输油管道双转角弯管内多相介质流动特性研究

刘忠运， 张兴乐， 钟 丽

(1重庆能源职业学院 2重庆东部石油有限公司 3重庆龙海石化有限公司)

近年来低含油混合介质在弯管内的流动特性及流场分布规律逐渐引起相关领域学者的重视[1-2]。Sudo[3]，Taylor[4]以90°弯管为研究对象，借助于旋转探针及激光多普勒技术，对关内流体流动特性进行了试验测量。李静[5]等针对不同雷诺数及管径比条件，对弯管内的速度场及压力场进行了数值模拟分析。于利伟[6]等通过设计多相流试验台，完成了试验台管道上弯管区域速度分析。同时部分学者[7-9]分别采用大涡模拟方法、RNG、k-ε湍流模型等方法对弯管内的流动特性进行系统分析。实际上在原油的开采及运输过程中，难免会存在携砂现象，混合介质携砂一方面会对增强管道的冲蚀，另一方面也会对油相的分布产生影响。彭文山[10]等采用计算流体动力学方法，分析了管道直径、弯径比、弯曲角度等条件对固液两相流冲蚀弯管进行了数值模拟分析，确定出了最佳的弯管参数。在采出液运输过程中，量化管道内固液两相流动特性，分析油相及砂相分布，对于管道的优化设计及指导输送系统的安全运行至关重要。

本文基于计算流体动力学方法与群体平衡模型，以双弯管为研究对象，分析了不同雷诺数对弯管内压力场、速度场、油相粒度以及油砂两相分布的影响，对研究弯管内多相流流动机理及优化设计管网系统具有一定的指导意义。

一、计算模型建立

1. 流体域模型

物理模型为两个90°圆弧弯曲弯管，由两个水平管段及一个竖直管段构成。其主要结构参数如图1所示，管道内径为100 mm，两个水平管段长度相等均为500 mm，数值管段高为400 mm，弯曲直径为100 mm。介质由左侧低处的入口进入，经两个90°弯后由右侧高处的出口流出，在水平管段及竖直管段上均选取两个截面对流场进行分析。

图1 物理模型及参数

2. 网格划分及无关性检验

利用Gambit软件采用四面体网格对弯管模型进行网格划分，通过调整网格尺寸的方法控制网格总数。

3. 边界条件

模拟介质为油、水、砂混合，介质物性参数及含量以油田现场采出液为参考，其中水为连续相介质密度为998.2 kg/m3，黏度为0.001 mPa·s；油相密度为889 kg/m3，黏度为1.03 mPa·s，体积分数为6%，砂相密度为2000 kg/m3，粒径为300 μm，体积分数为2%。入口边界条件为速度入口，入口雷诺数Re分别为5.83×104、2.91×105、5.82×105、8.74×105、1.07×106，出口为自由出口。

二、结果分析

1. 流场特性

1.1 速度场

模拟得出管道内水平方向的速度分布云图2，可以看出上游水平管、竖直管以及下游水平管内流速变化较大，分布规律明显不同。在上游水平管内流体介质刚进入管道内时流速比较稳定，同时近壁区域由于摩擦阻力的影响使得流速减小。在一个圆弧过渡区域速度明显降低，且在转角处形成该区域的速度最大值。液流进入竖直管段内时，由于运动方向变为竖直运动，所以水平方向速度明显降低。在第二个圆弧过渡区域水平方向速度又逐渐增大，液流又逐渐转变成水平运动，但在第二个圆弧过渡段出口处形成涡流，流场湍流作用增强。

图2 X方向速度分布云图

图3 Y方向速度分布云图

数值方向速度分布云图如图3所示，可以看出在竖直管道内部速度并非对称分布，左侧区域速度要小于右侧区域，原因是液流在第一个圆弧过渡出口处形成涡流区，致使管道右侧区域速度升高，并于第二个圆弧过渡处达到竖直速度的最大值。

1.2 压力场

整体压力由入口到出口呈现出逐渐降低的趋势，上游水平管紧邻入口压力较大，在上下两个涡流区压力明显降低，在液流变化方向的两个圆弧过渡区域压力有所升高，并在外壁的转角处达到压力最大值。

1.3 浓度场

不同截面位置油相体积分数分布云图如图4所示，图中各截面位置如图1所示，在上游水平管段内入口处油相分布较为均匀，液流运动至S2位置时，油相向上运动管道上部油相分布较大。在竖直管段内受涡流影响出现局部油相分布较高现象，当流经至下游直管段内时，受湍流作用影响管内下层油相分布较多，上层油相分布较少。

图4 不同截面油相体积分数分布云图

砂相体积分数分布云图如图5所示，可以看出管道入口位置砂相分布较为均匀，当进入到上游直管段内时，逐渐出现分层现象，砂相向底部沉积。在竖直管段内由于涡流作用的影响，致使砂相向背离涡流区运动，涡流区域砂相减少。

图5 不同截面砂相体积分数分布云图

2. 雷诺数对流场的影响

为了分析不同入口雷诺数对管道内相介质流动特性影响，针对入口雷诺数分别为5.83×104、2.91×105、5.82×105、8.74×105、1.07×106时管道内的流场特性进行分析。

2.1 浓度场

在分析雷诺数对油相及砂相分布影响时，选取竖直管段轴心位置以及出口位置为分析对象。得出竖直管段内轴心区域由下到上的油相分布曲线如图6所示。可以看出较低雷诺数时(5.83×104)油相分布规律与较高雷诺数时不同，雷诺数在2.91×105～1.074×106时，径向位置100 mm附近会出现油相分布峰值区，而低雷诺数时无此峰值现象。这是因为在入口雷诺数较低时，弯管内涡流区的涡流现象不明显，未能对油相分布产生影响，在靠近管道顶部时油相密度较水小所以上浮，呈现出顶部油相含量增高的现象。同时可以看出随着雷诺数的增大，两个油相分布峰值逐渐升高，即涡流越大致使该区域内油相含量越高。

图6 不同雷诺数时竖直管内油相分布曲线

图7 不同雷诺数时竖直管内砂相分布曲线

砂相随雷诺数的分布情况如图7所示，可以看出在竖直管段内受涡流区的影响砂相分布存降低，因为在涡流区域内油相为轻质相汇聚到涡旋中心，而砂相密度较大在离心力的作用下运移至边壁处，致使该区域内分布降低。

三、结论

(1)混合介质在上游水平管内速度分布及浓度分布较为均匀，且由于壁面摩擦阻力影响，近壁处速度较低，轴心区域速度较大。竖直管内速度及浓度分布受涡流影响较大，同时下游水平管内由于涡流作用与上游水平管内速度场、压力场及浓度场分布差异较大。

(2)涡流区主要分布在弯管圆弧过渡出口区域，涡流会导致局部高压，同时扰乱介质运动轨迹，不利于多相介质混合同时会降低管道寿命。

(3)弯管内雷诺数为5.83×104时，湍流作用不较低，油相及砂相分布受其自身密度影响较大，出口处轻质油相分布在上层，重质砂相分布在下层。随着雷诺数的增大(2.91×105～1.074×106)涡流强度逐渐增大，致使砂相向上运动油相向下运动。