孔率爲15%穿孔板後的速度,m/s。在Fluent模型中,水流通過穿孔板的速度假定爲100%開孔率下的速度,慣性損失係數必須轉化爲多孔區域的動壓頭損失[6],計算出在15%開孔率下,C2=25000。
3.3結果與分析採用非穩態模型對水膜發生器形成水膜的情況進行模擬,計算時間控制在3600s,並且結果已經收斂。觀察水膜面的形成情況(圖5a,紅色代表油相,藍色代表水相),在運行時間內油相體積分數圖像變化基本保持穩定,油水混合區域出現鋸齒波的主要原因是:在網格劃分過程中使用了邊界層網格,靠近壁面區域網格劃分密集,而水膜發生器內部核心區域網格劃分較爲稀鬆。因此,含水率稍有變化,水相的體積分數圖像變化幅度即非常明顯,但依然可見壁面附近水膜面的穩定形成。由水流入口中心截面圖(圖5b)可知,因水流垂直注入到沒有開孔的不鏽鋼板上,故油水界面清晰。在這裏定義x=0.4m時爲水膜發生器出口,x=0.6m時爲該模型出口。由水膜發生器出口和模型出口的截面圖(圖5c、圖5d)可知,水膜發生器出口處的水膜面厚度大於模型出口的水膜面厚度。對水膜發生器的內部速度場進行分析(圖6a,油流入口速度爲0.8m/s,對應淺黃色區域),水膜面形成以後,水流在水膜發生器及管道軸心位置的速度較大。水流入口速度爲1m/s,垂直注入到沒有開孔的不鏽鋼板上。水膜面滲透篩管外側爲水相區域,約在軸向x=0.14處篩網外側的水流速度減小至趨於穩定。由此可以推斷,在設計水膜發生器時,適當減小其軸向長度不會影響水膜面的穩定形成。篩管外環區域基本爲淺綠色(圖6b),表明水膜發生器設計8個入水口時得到的徑向速度較爲理想,篩管內側由於超稠油的高粘性使邊界層附近的速度梯度變化明顯。根據水膜發生器出口和模型出口的速度梯度雲圖(圖6c、圖6d),水流速度在徑向上逐漸變化,最高速度在管的中心位置,並沿徑向逐漸減小,至壁面接近於0。
4結論
研究設計了一種水膜發生器,其使水流垂直入射至水平管道上,並在管道上套加滲透篩管,外管走水,內管走油。根據Fluent軟件的模擬結果,可以適當減小水膜面滲透篩管的軸向長度,但需保留穿孔板上一定面積爲不開孔區域,以保證在篩管外得到穩定的水流速度場。根據強度計算結果,使用材料爲X52的管線鋼製作水膜發生器完全可以滿足實際運行工況條件的要求。根據ANSYS軟件的模擬分析結果,水膜發生器外壁面開孔處應進行加強處理。綜上分析,該水膜發生器可以應用於實際運行管道中,並能夠獲得穩定的環狀水膜面。