基于Fluent的吹扫装置效率主要参数分析

李帅，刘怀，陈钊

（1.中石油江汉机械研究所有限公司，湖北 武汉 430000； 2.长城钻探工程有限公司井下作业分公司，天津 300457； 3.浙江油田公司工程技术中心， 浙江 杭州 311100）

自2007年国内首台连续管作业机研制成功以来，由于其自身的优势，连续管作业机已被广泛应用于油田行业中的多个技术领域[1]，包括钻井、气举排液、快速修井等等，但在作业机进行入井作业后，尤其是针对含硫化氢井时，连续油管起下过程会携带酸性液体并残存在油管内部，如果不进行处理，任由腐蚀液体长期浸泡，不将管内酸液及时排除，将会导致油管被腐蚀，甚至出现穿管现象，造成安全隐患及经济损失[2]。为解决该问题，中石油江汉机械研究所有限公司研制了一种吹扫装置，用于在作业机作业之后对油管进行排液，该装置主要是通过马达驱动，对油管进行吹扫。但由于地形地貌的影响，不同型号的连续管作业机会根据现场情况配套不同尺寸的连续油管，油管的管径、壁厚、长度以及滚筒底径也会随之改变，这就直接影响了吹扫装置在实际使用中的吹扫效率[3]。本文主要是通过Fluent 仿真分析，运用控制变量法，详细分析了油管管径和滚筒底径对吹扫效率的影响并对壁厚在吹扫过程中的受力进行分析，对壁厚进行优化，得到的结论可以为现场工程技术服务提供参考，具有较强的工程实践指导意义。

1 数学模型

本文的研究对象是圆管内的流体，将利用流体动力学基本方程对其流场进行计算分析[4]。计算中流体介质为液态水和空气，且环境温度为常温常压，其换热强度可以忽略不计[5]。在连续管道内的流动过程中，不考虑流体与环境的热量交换，因此不需要建立能量方程来进行求解，所以在计算中需要遵循质量守恒定律和动量守恒定律即可。涉及流体力学基本方程组包括连续方程和运动方程[6]。

1）质量守恒定律（连续方程）

质量守恒方程的物理意义为单位时间内流入控制体内的流体质量与流出控制体的流体质量相 等[7]，其矢量形式的表达式为：

式中：ρ— 流体密度， kg·m-3；

∇— 拉普拉斯算子；

v— 流体流动速度， m·s-1；

Sm— 稀疏相增加到连续相中的质量或用户自定义的质量源项。

2）动量守恒定律（运动方程）

动量守恒定律的物理意义为单位时间内控制体内动量随时间的变化率等于作用在控制体上力的总和[8]。惯性坐标系下的表达式为：

式中：p— 静压；

τ—应力张量；

ρg和F— 分别为重力体积力和其他体积力，F还可以包括其他模型源项或者用户自定义源项。

2 连续管道建模与计算

2.1 模型构建及网格的划分

在连续管道的分析中，不仅要分析流体在吹扫机构一定功率下的吹扫效率，而且要分析流体对不同管壁壁厚的压力情况，因此在建模时将模型分为流体域模型和固体域模型，其中模型尺寸见表1。

表1 模型尺寸

采用控制变量的方法，分别对管道管径、底径及壁厚进行正交仿真实验。保持管道长度为300 m，底径为2 400 mm，管径采用不同的尺寸，来分析管径对吹扫效率的影响；保持管道长度为300 m，管径为66.675 mm，底径采用不同的尺寸，来分析底径对吹扫效率的影响；保持长度为100 m，管径为44.45 mm，底径为1 800 mm，壁厚采用不同的尺寸，分析连续管道在工作状态下的受力情况。

模型均采用Workbench 中的Design Model 模块进行建立。如图1 所示。

图1 底径为2 400 mm，管径为44.45 mm 流体模型

对模型采用六面体网格划分，使网格沿管道方向分为5 000 份。设置壁厚方向的网格为2 层。如图2 所示。

图2 网格划分

2.2 模型构建及网格的划分

2.2.1 计算设置

连续管道的吹扫过程是带自由表面的非稳态三维气-液两相流过程[9]，因此本文中选择三维非定常，流场计算采用分离式求解；确定流动为湍流，湍流模型采用能更好处理大区率壁面的Realizable K-e模型[10]，近壁区域处理采用标准壁面函数；压力插值方式采用Body Force Weighted[11]，压力速度耦合方式选适用于非稳态流动的PISO 算法，动量方程、湍动能方程以及湍能耗散率方程的离散采用一阶迎风格式[12]；多相流模型采用适用于带有自由表面的多相流VOF 模型，边界插值采用高精度的集合重构方案，相数位2[13]。

2.2.2 材料属性与边界条件

气相为空气，作为基本相，其密度为1.225 kg·m-3，黏度为1.789 4 e-05 kg/m-s；

液相为液态水，作为次要相，其密度为998.2 kg·m-3，黏度为0.001 003 kg/m-s；

气相与液相之间的表面张力为0.073 N·m-1；

固体材料选用结构钢，其密度为7 850 kg·m-3，弹性模量为2e5 MPa，泊松比为0.3；

工作压力为标准大气压，即101 325 Pa，重力加速度为-9.81 m·s-2；

壁面条件为无滑移；

管道入口处采用流量入口，为0.102 m3·s-1；

管道口处采用压力出口，与大气相通；

求解计算设置时间步长为0.01 s，确保每一步都达到收敛。

3 结果分析

3.1 判断连续管排空依据

图3（a）所示的为管道中相的分布情况，其中红色部分为气相，蓝色部分为液相，从图中可以看出，空气从管道入口进入后，由于表面张力的影响，空气会优先沿着管道内壁流动，导致出现空气与水的分层现象[14]。因此连续管道排空的标志为管道出口处均为气相。

图3 流体域相的分布情况

由于在连续管排水过程中，空气与水发生分层现象，因此应检测出口处外侧点位置的气相占比，如图3（b）中黑点所示。图4所示的为底径2 400 mm，管径为66.675 mm 连续管出口监测点位置的气相占比变化曲线，从图中可以读出检测点在32.9 s 时已全部为气相。因此可以认为该管道在32.9 s 时排空。以此种方法对各模型进行后处理，读取连续管道排空的时间。

图4 管道出口监测点的空气含量随时间变化曲线

3.2 管径对吹扫效率的影响

保持管道长度为300 m，底径为2 400 mm，管径采用不同的尺寸，分析管径对吹扫效率的影响，仿真结果如图5 所示。

图5 管径-排空时间变化曲线

从图5 中可以看出，随着管径的不断增大，连续管的吹扫效率也在随之降低。当吹扫功率一定时，管径的大小直接影响着吹出空气的速度，在管道长度相同的状况下，必然导致管径越大，吹扫效率越低。且曲线大致成凹二次多项式的趋势，因此要提高连续管道的吹扫效率可以适当减小管径，这样可以大幅度增大吹扫效率。

3.3 底径对吹扫效率的影响

保持管道长度为300 m，管径为66.675 mm，底径采用不同的尺寸，分析管径对吹扫效率的影响，仿真结果如图6 所示。

图6 底径-排空时间变化曲线

从图中可以看出，随着底径的不断增大，连续管的吹扫效率也在随之降低。且曲线大致成凸二次多项式趋势，当底径为1 800 mm 时，连续管道吹空时间为30.1 s；当底径为2 900 mm 时，连续管道吹空时间为33.6 s。可以看出底径对于吹扫效率有着一定的影响，但影响程度远小于管径，因此要增强连续管道的吹扫效率，减小管径是主要途径，也可以通过减小底径，但效果不是很明显。

3.4 管道受力

由于在对管道进行吹扫过程中，管道受到的应力会随着流动状态而改变，因此要分析管道在吹扫过程中的受力情况，需将流体计算管壁的压力结果导入模型中作为管道内壁的边界条件，进行单向流固耦合分析[15]。保持长度为100 m，管径为44.45 mm，底径为1 800 mm，壁厚采用2.77 mm 的厚度建立连续管道模型。如7（a）图所示。对连续管道进行单向流固耦合的瞬态静力学分析，结果如图7（b）所示。

图7 管径44.45 mm，底径1 800 mm，壁厚2.77 mm 管道模型

图7（b）为2.77 mm 壁厚的连续管道在吹扫过程中的应力曲线，其中应力在起始状态下达到最大，为283.76 MPa，此应力远小于结构钢的许用应力 460 MPa，因此2.77 mm 壁厚的连续管道在吹扫过程中是满足强度要求的[16]。

由于在壁厚为2.77 mm 时，管道受到的应力远小于结构钢的需用强度460 MPa，因此可以对管道壁厚进行优化，以节省材料，分别建立壁厚为 1.5 mm 和2 mm 的管道模型，进行分析，仿真结果见表2。

表2 不同壁厚管道最大应力

当壁厚为2 mm 时，管道在吹扫过程中受到的最大应力为369.82 MPa，此值小于结构钢的许用应力460 MPa，因此可以满足强度要求。当壁厚减小为1.5 mm 时，管道在吹扫过程中的最大应力为499.85 MPa，因此管道在1.5 mm 的壁厚下会发生强度失效。由于文中基于最小壁厚在最大吹扫效率下进行的仿真分析，得出可将管道厚度减少至2 mm，因此满足各种工况下的管道强度需求。

4 结束语

影响连续管道吹扫效率的因素有多种，本文从管径和底径两个方面对吹扫效率的影响进进行了分析。在吹扫功率一定的情况下，影响连续管道吹扫效率的主要因素为管径，减小管径可以大幅度提高吹扫效率；底径对连续管道吹扫效率的影响远小于管径，可以在小范围内对吹扫效率产生影响，底径越小，吹扫效率越高。

结合连续管道在吹扫过程中的受力分析，对现有管道壁厚提出优化，可以适当将厚度减少至 2 mm，在满足管道强度的同时节省了材料，降低了成本。