17 基于cfd核-环降流模拟综合研究

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1、基于CFD的核-环降流模拟综合研究摘要：用水润滑输送高粘原油是能源领域的一项节能技术。本工作，对核-环流降流通过垂直管道进行了计算流体动力学模拟研究。应用了计算流体力学软件FLUENT6.3.26[1]，模拟数据和实验结果之间已取得令人满意的对比。对于广泛的进口油和水的流速的综合研究得到了速度，压力，体积分数及壁面切应力的数据图表。关键词：高粘原油；核-环状流；降流；壁面切应力1引言随着低粘度石油储量的日益消耗及陆地油田的枯竭，已经促使重点转移到高稠油以及海上石油的开采。在利用这些石油来源的主要挑战之一是抽取这些高粘性油（粘度范围，100-10000cp）需要的巨大

2、动力。研究人员认为水润滑输送是处理这种情况经济的方式。可以通过油水核-环输送实线，既水包围位于中心核心的油。在核-环状流中，仅仅水的流动产生壁面摩擦，这样泵功率需求就会大大降低。由于其工业性的重要，对于核-环状流的不同方面已经有了实验、数值模拟和分析等研究报告。Charles等人[2]、Arney等人[3]、Miesen等人[4]已对横向核-环状流做了实验研究，Parda和Bannwart[5]、Bai等人[6]做了竖直向上流动方向的实验研究。几个理论也被提出来解释流动物理学。Bentwich[7]试图考虑界面张力、重力和毛细力的获得界面形状。随后，奥姆斯等使用的流

3、体动力润滑理论，分析了高黏度油-水水平核-环状流[8]。Huang等人[9]报道了对层流和紊流两种情况对摩擦系数和偏心含率的影响。他们用标准的k–ε湍流模型来求解湍流环状流，发现摩擦系数随偏心距增加。Bai等[10]在假设轴对称等密度波状流的条件下采用控制体积的基础方法来模拟核-环流。柯等人[11]试着模拟湍流波状核心流。他们用剪应力输运模型来解决湍流动能和耗散方程，发现模型预测的压力分布和波长比初始k-ω模型更好。Ooms和Poesio[12]研究了通过水平横管的核-环流，分析了在蛇形浪及竹形浪的情况下核心浮力是如何平衡的。另一方面，核-环流降流情况知之甚少。据笔

4、者所知，唯一的研究资料由Bai等人[6]提供，他们在直径0.009525m的玻璃管用汽缸油=0.6Pa-s，密度905kg/m3和水的进行实验。他们发现了新的流型，即上行的竹浪流和下行的螺旋状浪流。不过，对于横跨国家的输送，正确估计水动力特性，如体积分数，壁面剪切分布等高效的设计至关重要。对于高油流率，可能无法进行实验室实验获取这些信息。考虑到为经济设计可选运行条件的准确信息需求，模拟这种情况的重要性已体会到。计算流体力学软件FLUENT6.3.26[1]是用来模拟以水润滑以油为芯的通过直径0.012m下行管路的核-环流。该模型对作者得到的核心层厚度与压力下降的实验

5、结果进行了验证。然后用来产生关于流流体力学的有用数据。图1几何模型示意图2模型开发已经开发出三维模型用以研究核-环流。图1为降流几何结构示意图，所分析的管路直径0.012m，长度0.48m。该图描绘的情况是：石油是通过0.008m直径喷嘴管引入，而水从环形空间引入。用计算流体力学软件FLUENT6.3.26[1]进行模拟。应用有限体积法用适合的离散方程来离散控制方程。离散化后，采用分离式求解解决了该控制方程。已经完成的非定常流的计算是为了揭示核-环状流的初步发展。明确的假设包括非定常流，非混相液，恒定液体属性，液体直接进入而非实际情况中的汇聚进入。由于两种流体共享一

6、个相对分明的界面，在FLUENT中选定欧拉-欧拉为基础的流体体积（VOF方法）技术应用于两相模型。VOF解决两相流体共有的动量方程的单集。控制方程的细节问题和界面处理可以从FLUENT6.3.26的用户指南[1]获得。在例中，假定的核心石油由于其高粘度始终是层流，环流中的水则为湍流。因此，使用了k-ε模型。在此模型中的湍流动能和粘滞扩散率得到计算，并用于获得流场中的湍流粘度。其中k,ε和μt分别为湍流动能，耗散速率和涡流粘度。Eij定义为：常数项为：Cμ=0.09,σk=1,σε=1.3,C1ε=1.44,C2ε=1.92.2.1初始条件在所有的模拟中，管道最初是充

7、满石油，流动从石油入口开始。2.2入口边界条件在喷嘴指定油的流速，水的流速在环形空间设定。因此，考虑均匀速度分布的初始条件是：Atz=0，0=r=0.004，Ur=0，Uz=U油Atz=0.048m，0.004m=r=0.006m,Ur=0，Uz=U水2.3壁面边界条件一个静止无滑移边界条件施加在管道壁。也是提供水在管壁上的接触角。Uz=0（无渗透）和Ur=0（无滑移）模拟提供的接触角为27°。这是水与玻璃（管壁材料）之间的接触角，在目前的实验中由Ramehart提供的滴形测角仪测量。2.4出口边界条件在出口，使用压力出口边界，而在出口方向扩散通量的变量设置为零