范開(kāi)峰， 王衛(wèi)強(qiáng)， 孫 策， 石海濤， 萬(wàn)宇飛

（1.遼寧石油化工大學(xué)，遼寧撫順113001；2.中國(guó)石油大學(xué)（北京），北京102249）

油水兩相流動(dòng)因所處的流動(dòng)條件不同而具有多種流型［1］。現(xiàn)階段，我國(guó)大部分陸上油田已進(jìn)入開(kāi)發(fā)后期［2］，為了提高采收率，往往采用注水方法開(kāi)采［3－4］，因此油水兩相流普遍存在于地面集輸管網(wǎng)和長(zhǎng)距離輸送管道中［5］。隨著石油開(kāi)采向沙漠、海洋等地域擴(kuò)展，所開(kāi)采原油大多為高黏原油，并且含水率往往很高，研究不同含水率下油水兩相流混輸流型、壓降等問(wèn)題對(duì)于合理選擇油品輸送方式具有重要作用。在油品輸送過(guò)程中，典型的突變管徑管道應(yīng)用較為廣泛，運(yùn)用計(jì)算流體力學(xué)軟件研究不同含水率油水兩相流在突擴(kuò)管道和突縮管道中的流動(dòng)特性可以為管路的實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行提供參考。

1 幾何模型與網(wǎng)格劃分

1.1 幾何模型

選用二維幾何模型，管道水平布置，其結(jié)構(gòu)及尺寸分布如圖1所示，長(zhǎng)度單位為m。

1.2 網(wǎng)格劃分

采用規(guī)則四邊形網(wǎng)格結(jié)構(gòu)對(duì)管道模型進(jìn)行劃分，對(duì)突擴(kuò)和突縮處網(wǎng)格采取加密處理（如圖2所示）。

圖1 突擴(kuò)管與突縮管幾何模型Fig.1 The geometry model of sudden expansion pipe and sudden contraction pipe

圖2 突擴(kuò)管與突縮管局部網(wǎng)格放大圖Fig.2 The local grid view of sudden expansion pipe and sudden contraction pipe

2 問(wèn)題描述與模型設(shè)置

2.1 問(wèn)題描述

所研究問(wèn)題基礎(chǔ)參數(shù)以新疆某油田實(shí)際油品物性參數(shù)為參考［6］，原油為中質(zhì)稠油，密度為930kg／m3，黏度為0.926Pa·s。原油含水率分別取50%、60%、70%、80%，管道左側(cè)為速度入口，右側(cè)設(shè)為自由出流出口，其中入口流速取0.8m／s。

2.2 模型設(shè)置

采用VOF模型求解油水兩相流流動(dòng)，它是一種在固定的歐拉網(wǎng)格下的表面跟蹤方法，通過(guò)求解單獨(dú)的動(dòng)量方程和處理穿過(guò)區(qū)域的每一流體的體積分?jǐn)?shù)來(lái)模擬多相流動(dòng)［7］，具有模擬精度高、能夠處理復(fù)雜邊界和適用范圍廣等特點(diǎn)。湍流模型選用標(biāo)準(zhǔn)k－ε方程，對(duì)于湍流不能充分發(fā)展的壁面區(qū)域選擇標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)進(jìn)行修正。由于含水率從50%到80%不等，故在選取相時(shí)將水作為基本相，原油作為第二相。

3 求解控制方程

油水兩相流瞬態(tài)數(shù)值模擬要遵守質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒、能量守恒等基本控制方程。針對(duì)油水兩相流中的主要問(wèn)題，忽略相間能量交換，不啟用能量控制方程。除此之外，方程求解時(shí)啟用了標(biāo)準(zhǔn)k－ε方程，對(duì)于未充分發(fā)展的湍流區(qū)域采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)處理。

3.1 質(zhì)量守恒方程

油水兩相各自質(zhì)量守恒方程為：

式中：ρo、ρw分別代表油相和水相密度，A 為水平管截面面積，v為平均速度，Γo、Γw為管道中單位時(shí)間內(nèi)每一單位體積產(chǎn)生的質(zhì)量源項(xiàng)。若有流體產(chǎn)生時(shí)，Γ為正值，根據(jù)質(zhì)量守恒有：Γo＝－Γw。

3.2 動(dòng)量守恒方程

式中：下角標(biāo)I代表油水交界面；β是管道與水平方向的夾角；s是界面長(zhǎng)度。當(dāng)Γw＞0時(shí)，＾v＝vo，當(dāng)Γw＜0時(shí)，＾v＝vw；對(duì)于水相，其界面剪切應(yīng)力τI為正數(shù)，對(duì)于油相，τI為負(fù)數(shù)。

3.3 標(biāo)準(zhǔn)k－ε方程

式中：Gk是由于平均速度梯度引起的湍動(dòng)能產(chǎn)生項(xiàng)；Gb是由浮力影響引起的湍動(dòng)能k的產(chǎn)生項(xiàng)；YM代表可壓縮湍流脈動(dòng)膨脹對(duì)總的耗散率的影響；C1ε、C2ε、C3ε為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，默認(rèn)數(shù)值分別為1.44、1.92、0.09；σk、σε分別為湍動(dòng)能和湍動(dòng)耗散率對(duì)應(yīng)的普朗特?cái)?shù)，默認(rèn)值分別為1.0、1.3；Sk、Sε為用戶(hù)定義的源項(xiàng)。

4 模擬結(jié)果及分析

4.1 油水兩相分布云圖分析

對(duì)于油水兩相流動(dòng)，主要分析了工程技術(shù)人員較為關(guān)心的兩相分布情況和壓力分布規(guī)律，給出了含水率從50%變化到80%工況下突擴(kuò)管和突縮管內(nèi)油水兩相的分布情況（見(jiàn)圖3、4），所給坐標(biāo)為油的體積分?jǐn)?shù)范圍從0到1。此外，還繪制了管道內(nèi)沿程壓力分布曲線(xiàn)（見(jiàn)圖5、圖6）。

對(duì)于突擴(kuò)管道，含水率從50%變化到80%時(shí)，兩相分布主要為水包油流型，油作為分散相分布在水中。含水率80%時(shí)，油以油滴形式均勻分布于水中，但是在管徑突擴(kuò)處由于稠油的黏滯性在突擴(kuò)后沿管壁形成一段油膜，含水率70%時(shí)也出現(xiàn)這種情況，但是油膜厚度相對(duì)較小，長(zhǎng)度略有增加。含水率達(dá)到60%和50%時(shí)，在管道突擴(kuò)后距離突擴(kuò)處約1 m后出現(xiàn)油膜潤(rùn)濕壁面情況。并且含水率為50%時(shí)，由于油的體積分?jǐn)?shù)比較大并且黏度較高，油相會(huì)堆積，使得油和水相間流動(dòng)?？偟膩?lái)說(shuō)，含水率為70%和80%時(shí)壁面主要由水潤(rùn)濕，流動(dòng)阻力較小，而含水率為50%和60%時(shí)，壁面被油相潤(rùn)濕，流動(dòng)阻力相對(duì)較大。含水率從50%變化到80%時(shí)，在突擴(kuò)雙肩處會(huì)出現(xiàn)對(duì)稱(chēng)的渦流，渦流內(nèi)流體主要由水填充。

圖3 不同含水率情況下突擴(kuò)管內(nèi)油水兩相分布云圖Fig.3 The oil－water distribution in sudden expansion pipe under the condition of different water content

圖4 不同含水率情況下突縮管內(nèi)油水兩相流分布云圖Fig.4 The oil－water distribution in sudden contraction pipe tunder he condition of different water content

突縮管道內(nèi)含水率從50%變化到80%時(shí)，其兩相分布規(guī)律與突擴(kuò)管道內(nèi)兩相分布規(guī)律類(lèi)似。但4種工況下，出現(xiàn)流型都為水包油流型且都為水潤(rùn)濕壁面。含水率為80%時(shí)，油以油滴形式均勻分布在水中，當(dāng)含水率達(dá)到50%時(shí)，同樣會(huì)出現(xiàn)油水相間流動(dòng)的情況。當(dāng)油水兩相流經(jīng)突縮處進(jìn)入小管徑管道后，分散在水中的油滴會(huì)進(jìn)一步聚集融合，形成體積更大一些的油團(tuán)，這主要是由于油滴之間的表面張力造成的。

4.2 壓力分析

在不同含水率下，管內(nèi)壓力變化趨勢(shì)相同并且沿程壓力數(shù)值波動(dòng)小。為便于分析和說(shuō)明壓力分布情況，取含水率為60%的情況進(jìn)行分析，結(jié)果如圖5、6所示。

圖5 含水率60%時(shí)突擴(kuò)管道沿程壓力曲線(xiàn)Fig.5 The pipe pressure curve in sudden expansion pipe when water rate is 60%

圖6 含水率60%時(shí)突縮管道沿程壓力曲線(xiàn)Fig.6 The pipe pressure curve in sudden contraction pipe when water rate is 60%

由圖5可知，突擴(kuò)管道內(nèi)壓力呈現(xiàn)出先減小，在突擴(kuò)處壓力又漸漸上升，進(jìn)而又沿程下降的趨勢(shì)，這與文獻(xiàn)［3］、［8］中對(duì)于突擴(kuò)管模擬所得結(jié)論一致。在管徑較小的0.5m管段內(nèi)，壓力下降率為1 100 Pa／m，隨后在突擴(kuò)管段0.35m長(zhǎng)度內(nèi)壓力以571 Pa／m的速率上升，這主要是由于流體進(jìn)入突擴(kuò)管道后部分速度能頭轉(zhuǎn)化為壓力能頭，在0.85m至2.5m管段內(nèi)，由于沿程摩阻損失，壓力以76Pa／m的速率下降。

由圖6可知，突縮管內(nèi)壓力呈現(xiàn)一直減小的趨勢(shì)。在突縮處前的管徑較大管段內(nèi)，壓力減小速率較小，只有370Pa／m。在突縮處，由于流體進(jìn)入管徑較小的管段內(nèi)后流速是之前的4倍，一部分壓力能頭轉(zhuǎn)化為速度能頭，導(dǎo)致管內(nèi)壓力急劇下降，瞬間下降了約1 500Pa。油水兩相流進(jìn)入管徑較小的管段后，受摩阻影響，壓力以1 833Pa／m的速率線(xiàn)性減小。

5 結(jié)論

（1）管道內(nèi)的油水兩相流的分布情況為水包油型流型，突擴(kuò)管道內(nèi)含水率為80%和70%時(shí)主要為水潤(rùn)濕壁面，含水率為60%和50%時(shí)主要是油潤(rùn)濕壁面，而在突縮管內(nèi)4種工況下都為水潤(rùn)濕壁面。

（2）突擴(kuò)管和突縮管內(nèi)的油水兩相流沿程壓力分布規(guī)律與普通直管道內(nèi)壓力分布有較大不同，在管徑突變處壓力呈現(xiàn)出較大的波動(dòng)變化，在突擴(kuò)管道內(nèi)是先增大后減小，而在突縮管道內(nèi)則是急劇下降。

（3）對(duì)于開(kāi)采原油中稠油較多和含水率高的現(xiàn)狀，研究結(jié)論對(duì)于認(rèn)識(shí)稠油集輸管網(wǎng)中突擴(kuò)管和突縮管內(nèi)油水兩相流流動(dòng)規(guī)律，優(yōu)化突擴(kuò)管道和突縮管道結(jié)構(gòu)，以及減少流動(dòng)的能量損失問(wèn)題都具有一定的參考價(jià)值。

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