T型集输管路油水两相流数值模拟

于 爽， 阿斯汉， 孙 策， 王卫强， 刘 欣

(1. 辽宁石油化工大学，辽宁抚顺 113001；2. 中国石油管道建设项目经理部，北京 100101)



T型集输管路油水两相流数值模拟

于 爽1， 阿斯汉1， 孙 策1， 王卫强1， 刘 欣2

(1. 辽宁石油化工大学，辽宁抚顺 113001；2. 中国石油管道建设项目经理部，北京 100101)

针对我国油田含水率较高的特点，建立油水两相均质流模型。采用有限体积法，压力速度耦合PISO算法对T型管内油水两相流动进行数值模拟，研究不同管径比对T型管路内局部阻力的影响。经计算得到T型管路内压力、速度的分布情况。结果表明，局部阻力最大的位置在主管和支管交汇处，明显大于交汇前后的摩擦阻力，而且不同管径比对交汇处的局部阻力损失影响很大，随着垂直支管管径的增大，局部阻力损失会相应增大。此外，由于交汇后的主管流量大于交汇前的主管流量，交汇后的摩擦阻力均大于交汇前的摩擦阻力。

油水两相流； T型管； 数值模拟； 局部阻力损失

近些年来，随着我国各油田开发的深入，大部分油田经过多年注水开采后，已进入开采中后期，采出液含水率不断上升[1-2]，其中以大庆油田为首，其含水量已达到80%以上。因此，油田油水混输问题日益受到关注[3-4]。在输水、输油及输气管道中，常会遇到分支或交叉管路，T型管就是其中最为常见的一种[5]，而T型管结构的不同会造成不同的局部损失，这对输运费用影响很大[6-7]。研究对象为主流与支流交汇的T型管路，结合我国油田含水率较高的特征，针对不同管径比的T型管路结构进行数值模拟，研究不同管径比对集输管路T型管内局部阻力损失的影响。这对我国高含水率油田集输管路中T型管路的结构优化和节约能源具有现实意义。

1 模型建立

1.1 物理模型

针对不同管径比对T型管路内局部阻力损失的影响，重点考虑管道轴向的压力变化情况，而不考虑径向压力的变化情况，故只建立二维T型管路模型。水平主管管径0.1 m，长10 m，垂直支管管径0.1 m，长4.95 m。主管油水流动方向从左至右，流速2 m/s。支管油水流动方向由下至上，流速1 m/s。T型管路的具体结构及几何尺寸如图1所示。

图1 T型管物理模型

Fig.1 Physical model of T-tube

1.2 数学模型

水平主管和垂直支管交汇处流动情况复杂，而有限体积法是解决此类问题的常用方法之一[8]。根据有限体积法，油水两相流动在数值模拟过程中需要满足质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程等基本控制方程[9]。由于模拟过程不涉及传热以及相间能量交换等问题，故不启用能量控制方程。在求解设置中，湍流模型选择标准k-ε模型[10]。

(1) 质量连续方程：

(1)

(2)

式中：u为x方向的流体速度，m/s；v为y方向的流体速度，m/s；ρ为油水混合密度，kg/m3；ρk第k项的密度，kg/m3；αk第k项的体积分数。

(2) 动量守恒方程：

(3)

(4)

式中：p为压强，Pa；μ为动力黏度，Pa·s；Su、Sv为源项，W/m3。

(5)

(6)

(3) 标准k-ε模型方程：

在标准k-ε模型中，k和ε是两个基本未知量，与之对应的输运方程：

(7)

(8)

(9)

式中：k为湍动能；ε为湍动能耗散率；P为湍流生成项；-ρε为湍流消失项；Cε1、Cε2、Cμ为经验常数，默认值分别为1.44、1.92、0.09；σk为湍动能对应的普朗特数，默认值为1.0；σε为湍动耗散率对应的普朗特数，默认值为1.3；μl为动力黏度，Pa·s。

2 网格划分与模拟设置

2.1 网格划分

网格的划分对于数值模拟计算的精度及效率影响很大，当计算区域内网格数目不够时，计算产生的离散误差较大，当计算区域内网格数目过大时，不仅增加计算量，而且产生的舍入误差也会增大。所以需要根据油水两相流动的特性合理划分网格。

采用Quad划分类型和Map划分方法将计算区域划分为四边形的结构性网格，并在管路内壁面设置边界层，从而确保壁面值能够满足湍流模型及壁面函数的要求。设置第一个点距壁面距离为0.001 m，递增比例因子为1.2，边界层为4层。此外，由于水平主管和垂直支管交汇处流动情况复杂，需对其网格进行加密处理，划分好的网格如图2所示。

2.2 计算方法

针对我国油田高含水率的特点，以大庆某油田实际原油和水的物性参数为参考，如表1所示。

图2 网格划分

Fig.2 Mesh structure

表1 原油和水物性参数

求解过程中，选取压力求解器，并设定为定常流动。由于不考虑相间曳力并且油水两相流动中分散相分布较广，所以多相流模型选择混合模型。启用标准k-ε湍流模型，然后在边界条件的设置中确定速度入口油水混合相的湍流强度，当速度为2 m/s时，入口湍流强度为6.7%，当速度为1 m/s时，入口湍流强度为7.3%。出口为自由出流，管壁为无滑移壁面。

使用隐式算子分割法(PISO)求解离散方程组。因为PISO算法有两次修正过程，第一次修正结束得到速度和压力后，继续进行第二次修正，从而能够更好的满足动量方程和质量连续方程，该方法使得计算结果更精确。同时，为了保证计算的收敛性，需要适当调整松弛因子，密度修正项改为0.8，体积力修正项改为0.8。动量离散化采用二阶迎风的离散格式，体积分数离散化采用QUICK。

3 结果与讨论

3.1 压力、速度云图分析

针对主管管径0.1 m，支管管径0.1 m的情况进行模拟。由计算结果得到压力分布云图见图3，速度分布云图见图4。

由图3所示，水平主管和垂直支管在交汇前的各管段上压力均保持稳定，在交汇处压力急剧变化，产生一个高压区，当干流和支流经交汇处向出口流出时，流体压力会迅速下降，并在交汇处附近的近壁面处形成一个低压回流区，随后稳定流出。

图3 压力分布云图

Fig.3 Pressure distribution chart

图4 速度分布云图

Fig.4 Velocity distribution chart

由图4所示，水平主管和垂直支管在交汇前的各管段上两种流体均已达到充分混合发展状态，在交汇处速度急剧变化，经过交汇处一段时间后，流体再次达到充分混合发展状态。

3.2 不同管径比下压力分析

为了研究不同管径比对T型管路局部阻力损失的影响，保持主管管径不变，取0.1 m，改变支管管径，分别取0.05、0.10、0.20 m三种管径。取水平主管为研究管段，观察沿主管水平轴向的静压、总压、动压的变化趋势。图5、6、7分别为主管水平轴向的静压对比曲线图、总压对比曲线图、动压对比曲线图。

图5 静压对比曲线图

Fig.5 Static pressure comparision of the curve chart

图6 总压对比曲线图

Fig.6 Total pressure comparision of the curve chart

由图5、图6所示，在水平主管和垂直支管交汇前，主管沿水平轴向方向的截面静压、截面总压均线性下降。支管管径为0.05、0.10、0.20 m时，主管压力下降速率分别为-1 173.78、-1 167.65、-1 179.73 Pa/m。可见，交汇前不同支管管径对主管的压降没有明显影响。在交汇处压力急剧下降，且随着垂直支管管径的增大，压力下降幅度也增大。经过交汇处后，压力继续沿水平主管的轴向方向线性下降。支管管径为0.05、0.10、0.20 m时，主管压力下降速率为-1 666.74、-2 214.32、-3 506.01 Pa/m。可见，交汇后，随着垂直支管管径的增大，支管流量和主管流量相应增加，导致主管压降随之增大。此外，随着垂直支管管径的增大，在相同位置的水平轴向截面上，截面静压、截面总压也相应增大。

由图7所示，在水平主管和垂直支管交汇前，主管沿水平轴向方向的截面动压均保持稳定。在交汇处截面动压急剧上升，且不同管径比下，增幅程度不同，垂直支管管径越大，增幅越大。经过交汇处后，

沿水平轴向方向继续保持稳定。此外，随着垂直支管管径的增大，在相同位置的水平轴向截面上，截面动压也相应增大。

图7 动压对比曲线图

Fig.7 Dynamic pressure comparision of the curve chart

4 结语

运用Fluent模拟软件对集输管路T型管内的油水两相流进行数值模拟，获得T型管路中不同管径比下的轴向压力分布情况。通过对比分析水平主管轴向截面静压、截面总压、截面动压分布情况得出：局部阻力最大的位置在主管和支管交汇处，明显大于交汇前后的摩擦阻力，而且不同管径比对交汇处的局部阻力损失影响很大，随着垂直支管管径的增大，局部阻力损失会相应增大。此外，由于交汇后的主管流量大于交汇前的主管流量，交汇后的摩擦阻力均大于交汇前的摩擦阻力。所得结果对我国高含水率油田集输管路中T型管路的结构优化和节约能源具有现实意义。

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(编辑 闫玉玲)

Numerical Simulation on Oil-Water Two-Phase Flow in T-Tube of Gathering Pipeline

Yu Shuang1， A Sihan1， Sun Ce1， Wang Weiqiang1， Liu Xin2

(1.LiaoningShihuaUnivercity，FushunLiaoning113001，China; 2.PetroChinaPipelineConstructionAdministrationDepartment，Beijing100101，China)

Since high moisture content is one of the characteristics of oil field in China, an oil-water two phase homogeneous flow model was established in this study. Finite volume method and pressure velocity coupling PISO algorithm were adopted to conduct the numerical simulation of oil-water two phase flow in T-tube. The influences of different diameter ratios on the internal local resistance of T-tube were studied. The distributions of pressure and velocity in the T-tube were accessed through calculation. The results indicated that on the intersection of the main pipe and branch pipe, local resistance was the highest, which was obviously higher than the frictional resistances before and after the intersection. Different diameter ratios had great influence on local resistance loss on the intersection. With the increase of vertical branch pipe diameter, local resistance loss increased accordingly. In addition, since the volume of main pipe became larger after the confluence, the frictional resistances were all larger than those before the confluence.

Oil-water two phase flow； T-tube；Numerical simulation； Local resistance loss

1006-396X(2015)04-0094-04

2014-07-11

2014-09-20

辽宁省教育厅科学研究基金资助(L2011054)。

于爽(1989-)，男，硕士研究生，从事油气管道输送技术研究；E-mail：yus00suy@126.com。

王卫强(1974-)，男，博士，副教授，从事油气管道输送技术研究；E-mail：wwq920285@163.com。

TE862

A

10.3969/j.issn.1006-396X.2015.04.020