球形胶凝原油颗粒掺热水输送融化特性研究

《球形胶凝原油颗粒掺热水输送融化特性研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

单位代码：１０２２０分类号：ＴＥ８３２：．密级ＮｏｒｔｈｅａｓｔＰｅｔｒｏｌｅｕｍＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ硕士研究生学位论文论文题目：．．球？ｉ胶凝．愿迪颗．粒．擦热杰输．ｆｔ融性．研究一＾±＾：．Ｓ．…＂Ｂ．指导教师：刘．晓燕教授学科专业：动力Ｘ■程及Ｘ－？程热物理研宄方向：ｉｉｉｘｇ２０１８年５月３０日‘￣＾？’＇广ｎ：ｒｎ＿—一－ ＳｔｕｄｙｏｎＭｅｌｔｉｎｇＣｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆＳｐｈｅｒｉｃａｌＣｒｕｄｅＯｉｌＰａｒｔｉｃｌｅｕｎｄｅｒＭｉｘｉｎｇＨｏｔＷａｔｅｒｂｙＷａｎｇＬｕＳｕｐｅｒｖｉｓｏｒ：ＰｒｏｆｅｓｓｏｒＬｉｕＸｉａｏａｎｙ＿ＡＴｈｅｓｉｓＳｕｂｍｉｔｅｄｔｏｔｈｅＮｏｒｔｈｅａｓｔＰｅｔｒｏｌｅｕｍＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙＩｎａｒｔｉａｌｆｕｌｆｉｌｌｍｅｎｔｏｆｔｈｅｒｅｕｉｒｅｍｅｎｔｐｑＦｏｒｔｈｅｄｅｒｅｅｏｆＭａｓｔｅｒｏｆＥｎｉｎｅｅｒｉｎＰｏｗｅｒＥｎｉｎｅｅｒｉｎａｎｄＥｎｉｎｅｅｒｉｎｇｇｇｇｇｇｇｔｈｅｒｍａｌｐｈｓｉｃｓｙＪｕｎｅ２０１８， 东北石油大学硕士研究生学位论文球形胶凝原油颗粒掺热水输送融化特性研究摘要低产井产液的出口温度远低于原油凝点，环状集油流程中即使掺入高温水原油仍不能很快融化，使得凝油堵塞管道，油井不能正常运行。通过对胶凝原油进行剪切流态化处理使原油呈颗粒状，实现水—原油不加热水力悬浮输送。然而，有些采油区块长距离或长时间输送后仍出现胶凝原油末端重新聚集或井口压力升高现象，这些区块胶凝原油流态化处理后仍需掺热水输送。因此，研究球形胶凝原油颗粒在水中的融化特性对原油安全集输及节能降耗具有重要意义。本文从胶凝原油与热水的融化换热机理入手，研究了胶凝原油在热水中的融化特点；进行圆筒形容器内胶凝原油颗粒融化数值模拟，研究原油半径、水温、油温对原油融化的影响，并通过实验验证模拟结果；进行管输条件下胶凝原油颗粒与水耦合换热融化的模拟计算，分析流速、密度、潜热、比热容对颗粒融化特性的影响；进行管输条件下胶凝原油颗粒与水对流换热融化的数值模拟研究，分析原油半径、水温、油温及流速对原油融化特性及油滴流动形态的影响。研究结果表明，假设胶凝原油物性为常数时，固、液相原油间主要依靠导热方式进行热量传递，任一时刻原油融化的固液界面近似为同心圆；半径越小、水温和初始油温越高、流速越大，颗粒融化速度越快；颗粒内部的自然对流换热可显著提高原油的融化速率；原油与水进行强制对流换热时，融化后的液相原油逐渐脱离颗粒主体呈油滴状流出管道，半径均匀减小、水温均匀升高时原油总融化时间降低的幅度越来越小，油温与融化时间的变化曲线近似线性相关，管内流动处于旺盛湍流状态后流速对原油整体融化速率的影响逐渐减弱，流速和颗粒半径对油滴流动形态的影响显著，但温度对油滴颗粒的流动形态几乎没有影响。本文研究成果对原油安全集输及节能降耗具有指导作用。关键词：胶凝原油，球形，融化，温度，数值模拟II 东北石油大学硕士研究生学位论文StudyonMeltingCharacteristicsofSphericalCrudeOilParticleunderMixingHotWaterABSTRACTBecauseofitshighsolidificationpoint,highviscosity,andhighwaxcontent,knowncollectivelyasthe“threehighs”ofcrudeoilinChina,thetemperatureofwaxycrudeoilatawellheadisoftenlowerthanitssolidificationpointwhentheamountofliquidproducedfromanoilwellislow,orwhenthelengthtravelledinapipeislong.Therefore,thetechnologyformixingtheoilwithhotwaterhasbeenusedwidelywhengatheringandtransferringcrudeoil.However,theproducedoilcannotbemeltedquicklywithhotwater,thuscloggingpipesandcausingoilwellshutdowns.ThisstudyinvestigatesthemeltingprocessofsphericalcrudeoilparticleundermixinghotwaterusingCFD.Firstly,themeltingcharacteristicsofcrudeoilwithoutrelativeslipbetweenoilandwaterwerestudied.Thecrudeoilparticlewasfixedinaclosedcylindricalcontainerfilledwithwaterandtheeffectoftheradiusofcrudeoil,watertemperatureandoiltemperatureontemperaturevariationsandmeltingtimeweredescribed.Secondly,thenumericalsimulationofcrudeoilwithrelativeslipbetweenoilandwaterandtheliquidoildidnotflowwithwaterwasinvestigated.Temperaturevariations,liquidfrictions,andtemperaturefieldstructuresatvariableflowrate,density,latentheatandspecificheatcapacitywereanalyzedcontrastively.Lastly,thenumericalsimulationofcrudeoilwithrelativeslipbetweenoilandwaterandtheliquidoilflowedwithwaterwasstudied.Theeffectofcrudeoilradius,watertemperature,oiltemperatureandflowrateonthemeltingcharacteristicsofcrudeoilandtheflowpatternofoildropletswerediscussed.Theresultsshowedthatdiffusion-controlledmeltingwouldcausetheunmeltedoiltoremainaperfectsphereatalltimesandconcentrictemperaturecontoursareobservedateveryinstant.Themeltingtimeofcrudeoildecreasedwiththeincreaseofwatertemperature,oiltemperatureandflowrate,butincreasedwiththeradiusincreasing.Theliquidoildropletsweregraduallyseparatedfromtheoilandflowedoutofthepipewithwaterandtheflowpatternhasasignificantinfluenceonthemeltingtimeinitstransitionfromlaminartoturbulent,buthaslittleeffectafterthetransition.Theseresultsprovideareferenceforthehydraulicsuspensiontransportprocessinwaxycrudeoilpipelines.Keywords:crudeoil,sphericalcrudeoilparticle,meltingprocess,temperature,numericalsimulationIII 东北石油大学硕士研究生学位论文创新点摘要本文主要研究了整形处理后的球形胶凝原油颗粒掺热水输送时的融化相变传热问题，创新点如下：1.揭示了球形胶凝原油颗粒掺水融化时间随半径、水温、油温、流速及原油物性的变化规律。2.当管道内的胶凝原油颗粒与热水直接接触换热时，融化后的液相原油逐渐脱离颗粒主体呈油滴状流出管道。本文给出管道内融化原油与水多相流动的相变传热特性及半径、水温、流速对油滴流动规律的影响。IV 东北石油大学硕士研究生学位论文目录学位论文独创性声明.................................................................................................................I学位论文使用授权声明.............................................................................................................I摘要......................................................................................................................................IIABSTRACT..............................................................................................................................III创新点摘要..............................................................................................................................IV目录.......................................................................................................................................1第一章绪论...............................................................................................................................11.1研究背景、目的及意义...............................................................................................11.2.国内外研究现状..........................................................................................................21.2.1相变潜热研究现状..............................................................................................21.2.2相变传热问题的实验研究现状..........................................................................21.2.3相变传热问题的模拟研究现状.........................................................................51.3本文主要研究内容.......................................................................................................7第二章定温加热球形胶凝原油颗粒融化的数值研究...........................................................82.1原油的物性参数...........................................................................................................82.1.1原油的密度.........................................................................................................82.1.2原油的比热容.....................................................................................................82.1.3原油的凝点.........................................................................................................92.1.4原油的融化潜热.................................................................................................92.2物理模型及数学模型的建立.......................................................................................92.2.1物理模型的建立.................................................................................................92.2.2数学模型的建立...............................................................................................102.3相变过程的模拟分析.................................................................................................112.3.1网格划分及无关性验证...................................................................................112.3.2FLUENT计算参数的设置...............................................................................122.4模拟结果的分析.........................................................................................................122.5本章小结.....................................................................................................................14第三章油水无滑移约束融化换热特性的数值研究.............................................................153.1物理模型及数学模型的建立.....................................................................................153.1.1物理模型的建立...............................................................................................153.1.2数学模型的建立...............................................................................................153.2相变过程的模拟分析.................................................................................................173.2.1网格划分及监测面的设置...............................................................................173.2.2FLUENT计算参数的设置...............................................................................18 目录3.3模拟结果的分析.........................................................................................................183.3.1温度分布及液相分数云图...............................................................................183.3.2胶凝原油颗粒内部不同位置的温度变化分析...............................................193.3.3半径对融化过程的影响分析...........................................................................213.3.4水温对融化过程的影响分析............................................................................223.3.5初始油温对融化过程的影响分析....................................................................233.4模拟结果的验证及误差分析.....................................................................................243.4.1实验验证............................................................................................................243.4.2误差分析............................................................................................................253.5本章小结.....................................................................................................................25第四章油水有滑移约束融化换热特性的数值研究.............................................................274.1物理模型及数学模型的建立.....................................................................................274.1.1物理模型的建立...............................................................................................274.1.2数学模型的建立...............................................................................................274.2相变过程的模拟分析.................................................................................................294.2.1网格划分...........................................................................................................294.2.2FLUENT计算参数的设置...............................................................................294.3模拟结果的分析.........................................................................................................304.3.2水流速度对融化过程的影响分析....................................................................314.3.3原油密度对融化过程的影响分析....................................................................324.3.4原油潜热对融化过程的影响分析....................................................................33第五章油水有滑移非约束融化换热特性的数值研究.........................................................355.1物理模型及数学模型的建立.....................................................................................355.1.1物理模型的建立...............................................................................................355.1.2数学模型的建立...............................................................................................355.2模拟结果的分析与讨论.............................................................................................375.2.1融化特性的影响因素分析...............................................................................375.2.2流动形态的影响因素分析................................................................................435.3本章小结.....................................................................................................................47第六章结论与展望.................................................................................................................496.1结论.............................................................................................................................496.2展望.............................................................................................................................49参考文献...................................................................................................................................50发表文章目录...........................................................................................................................56致谢.....................................................................................................................................58 东北石油大学硕士研究生学位论文第一章绪论1.1研究背景、目的及意义作为战略性资源，石油对我国经济增长起到了重要的支撑作用[1-4]。《2017年国内外油气行业发展报告》指出，2017年，中国石油表观消费量增速回升，石油表观消费量约为5.88亿吨，增速为5.9%。全国原油产量继续下降，为1.92亿吨。中国成品油净出口结束5年的高增长，增速呈现断崖式回落，降至6.8%，而过去5年成品油净出口平均增速高达50%左右。中国天然气消费超预期增长，出现阶段性、区域性供气不足和LNG零售价格飙升。2018年，中国石油表观消费量将首次突破6亿吨，对外依存度将逼近70%。成品油需求增速将放缓，成品油产量增速双提高，净出口将恢复较快增长；2018年地炼原油配额大幅增长，成品油资源过剩，业内竞争将加剧，市场化改革将进一步推进；中国天然气需求仍将保持快速增长；2018年，中国炼油能力将首次突破8亿吨/年，炼油能力过剩问题更趋严重。由于近两年我国加快原油进口，一定程度的缓解了国内原油生产与需求间的矛盾，但原油产量逐年下降，仍是关系我国经济发展和民生保障的严峻问题。为了增加石油产量，我国对低渗透油田也进行了相应的开发。由于其每口井的日产液量较低，一般不超过3吨，为了节约原油生产成本，目前普遍采用环状加热掺水集输流程。该流程属多井串联集油流程，环路长度一般为2~3千米，串联环路上一般有3～5个平台，每个平台有1~3口井。热水从计量间进入埋地环形管路，依次经过每口产油井，各油井的产液掺入环状管路中，最后油水混合液再回到计量间，进入后面的生产集输流程[5,6]。我国原油具有含蜡量高、凝点高、粘度高的特点。高温时原油的流动性较好，而低温时原油的流动性较差，甚至表现出一定的固体特征。当油温低于含蜡原油的析蜡点后，蜡晶便开始从液态油中析出，并且油温越低，析出的蜡晶越多。在一定的蜡晶析出浓度下，蜡晶之间彼此交联形成网格结构，充满管道，此时含蜡原油内部形成了具有一定强度的胶凝结构。随着油温继续降低，这种胶凝结构的强度不断增大，从而使原油整体上失去流动性。用DSC测试原油融化潜热的过程发现，原油融化过程中出现吸收潜热现象的主要温度区间为-10-57℃，在此温度区间内能达到熔点的碳数为C12~C30。而在环状集输流程中，井口处原油的温度一般为5-15℃，因此碳数为12-16的烃类在集输前已呈液态。综合分析可以得到，环状集输流程中掺热水集输过程融化的主要是碳数为17-30的烃类，也就是说主要是原油中的石蜡成分。因此原油的融化问题属于多组分混合物的相变传热问题[7-10]。课题组进行现场试验发现，环状集输流程在集输原油的过程中，由于低产井产液的出口温度远远低于原油的凝固点，环状集油流程中的油井即使在掺入高温水后仍不能很快融化，导致该井及其后的其它井由于产液温度较低而普遍存在凝油严重堵塞集输管1 第一章绪论道，部分油井井口回压过高的现象，因此集油环路中只有部分油井能生产，尤其是平台上有多口井的，一般只能运行一口井，其余油井均不能正常运行，集输困难。针对这一问题，课题组在2013年研发了一套水—胶凝原油两相流流态化[11,12]实验系统。即通过对原油进行剪切流态化处理,使胶凝原油变成颗粒状态，实现水—胶凝原油颗粒不加热水力悬浮输送。然而，有些采油区块长距离或长时间输送后，仍出现末端重新聚集或井口压力升高现象，导致流态化处理后需要掺热水输送。因此，如何使井口产出液及两油井之间的凝油尽快融化成为了环状集油流程正常运行的技术关键，研究整形后的块状胶凝原油在热水中的融化特性对原油安全集输及节能降耗具有重要意义。1.2.国内外研究现状1.2.1相变潜热研究现状物质发生相变（物态变化），在温度不发生变化时吸收或放出的热量叫作“潜热”。物质由低能转变为高能时吸收潜热，反之则放出潜热。胶凝原油的融化过程，伴随相变潜热的吸收。对于纯物质（如冰、金属等），其相变潜热为定值，如水的相变潜热为333.146J/kg；对于非纯物质（多种组分的混合物），其融化是发生在某一温度范围内的，不同温度区间内吸收的潜热值不同。在胶凝原油的融化问题中，其相变潜热就是温度的函数。因此，如何将吸收的相变潜热加入到原油融化模拟过程是研究的关键问题之一。对于有相变的融化或凝固过程中相变潜热的处理，目前主要有两种方法：一种是把相变潜热作为控制方程的热源项[13-15]；另一种是将相变潜热作为物质的附加比热容[16-18]。附加比热容法将潜热的影响归结于一个等效热容，此热容为定值，等效于整个融化过程的全部潜热。本文的研究对象是多种碳氢化合物混合而成的非纯物质，其潜热随温度的变化是非线性的。同时在管输条件下，通常认为当原油温度高于原油倾点（在规定的条件下，被测油样能保持流动的最低温度，通常高于原油凝点3℃）时，原油即可保持流动性，即视为原油融化。因此，当采用热源法时，原油的相变融化过程并不需要加入全部的融化潜热。采用附加比热容法时，也应将此部分潜热等效为相应地热容值后进行计算求解。1.2.2相变传热问题的实验研究现状目前对于融化问题的实验研究主要包括冰以及储能相变材料的融化实验[19-23]。融雪化冰的研究主要包括高压线路融冰、冬季道路融雪化冰、冰盖的消融、冰蓄冷空调系统中蓄冰管和蓄冰球中冰的融化、蓄冰池中冰浆的融化、壳管换热器内的冰浆融化等几方面，另外对过冷水连续制冰系统、太阳能热水系统中圆管内流动水结冰等的研究与本研究也有相似之处。储能相变材料的应用主要体现在蓄热系统的储能上，具有代表性的相变材料有石蜡、各种饱和或不饱和脂肪酸等。这类相变材料的融点是一个小的温度区间，2 东北石油大学硕士研究生学位论文一般为3~5℃，因此其融化过程比单一融点的纯物质要复杂一些。关于原油融化的实验，目前只见本课题组的一篇报道[24]，还未见其他学者的相关研究。一、冰及冰浆的融化实验研究现状Kang[25]等人研究了水溶液和平均直径为0.2mm的冰粒子形成的冰浆堆积床在水的直接或间接喷射下的融化过程。通过改变冰的质量、进口温度、和流动速率做了一系列融化实验，发现喷洒在冰层上部的水几乎不渗入冰层，而是直接经冰层上形成的通道流出。并归纳指出上述冰层融化的两种机理：水喷射的搅拌扰动使之与冰粒子发生换热；水在通道中流动与冰粒子发生换热。Lee[26]等通过实验探讨了浓度为6.5%的乙二醇溶液制取的冰浆在套管单元内的流动换热特性。经过比较不同状态的冰浆，得出影响传热速率和传热系数的因素及相关规律。结果表明，在热水进口温度和流量不变情况下，传热速率随冰浆质量流速与含冰分数的增大而增大。但在较高质量流速下冰分数作用不明显，而在较低质量流速，尤其含冰分数超过10%时，传热速率会发生剧烈增长，并且此规律同时适用于传热系数的分析结果。Simone[27]等通过实验分析了壳管换热器内冰浆热水两相流的热动力特性及关于换热系数、压降等计算关联式的准确性。指出当保证热水流量及进口温度不变时，换热器整体平均换热系数受冰浆流量及冰浓度的影响。结果表明，传热系数在冰浆浓度最大的情况下出现最大值，且随质量流量增长的速率比单相液体要慢。Dong[28]等进行了壳管换热器内冰浆流动的可视化实验，探讨了达西摩擦系数、Nu与冰浆浓度、Re之间的关系及增强换热的方法。结果表明，随冰分数增大，即流动由紊流向层流转化时，摩擦系数与换热系数均降低。Knodel[29]等通过设置水平管内冰浆与纯水流动换热对比实验总结了冰浆的热特性，探讨了冰浆浓度、质量流量及加热温度对换热系数的影响，并提出了此实验条件下冰浆流动换热的“再层流化”现象。Doron[30]在总结众多研究成果的基础上，规范化的提出了完全悬浮、移动悬浮和带滞止层流动三种流态。为达到安全运行的目的，在冰浆输送系统中要实现完全悬浮流态，但在冰浆的实际流动中易形成三层模型，即部分冰晶粒子在顶部滞留，呈滞留层；向下形成冰粒子整体移动层；最下层为粒子分布不均的混合溶液层。研究表明，通常在粒子浓度低于25%时，只要平均输送流速大于0.5m/s，即可保证粒子全部处于悬浮状态。Knodelal[31]研究了管内流粒子直径为2-3mm、初始含冰率11%的冰浆时其浓度与压降的关系。结果表明，当浓度<2%时，冰浆流体的压降与纯水基本一致；在浓度为2-4%范围内则有一个明显的压降减小过程；在浓度为4-1%范围内，压降又基本不变。颜景文等[32]对道路热力融雪进行了实验研究，通过改变电压来改变热力条件，获得了道路热力融雪速率与表层温度的实验关联式。黄勇[33]等通过实验获得不同参数（电加热负荷、环境温度等）对融冰率的影响，并得出采用变加热负荷可以人为控制融雪速率，从而提高能量利用率。王华军[34]等采用35-40℃的地热尾水对路面雪加热，进行实验，结果表明，提高流体温度对融雪化冰的影响较小。蒋兴良[35]等设计了直流融冰试验研究融冰时间。汤文斌[36]进行接触线覆冰融冰实验研究，讨论了温度、液态水含量、风速等对融冰时间的影响。朱煜[37]等进行内融冰和外融冰实验，分别讨论了静态外融冰、鼓气扰动外融冰中初始蓄冰量及取冷3 第一章绪论模式的不同对外融冰的影响。根据上述研究现状，高压线路融冰问题即是圆柱型热源外冰壳的融化过程。冰的最初形态都是固定在线路上，加热方式有两种即直流电加热和交流电加热，但其本质都为热力融冰。在冰浆的融化实验中，学者们主要分析了冰或冰粒的融化过程。研究的核心在于含冰率对换热系数及压降影响。二、石蜡及脂肪酸的融化实验研究现状Kamkari[38]等研究了倾角分别为0°、45°、90°时水平矩形装置内单侧恒温加热月桂酸融化过程的动态传热特性。通过绘制温度-位置曲线将融化过程分为纯导热、强自然对流、弱自然对流、可忽略自然对流四区，以Ra、Nu分别代表加热温度和传热方式给出了融化分数随倾角等量的变化曲线。结果表明，倾角对于自然对流的形成、界面的传热速率和融化时间有很大影响。Tan[39]等通过实验分析了第一类边界“受限”和“非受限”条件下石蜡融化过程中不同阶段的温度分布及形态。结果表明，“非受限”融化条件存在固体下沉，因此引发的冷热流体循环促使了对流的产生；“受限”融化条件下，导热主导时间很短，且使得石蜡同轴心融化，随后温度梯度诱使对流产生，并在石蜡表面出现涡流区。Nourouddin[40]等通过实验分析了内嵌加热棒加热石蜡的二维、三维融化过程。结果表明，当装置有倾角时，二维模型不再适用，因此需建立三维模型；适度倾斜测试单元对石蜡的温度分布和形态变化有很大的影响。张玉文[41]等设置了第二类边界条件下单侧离散热源融蜡实验。探讨了无量纲时间，即Ste·Fo与融化分数的相关性。给出了计算过冷度的无量纲表达式，并绘制了过冷度不同时的相界面变化曲线。结果表明，过冷温度的存在会削弱自然对流。Akguna[42]等对管壳式热交换体系内石蜡的融化过程进行了实验研究。结果表明，增加导热液入口温度、质量流量会减少融化时间；当将储能单元外表面倾斜5°时可有效增强传热，减少融化时间达30%。Akguna[43]等对管壳式热交换体系内三种不同熔点的石蜡融化过程进行了实验研究。探讨了以Ste、Re分别代表导热液入口温度、质量流量时与总融化时间的关联曲线，并探讨了有无倾角的影响。结果表明，增大Ste及Re值可减少融化时间；当将储能单元外表面倾斜5°时可有效增强传热，降低融化时间。杲东彦[44]等设计了开孔泡沫铝内石蜡融化相变过程的可视化实验。使用红外热像仪拍摄融化过程中不同时刻的温度场及相界面变化情况，使用显微镜加摄像仪拍摄泡沫铝内石蜡孔隙尺度下的融化界面。通过此可视化实验，对比分析了纯石蜡系统与石蜡/泡沫铝复合材料系统融化界面与温度分布情况，结果表明后者具有更好的热响应性能。章学来[45]等研究了金属骨架下石蜡的相变传热过程，结果表明添加金属骨架的石蜡系统由于金属丝的强化传热作用，加热棒放出的热量很容易传出，导致内层石蜡的融化时间增加了，而外层石蜡的融化时间减少了。根据上述文献，目前石蜡的融化实验中反映出的问题主要有以下几点：固定装置内的对比实验，通过改变单一影响因素（加热温度、过冷温度等），探讨其与总融化时间的关系；改变装置条件下的对比实验，包括装置尺寸、“受限”与“非受限”条件、倾斜和倾角等对融化时间的影响。4 东北石油大学硕士研究生学位论文1.2.3相变传热问题的模拟研究现状相变传热问题的特点在于求解域中存在一个随时间变化的相变界面，对于纯物质，在确定的相变温度下，其移动界面是比较明显的。对于非纯物质，其融化/凝固现象发生在一个温度范围内，因此相变移动界面是一个固液共存的两相区，并且在该界面上放出或吸收潜热。相变传热问题具有强非线性的特点，即使其控制方程是线性的（例如线性热传导方程），但是由于内部或区域一部分边界是运动的，其边界条件是非线性的。除少数一维半无限大、无限大区域且有简单边界条件的理想化问题有准确的解析解，有限区域相变问题一般不能精确求解，对于多维相变问题，即使使用近似分析求解也很难，一般只能用数值分析方法处理。FLUENT是基于有限元分析的一款软件，目前对于融化问题的模拟大多采用此软件，用到的模型为焓-多孔介质模型及凝固/融化模型[46-50]。一、冰及冰浆的融化数值研究现状王继红[51]等人研究了竖直管道内流体流动特性，指出在竖直管道内冰浆流体流动过程中，流向变化对速度分布的影响较弱，但会影响冰粒子浓度分布，不同流向冰浆流体的管道压降存在一定差异。陈振乾[52]等以单个冰球为研究对象，应用FLUENT模拟了填充泡沫铝的蓄冰球中冰的二维融化相变过程，得到了温度场曲线及液体体积分数的变化规律曲线，结果表明，加入泡沫金属能显著缩短其融化时间。王军[53]等利用FLUENT模拟冰的融化，冰的潜热为常数，引入流体分数β、βL表示融化过程中材料潜热的变化。马剑龙[54]等建立了柱坐标下蓄冰管轴向一维传热的数学模型，冰的密度为变量，其余物性为常数，模拟出不同时刻冰-水界面位置、不同参量对融冰厚度的影响、已融化冰对未融化冰的对流影响等。王继红[55]分析了冰浆在非等温流动中所展现出的传热及流动规律，通过建立热焓-多孔介质模型获得了冰浆热流动过程中的相变传热特性及冰粒子浓度的变化规律，并对比了此模型与典型的冰浆相变传热准则关联式的精确性。并基于两相流欧拉-欧拉模型分析了热流动中冰粒子浓度变化对流动特性产生的影响。结果表明，浆体与管道壁面间对流换热过程将随着冰粒子浓度及流速的增大而增强。根据上述研究现状，对冰及冰浆的研究集中在其作为良好蓄冷材料的传热特性的研究上。而管道中冰浆融化是与冰的颗粒大小、浮在水面上的冰和浸入水中冰的质量及形状，融化水的温度、流量、管道几何尺寸等参数相关的复杂过程，目前对其没有相关的研究。二、石蜡及脂肪酸的融化数值研究现状Pal[56]等通过建立隐式焓-多孔介质模型模拟了第二类边界条件下长矩形内单侧加热石蜡的融化过程，得出了加热功率改变时的温度-时间曲线，并以Ste推广了热流量对流体与石蜡间能量传递效率的影响。结果表明，温度梯度是诱使导热向对流转换的主要因素。Tan[57]等在FLUENT软件中应用迭代的、控制体积单域焓方程式建立了无滑移“受限”条件下石蜡融化的一维数学模型。对流换热的产生打破了原有的对称融化模式，促使石蜡上部融化速率快于底部，并使石蜡底部相界面呈波浪状。同时由于热流体上升，在装5 第一章绪论置上部存在明显的热分层现象。Assis[58]等以石蜡为研究对象，用FLUENT软件的VOF模型模拟了上部裸露时球形单元内的三维融蜡过程。本文不仅考虑了体积膨胀的影响，还探讨了各无量纲数的组合关联式与融化分数的相关性，从而将本实验结果推广化。Khodadadi[59]等采用焓法建立了第一类边界“受限”条件下蜡融化的一维数学模型。在融化初始阶段，换热方式为导热，因此温度廓线为同心圆。随自然对流作用的加强，在液相区形成了三个随时间变化的涡流区，使得相界面呈波浪状。同时，结果表明代表装置尺寸的Ra对融化分数的影响远大于代表加热温度的Ste。Shatikian[60]等利用焓法对内部设有肋片、顶部裸露的矩形蓄热单元内的融蜡过程建立了二维数学模型。通过使用肋效率与Fo、Ste的组合关联式近似收敛了单元尺寸不同的融化分数曲线。李伟[61]等对导热液分别为水、空气的壳管单元内部融蜡过程建立了二维数学模型，并用有限体积法对模型进行了数值求解。将以空气为导热液的融化过程分为显热主导、潜热主导、储能三个阶段，分别占总融化时间的10%、50%、40%。通过对数据的分析表明，以空气为导热液的入口速率对导热液出口温度、传热速率影响很大，而水却很小。Hosseinizadeh[62]等应用FLUENT软件分析了定温边界下球形装置内PCM的融化特性，并通过敞开装置顶部考虑融化过程中材料体积膨胀的影响。Karunesh[63]等应用COMSOLMultiphysics5.0分析了定温加热矩形装置内五种单相变温度脂肪酸的融化过程。通过对温度场及融化分数的对比分析，得出癸酸的换热性能最优的结论。Alabidi[64]等应用焓法建立了三套管蓄热器的二维模型，研究了纵向直翅片对PCM凝固时间的影响。Ye[65]等通过建立板翅式换热器内石蜡的凝固/融化模型，探讨了流体与换热器间温差对系统储存/释放能量的影响。Wang[66]等应用FLUENT软件分析了定热流边界下矩形腔内三种基本换热方式对PCM换热效率的影响。Sharifi[67]等对内表面附加翅片的矩形容器内石蜡的融化过程进行了模拟分析，应用温度转换模型对壁面、翅片、石蜡间的换热进行了耦合计算。胡春研[68]等应用FLUENT软件模拟了偏心单元内月桂酸的融化过程，并对其融化结构进行了优化设计。上述文献集中研究了固定形状（球形、长方形等）装置内第一类或第二类边界条件下相变材料的融化过程。通过分析温度场、流场形态及温度、液相分数随时间的变化情况，研究材料的融化机理[69,70]。三、胶凝原油相变的数值研究现状目前，对于胶凝原油相变过程的研究主要集中在其降温凝固过程[71-76]。杨晶[77]等在传热学的理论基础上，分析了原油管道停输后的温降过程及其影响因素，并运用FLUENT软件对埋地输油管道停输后的原油温降过程进行了数值模拟，分别计算出了不同管径情况下停输温降情况，得出了关于埋地管道的停输，提高输油初始温度和增大管径均能延长安全停输时间。杜明俊[78]等对多年冻土区环境下运行的输油管道进行了研究，采用有限容积法对控制方程进行离散，运用SIMPLE算法求解温度场，将流体和固体并存的过渡区域看成动态的多空孔质进行处理，并将物理模型简化为二维非稳态传热模型。刘刚[79]等通过分析热油管道停输后管内油流的物理传热过程，提出介质温度低于析蜡点时，原油中的蜡会在整个管道截面上析出。通过假设环境水温不变，采用FLUENT6 东北石油大学硕士研究生学位论文软件模拟温降过程，划分控制网格，得到更加精确的解。卢涛[80]等通过模拟正常输油时埋地原油管道的稳态温度场，结合边界条件对停输过程进行数值模拟求得停输温度场，但文中是通过假设原油凝固区是固相和液相的多孔介质区域，所得结果与实际有一定的偏差，需要做进一步的完善。基于以上相变潜热研究、相变传热问题的实验研究及数值研究这三个方面的国内外研究现状，可以看出目前学者们对胶凝原油相变过程的研究集中在其凝固过程，通过将潜热处理为一个固定数值或者附加比热容加入到模拟过程中，从而研究不同工况下管道内原油整体的凝固规律及管道的安全停输时间。凝固过程中，通常将液态流体视为稳定区，即热流体在上、冷流体在下的结构层。对于融化的研究还主要集中在冰雪、金属、相变材料（PCM）等单一纯物质方面[81,82]。与这些物质的融化过程相比，胶凝原油融化过程的不同点主要体现在以下三个方面：第一，现有的研究主要是定壁温加热（即第一类边界条件）或定热流加热（即第二类边界条件）材料的融化机理及过程分析，主要的融化方式包括导热及密度差引起的固液相材料间的自然对流。还未见关于第三类边界条件下高温流动介质与相变材料通过强制对流方式换热的融化过程研究；第二，原油为多组分混合物且各组分融点不一，因此，对其融化潜热的处理方法需要进一步的研究。对于现有研究中的材料，通常是将潜热处理为一固定值或整个融化过程的平均相变潜热值，从而着重研究相变材料在整个储能过程的特性。但对于本研究，集输过程中的原油不需要全部融化就能安全输送，因此其相变潜热并不是整个融化过程的全部值；第三，现有研究中材料均被置于封闭装置内，融化后的液相材料仍受限留在装置中，流体与材料的两相分界面不随时间变化。而本研究中融化后的液相胶凝原油呈现油滴状跟随热水一起流出管道，油水两相分界面随时间变化。1.3本文主要研究内容本文主要研究内容如下：（1）研究第三类边界条件下油水无相对滑移、颗粒形状不变化时胶凝原油的融化特性，分析半径、水温、油温对融化时间的影响；（2）进行第三类边界条件下油水有相对滑移、颗粒形状不变化的数值模拟计算；（3）分析第三类边界条件下油水有相对滑移、颗粒形状改变时半径、油温、水温、流速对原油融化特性及油滴流动形态的影响。7 第二章定温加热球形胶凝原油颗粒融化的数值研究第二章定温加热球形胶凝原油颗粒融化的数值研究胶凝原油是多组分混合物，原油的融化是伴随相变的复杂过程，因此采用数值模拟研究原油的融化特性是非常简便有效的方法。FLUENT软件及焓法模型是目前对材料相变融化问题进行模拟分析时常用的方法之一。因此，本章建立了球形胶凝原油颗粒融化相变问题的物理模型及数学模型，利用FLUENT软件中的焓法模型对颗粒融化过程进行了数值模拟研究，初步分析了原油颗粒的融化形态。2.1原油的物性参数原油物性是指地面条件下石油的物理性质，是评定原油质量、控制原油管道输送工艺参数的重要指标。课题组通过测试确定了大庆油田某采油区块原油的基本物性参数，主要包括原油的密度、比热容、凝点、融化潜热等。2.1.1原油的密度若已知20℃时的原油密度，则原油密度随温度的变化关系可通过下式计算获得：(t20)（2-1）t201.8280.0013220（2-2）3式中，、分别代表温度为t℃和20℃时的胶凝原油密度，kg/m；代表温度t203系数，kg/(m℃)。3经课题组测试得到20℃时的原油密度为889.8kg/m，因此原油密度随温度的变化关系可表示为：889.81.826825(t20)（2-3）2.1.2原油的比热容经测试，原油的比热容随温度的变化关系为：2cp11987.7282.15T0.10979TTT1cp2120860.557T，T1TT2（2-4）cp2122.2006TT2式中cp代表原油比热容，J/(kgK)；T代表原油温度，K；T1303.15K，T2315.15K。8 东北石油大学硕士研究生学位论文2.1.3原油的凝点凝点是指被测油样刚刚失去流动性的最高温度，依据标准SY/T0541-2009测得大庆油田油样的凝点为38℃。倾点则是指在规定的条件下，被测油样能保持流动的最低温度，通常高于原油凝点3℃，因此取大庆油田油样倾点为41℃。同时，在本文中将油样的倾点视为原油的融化温度。2.1.4原油的融化潜热课题组采用差示扫描量热法对原油升温过程测试，根据原油析蜡过程析蜡量的计算方法，给出原油融化过程某温度区间内的融化潜热值。本文模拟计算所用到的胶凝原油融化潜热值如表2-1所示。表2-1胶凝原油融化潜热表原油初始温度（℃）热水温度（℃）融化潜热（J/kg）105029057.1105229501.1105429856.0105630108.6105830249.91060~7030302.456033266.7156026506.8206021834.9256016507.2306011141.42.2物理模型及数学模型的建立2.2.1物理模型的建立球形胶凝原油颗粒的物理模型如图2.1所示。融化前设置原油颗粒温度低于其凝固点，原油处于过冷状态，外壁设置为高于原油融点的恒定温度。融化开始时，热量由高温壁面通过导热方式向内部的原油传递，原油吸收热量并逐渐融化。9 第二章定温加热球形胶凝原油颗粒融化的数值研究胶凝原油壁面roO图2.1物理模型2.2.2数学模型的建立采用焓法处理原油融化相变换热问题，选用层流流动模型及凝固/融化模型对胶凝原油颗粒融化过程进行求解。为了方便分析，作如下3点假设：（1）胶凝原油的热物性参数，密度、比热、导热系数等为常数且不随温度变化，各向同性；（2）原油相变温度区间为38-41℃，且在相变温度区间内的潜热为固定数值；（3）壁面厚度为0，系统与外界无热量耗散。FLUENT软件中的焓-多孔介质法在计算材料相界面时，是将相变材料的温度和焓值统一看作求解的变量，引入液相分数的概念来追踪液态材料在整个控制容积中所占的比例，从而间接显示材料相界面的变化情况。因此，根据焓法处理原油颗粒相变过程的基本理论，以焓值为待求变量，建立对整个系统适用的数学模型如下：（1）控制方程：H2Tr（2-5）2rrrHhH（2-6）ThhrefcpdT（2-7）TrefHL（2-8）（2）定解条件：TTini,0（2-9）3式中代表原油密度，kg/m；代表原油的导热系数，w/(mK)；cp代表定压比热，J/(kgK)；T代表颗粒内部任一时刻的原油温度，K；代表时间，s；r代表原油颗粒半径，m；H代表任一时刻的比焓，J/kg；H代表潜热比焓，J/kg；h代表显热比焓，J/kg；href代表参考比焓，J/kg；L代表胶凝原油的潜热，J/kg；代表胶凝原油的液相分数，可定义为：10 东北石油大学硕士研究生学位论文0TTSTTS，TSTTL（2-10）TLTSTTL1TS为相变材料的凝固温度，TL为相变材料的融化温度。对于单一介质，TSTL，材料的液相分数只能为0或者1。而胶凝原油存在液相分数介于0至1之间的模糊区，当原油融化时，其有固态转化为液态，液相分数从0逐渐增大到1，当液相分数等于1时，胶凝原油完全融化。2.3相变过程的模拟分析2.3.1网格划分及无关性验证使用FLUENT自带的前处理软件GAMBIT2.4.6对胶凝原油颗粒进行网格划分，采用网格间距画法对胶凝原油颗粒单元生成5组只含有四边形元素（Quad）的非结构化（Pave）网格，如图2.2所示。380网格595网格1035网格2213网格8399网格图2.2不同数量网格的划分将数量分别为380、595、1035、2213、8399的五组网格导入FLUENT进行计算，将时间步长设置为0.01s，监测胶凝原油颗粒中心点温度随时间的变化情况，监测结果如图2.3所示。图2.3网格数量不同时，监测点温度随时间的变化情况由图2.3可见，当网格数为380和595时，不同网格数监测点温度随时间的变化曲11 第二章定温加热球形胶凝原油颗粒融化的数值研究线存在略微差别。但当网格数量增加到1035时，继续增加网格数量，不同网格数的曲线基本重合，因此选取数量为1035的网格进行时间步长独立性验证。将时间步长分别设置为0.01s、0.05s、0.1s、0.5s，应用FLUENT试算150s，并监测胶凝原油颗粒中心点温度随时间的变化情况，四种时间步长条件下的监测结果如图2.4所示。图2.4时间步长不同时，监测点温度随时间的变化情况由图2.4可见，四种时间步长条件下的监测点温度变化曲线基本重合，但为了得到更为精确的模拟结果并合理减小计算量，因此选择时间步长为0.1s进行接下来的模拟计算。2.3.2FLUENT计算参数的设置根据上述的独立性验证结果，将数量为1035的网格导入FLUENT，选择2D分离式、隐式、非稳态求解器，能量及动量方程均采用二阶迎风格式进行离散，采用PRESTO进行压力校正，压力速度耦合采用SIMPLE算法。进行模拟计算时，打开Solidification/Melting模型及Energy模型，在FLUENT材料面板里设置原油的物性参数，3密度为889.8kg/m，比热容为2122J/(kgK)，导热系数为0.2W/(mK)，粘度为0.05Pas，固相线温度和液相线温度分别为311.15K和314.15K，融化潜热为30302.4J/kg。在边界条件设置面板中输入相对应的壁面温度，并通过patch设定原油颗粒的初始温度值。时间步长设置为0.1s，并设置相应的监测窗口。2.4模拟结果的分析选取胶凝原油颗粒半径为5mm、初始温度为10℃、壁面温度为60℃的模拟结果进行分析。此条件下不同时刻原油颗粒的温度分布如图2.5所示。12 东北石油大学硕士研究生学位论文10s20s30s40s50s60s80s100s110s120s图2.5不同时刻的温度分布云图由图2.5可知，颗粒的温度分布由外向内分层逐渐推进，并且随着融化过程的进行，各温度层间的差距逐渐缩小。融化进行80s左右时，仅有颗粒中心附近一小块区域的温度还未升高到融点，进行到100s左右时，颗粒整体的温升明显，并逐步趋于稳定。胶凝原油颗粒半径为5mm、初始温度为10℃、壁面温度为60℃条件下不同时刻原油颗粒的液相分数云图如图2.6所示。2s10s20s30s40s50s60s70s80s90s图2.6不同时刻的液相分数云图由图2.6可以明显观察到液相分数介于0至1之间的糊状区域及不同时刻固液界面的变化情况。融化刚一开始，便在固相原油与壁面间形成了液相原油薄层，并随着融化的进行，液相原油逐渐增多，相界面由外向内逐渐推进。胶凝原油颗粒半径为5mm、初始温度为10℃、壁面温度为60℃条件下原油颗粒液相分数随时间的变化情况如图2.7所示。13 第二章定温加热球形胶凝原油颗粒融化的数值研究图2.7液相分数随时间变化曲线由图2.7可以看出，在融化的初始阶段，原油的融化速率较快，后面速率逐渐减慢。这是因为在融化初始阶段传热面较大且原油与壁面间的温差显著，因此换热速率较快，融化进行到20s左右时，液相原油比例已经超过40%。随着融化进行，原油与壁面间的温差逐渐缩小，并且随着相界面逐渐向原油颗粒中心推进，二者间的换热热阻增大，换热强度减弱，因此融化速率减慢，颗粒的完全融化时间为97.5s。2.5本章小结本章对单个球形胶凝原油颗粒的融化相变问题建立了物理模型及数学模型，利用FLUENT软件中的凝固/融化模型及层流流动模型对胶凝原油融化过程进行了数值模拟研究，利用焓-多孔介质方法计算相界面变化情况，初步分析了原油颗粒的融化形态。本章的模拟结果及分析为后文研究原油相变与热水间的耦合换热过程提供参考。14 东北石油大学硕士研究生学位论文第三章油水无滑移约束融化换热特性的数值研究在原油的输送过程中，原油与热水进行热量传递从而融化，因此研究原油在热水中的融化特性对原油安全集输及节能降耗具有重要意义。基于上文的模拟结果，本章利用FLUENT软件对圆筒形容器内油水无相对滑移、颗粒形状不变化时胶凝原油的融化相变过程进行了模拟研究，并建立实验对模拟结果进行验证。主要的分析内容为初始油温、热水温度、颗粒半径对原油融化过程的温度场、相界面变化及总融化时间的影响。3.1物理模型及数学模型的建立3.1.1物理模型的建立假设采油井口产出的胶凝原油，经过整形装置流态化处理后为球形，且与掺入的热水之间没有相对滑移，因此建立如图3.1所示的三维物理模型。容器半径为55mm，高为120mm，四周及上、下表面绝热，内部充满恒温水。球形油样上顶点距容器上表面10mm，且初始温度低于原油凝点，油完全浸没在水中并与水无相对滑移，其融化过程不受边界的影响。在整个融化进程中，水的热量通过自然对流换热传递给油，油内部以导热的方式传递热量，原油吸收热量后逐渐升温融化。mm容器壁021热水胶凝原油zyx110mm图3.1圆筒形容器内胶凝原油融化的物理模型3.1.2数学模型的建立采用焓法处理相变换热问题，在模型建立过程中，选用层流及凝固/融化模型，并利用相间耦合方法对水和胶凝原油进行耦合求解。为了方便分析，作如下4点假设：（1）原油各向同性；（2）原油的热物性参数（密度、比热、导热系数）不随温度变化；（3）原油相变温度区间为38-41℃，且在相变温度区间内的潜热为定值；（4）系统与外界无热量耗散。15 第三章油水无滑移约束融化换热特性的数值研究基于以上假设，建立的数学模型如下：（1）控制方程：对于水：uvw连续方程：0（3-1）xyz动量方程：up2uX：ww2SMx（3-2）xx2vpvY：ww2SMY（3-3）yy2wpwZ：wwS（3-4）2MZzz能量方程：222TTTTwTTTuvw（3-5）222xyzwcpwxyz对于胶凝原油：能量方程：222HHHHoHHHuvw222xyzoxyz（3-6）HhH（3-7）ThhrefcpdT（3-8）TrefHL（3-9）（2）初始条件：融化开始前，胶凝原油颗粒和热水系统的初始温度均为恒定值。TTini,0（3-10）3)边界条件：在整个融化过程中，圆筒型容器的四周及上下表面均绝热。容器上下表面：q0（3-11）z0;z120容器四周：q2220（3-12）xyr16 东北石油大学硕士研究生学位论文原油颗粒与热水间为耦合换热边界，也就是在此边界上的参数值不需要预先设定，而是在融化换热过程中根据能量的交换情况动态加载求解，即保持边界上的热流密度、温度连续。TTwo（3-13）nw1nw2Tw1Tw2（3-14）式中代表动力粘度，kg/ms；u代表方向速度，m/s；下标w代表水，o代表油，ini代表初始时刻。3.2相变过程的模拟分析3.2.1网格划分及监测面的设置采用网格间距画法对图3.1所示的三维物理模型进行网格划分，网格独立解通过加密网格试算并获得较优的网格数，结果如图3.2所示，总网格数为322175。图3.2圆筒形容器内胶凝原油融化模型的网格划分模拟计算开始前，需在FLUENT软件中设置监测点和监测面记录原油融化过程中的形态及各种参数的变化情况。监测点和监测面的设置情况如图3.3(a)、(b)所示，其中监测面1为过颗粒中心且平行于xoy面的平面，监测面2为过颗粒中心且平行于xoz面的平面，在监测面2上等距设置了9个监测点，其中监测点5为胶凝原油中心点。1234监测点56789监测面1zzyy监测面2xx(a)(b)图3.3监测面及监测点布置情况：(a)监测面1(b)监测面2及监测点17 第三章油水无滑移约束融化换热特性的数值研究3.2.2FLUENT计算参数的设置在FLUENT求解器中，选取3D分离式、隐式、非稳态求解器，选择Laminar模型对原油相变融化过程进行计算。能量及动量方程均采用二阶迎风格式进行离散，采用PRESTO进行压力校正，分离式求解并实施亚松弛，压力速度耦合采用SIMPLE算法。进行模拟计算时，打开Solidification/Melting模型及Energy模型，选取FLUENT材料库中液相水物性参数并设置胶凝原油物性参数，与前文模拟时采用的参数相同。在边界条件设置面板中设置管壁四周及上下表面热流密度值为0，并设置油水间为耦合换热界面。通过patch设定原油颗粒及热水区域的初始温度值，并设置一些用于监测温度和液相分数的窗口。经过时间步长独立性验证后，本次模拟将时间步长设置为0.5s。3.3模拟结果的分析本章对初始油温为5℃-30℃、半径为0.25mm-10mm、水温为50℃-70℃的原油融化过程进行了模拟计算，通过对监测面上的的云图以及监测点记录的数据分析胶凝原油形态变化及融化特性。3.3.1温度分布及液相分数云图通过对模拟结果的处理和分析得到不同时刻两监测面上的温度及液相分数云图。油温为10℃、半径为5mm、水温为60℃时的温度及液相分数云图如图3.4及图3.5所示。0s20s40s60s(a)0s20s40s60s(b)图3.4监测面上的温度分布云图：(a)监测面1(b)监测面218 东北石油大学硕士研究生学位论文0s20s40s50s(a)0s20s40s50s(b)图3.5监测面上的液相云图：(a)监测面1(b)监测面2由图3.4、图3.5可知，无论是在温度云图还是液相分数云图中，均可以观察到原油近似为同心融化，这是因为固、液相原油间主要依靠导热机制传热。由于胶凝原油升温融化过程吸热，导致原油附近的水温有所降低，但由于容器较大，油的体积相对较小，因此可认为水温在融化过程中恒定。由于容器边界相对于原油尺寸来说足够大，因此没有对原油融化产生影响。3.3.2胶凝原油颗粒内部不同位置的温度变化分析9个监测点的温度随时间变化曲线如图3.6所示，曲线斜率可反映不同监测位置原油的融化速率。123456789图3.6各监测点温度随时间变化曲线图19 第三章油水无滑移约束融化换热特性的数值研究由图3.6可见，原油中心点及附近的监测点4和监测点6的融化过程可以分为四个阶段。第一阶段为发生相变前，此时各点的融化速率均快于融化的其他阶段，这是由于原油与水之间的初始温差较大，因此在融化初期二者间的换热强烈；第二阶段为相变区间（38℃-41℃的）内，此时曲线斜率降低，这是因为原油要吸收相变潜热导致升温速率下降；第三阶段为相变后的一小段时间，此时曲线斜率有所增加，表明温升速率增加。这是因为当某一位置的油刚达到融点时，其周围的油已经完成了相变且温度高于原油融点，因此二者间的温差促使了热量的传递；第四阶段里油水间的温差逐步减小，换热速率也随之降低，原油整体温度趋于稳定。其余监测点的融化过程可分为三个阶段，前两个阶段与中心点及附近监测点的变化趋势相同，但由于这些监测点靠近水，在相变区内与周围油的温差大，因此在相变区间内的换热仍较为强烈，融化速率降低的幅度很小，导致完成相变后的升温速率相对于相变区间内的融化速率来说并没有明显增加。因此，这些监测点在第三阶段时就已经逐渐趋于水温。融化过程中水温始终高于油温，因此越靠近水的原油升温速率越快，曲线斜率越大，越靠近中心点原油升温速率越慢，曲线斜率越小。同一时刻中心点（监测点5）的温度最低且达到凝点时与周围油的温差不大，因此在相变区间内的吸热速率最慢，相变所需的时间最长，斜率下降的最为明显。由图3.6可见，中心点温度从38℃升温到41℃用时23s，距离中心点最近的监测点4及监测点6用时21s，较近的监测点3及监测点7用时14.5s，其次监测点2及监测点8用时10s，最远的监测点1及监测点9用时6.5s。不同时刻各监测点的温度变化曲线如图3.7所示。123456789图3.7不同时刻各监测点的温度变化曲线图由图3.7可见，在0.5s时，监测点2-8的温度不变，只有距水最近的监测点1和监测点9温度升高；在2s时，监测点4-6的温度仍未发生变化，其他各监测点的温度逐渐升高；4s以后，中心点的温度开始缓慢升高。这是由于融化刚刚开始时外侧油与水的温差大，换热强烈，因此靠近水的原油温度升高快；中心位置原油间的温差小，换热不明显，因此靠近中心的原油温度升高慢。图中以中心点不同时刻温度的连线为中轴线，其余各监测点同一时刻的温度呈对称分布，表明距离中心点长度相等点的融化趋势一致。20 东北石油大学硕士研究生学位论文3.3.3半径对融化过程的影响分析初始油温为10℃、水温为60℃、半径为0.25mm-10mm原油中心点温度随时间的变化曲线如图3.8所示，图中曲线的斜率可以反映原油中心点的融化速率。由图3.8可见，不同直径的原油中心点融化曲线与图3.6中曲线的趋势相同。同时可以看出，原油半径越大，曲线的斜率越小，表明原油中心点的融化速率越慢。这是因为随着原油尺寸的增加，相同时间内从外向内传递的热量减少，使得原油间的温差变小，导致中心点原油向周围油的吸热速率降低，完成相变所需的时间增长。半径为10mm的原油中心点温度达到融点的时间为271s，此后半径每减少1mm原油中心点温度达到融点的时间分别减少了51.0s、50.0s、43.0s、34.5s、29.0s、24.0s、17.5s、13.0s、7.0s。图3.8不同半径原油中心点温度随时间变化曲线初始油温为10℃、水温为60℃、半径为0.25mm-10mm的原油总融化时间曲线如图3.9所示。图中曲线的斜率可以反映半径变化时原油融化速率的变化情况。由图3.9可见，其他因素不变时半径越大，原油总融化时间越长；图中曲线的斜率逐渐增大，表明半径每增加1mm所需的融化时间增长，原油整体的融化速率降低。图3.9初始油温为10℃、水温为60℃、不同半径原油的总融化时间曲线21 第三章油水无滑移约束融化换热特性的数值研究3.3.4水温对融化过程的影响分析初始油温为10℃、半径5mm、水温50℃-70℃的原油中心点温度随时间变化曲线如图3.10所示，图中曲线的斜率可以反映原油中心点的融化速率。图3.10不同水温原油中心点温度随时间变化曲线由图3.10可见，不同水温下原油中心点融化曲线与图3.6中曲线的趋势相同。同一时刻水温越高，油温越高，曲线斜率越大，表明原油融化速率越快。这是由于水温增加强化了油水间的换热，加速了热量由外向内的传递效率，使得原油间的温差增大，导致中心点原油与周围油的换热增强，完成相变所需的时间缩短。水温为50℃时原油中心点温度达到融点的时间为123s，此后水温每增加2℃原油中心点达到融点的时间分别减少了27.0s、11.5s、8.5s、7.0s、5.5s、4.5s、4.0s、3.5s、3.0s、2.5s。初始油温为10℃、半径为5mm、水温为50℃-70℃的原油总融化时间曲线如图3.11所示。由图3.11可见，其他因素不变时水温越高原油总融化时间越短。曲线斜率可以反映水温增加时原油的融化速率，图中曲线斜率逐渐减小表明原油融化速率逐渐升高，融化所需要的时间逐渐缩短。曲线逐步趋于平缓说明水温线性增大时，原油总融化时间降低的幅度越来越小。图3.11不同水温原油的总融化时间曲线22 东北石油大学硕士研究生学位论文3.3.5初始油温对融化过程的影响分析水温为60℃、半径为5mm、初始油温为5℃-30℃的原油中心点温度随时间变化曲线如图3.12所示，图中曲线的斜率可以反映原油中心点的融化速率。图3.12不同初始油温原油中心点温度随时间变化曲线由图3.12可见，不同初始油温下原油中心点融化曲线与图3.6中曲线的趋势相同。初始油温越高，曲线斜率越小，表明原油中心点融化速率越慢。这是因为油温的增加缩短了油水间的温差，削弱了油水间的换热。由于初始油温升高缩短了其与原油凝点间的温差，因此即使初始油温高时原油中心点的吸热速率低，但此时中心点达到融点的时间依然快于初始油温低的情况。初始油温为5℃时原油中心点温度达到融点的时间为70s，此后初始油温每增加5℃原油中心点达到融点的时间分别减少了为6.5s、6.5s、7.0s、8.5s、8.5s。水温60℃、半径5mm、初始油温5℃-30℃的原油总融化时间曲线如图3.13所示。由图3.13可见，初始油温与融化时间为近似的线性相关，这表明初始油温每提高5℃，原油总融化减少的程度近似相同，原油融化速率增加的程度也基本一致。图3.13不同初始油温原油的总融化时间曲线23 第三章油水无滑移约束融化换热特性的数值研究3.4模拟结果的验证及误差分析3.4.1实验验证为了验证模拟结果的准确性，设置圆筒形容器内胶凝原油颗粒融化的实验。实验所用容器为烧杯，烧杯底面半径为55mm，高为120mm，烧杯的侧面及上、下表面均覆有保温材料，可视为绝热边界，实验时容器内充满恒温热水。进行实验前，在系统上表面中心位置开直径为12mm圆孔用于放入球形胶凝原油颗粒，并在实验开始后用保温材料填充圆孔。在系统侧面开12mm×12mm小孔，用于观测实验过程中原油颗粒的融化情况，并使用秒表记录油样的完全融化时间，实验本体如图3.14所示。热水放油孔容器壁mm02观察孔1保温材料胶凝原油110mm图3.14实验本体图对初始油温为10℃，半径为5mm，水温为50~70℃的原油颗粒进行融化实验，经过重复性实验后，将实验结果与模拟结果进行对比，对比结果如图3.15所示。从图3.15可以看出，实验得到的融化时间与模拟计算得到的融化时间随水温的变化趋势基本一致，但实验测得的原油融化时间比模拟计算的时间短。图3.15实验及模拟条件下不同水温原油的总融化时间曲线24 东北石油大学硕士研究生学位论文3.4.2误差分析将上述实验测量结果与模拟计算结果进行对比，各种实验条件计算得到的相对误差值如表3-1所示。表3-1实验与模拟得到的原油颗粒完全融化时间热水温度（℃）实验结果（s）模拟结果（s）相对误差（%）5010912312.8452849614.29547484.514.1956697610.145864697.81606063.55.836256.5594.426452555.77664851.57.29684648.55.437042469.52根据表3-1可以看出，实验与模拟计算结果的最大误差为14.29%（水温设置为52℃时），该误差在工程可接受的范围内，因此可以认为该实验验证了模拟结果的准确性，并对此误差产生的原因进行如下分析：（1）在实验过程中，为了方便放入胶凝原油颗粒并及时监测原油的融化情况，在装置的上表面和侧面开了小孔，导致烧杯外壁的保温性能减弱，换热系统与外界存在一定的能量损失；（2）在模拟计算过程中，将胶凝原油密度设置为不随温度变化的常数，即忽略了原油颗粒内部的自然对流换热，导致颗粒整体换热减慢，融化速率降低，使得颗粒的完全融化时间增加；（3）在模拟计算过程中，网格的数量、时间步长的设置、计算模型及算法等造成的误差积累。3.5本章小结本章建立了圆筒形容器内油水无相对滑移、原油颗粒形状不随时间变化时原油融化相变的物理模型及数学模型，并利用FLUENT模拟了初始油温为5℃-30℃、水温为50℃-70℃、半径为0.5mm-10mm胶凝原油颗粒的温度场及液相分数分布，得到不同初始条件下球形胶凝原油的总融化时间及温度变化曲线。得出的主要结论如下：25 第三章油水无滑移约束融化换热特性的数值研究（1）假设胶凝原油物性为常数时，固、液相原油间主要依靠导热方式进行热量传递，因此任一时刻原油融化的固液界面近似为为同心圆；（2）胶凝原油中心及附近监测点的融化过程可分成四个阶段，其余监测点的融化过程可分为三个阶段；（3）随半径增大原油的融化速率逐步降低，半径每增加1mm所需的融化时间逐渐增多；水温增大原油融化速率加快，水温每增加2℃，原油总融化时间降低的幅度越来越小；原油初始温度与融化时间近似线性相关。26 东北石油大学硕士研究生学位论文第四章油水有滑移约束融化换热特性的数值研究根据上文的模拟结果可以看出，初始油温、热水温度、颗粒半径均能影响原油的融化特性，此外，热水流速及原油的物性也是建立真实反映集输过程中原油融化相变的关键参数。因此，本章建立了集输管道内油水有相对滑移、颗粒形状不变化时原油融化的物理模型及数学模型，利用FLUENT模拟分析水流速度变化时颗粒融化的温度场及表面形态，并探讨了原油密度、比热容、潜热对原油融化特性的影响。4.1物理模型及数学模型的建立4.1.1物理模型的建立在油田实际生产运行过程中，通常采用环状掺热水集输流程，并假设采油井口产出的胶凝原油经过整形装置流态化处理后为球形，因此建立如图4.1所示的三维物理模型。该集输管道长为1000mm、直径为53mm，忽略管道壁厚的影响。胶凝原油颗粒距管道入口600mm，初始温度低于原油凝点，油完全浸没在水中且融化过程不受管壁影响，假设原油颗粒始终处于此位置不动，且融化后的液相胶凝原油不随水一起流出管道。在整个融化过程中，水的热量通过对流换热传递给油，原油密度不随温度变化时，油内部以导热的方式传递热量，原油密度随温度变化时，油内部则以导热和自然对流两种方式传递热量。监测面(过中心点且平行于xoy面的平面)监测点(从左到右依次为监测点1到6，其中监测点6为原油中心点)d=53m热水管壁胶凝原油颗粒左半部示意图入m口出口600mmy1000mmzx图4.1管道内胶凝原油颗粒融化的物理模型4.1.2数学模型的建立为了简化模拟分析，作如下4点假设：（1）胶凝原油固液两相物性参数相等且不随温度变化，材料不可压缩且各向同性；27 第四章油水有滑移约束融化换热特性的数值研究（2）原油相变温度区间为38-41℃，且在相变温度区间内的潜热为固定数值；（3）管内流动处于充分发展段，符合标准k湍流模型的要求；（4）壁面厚度为0，系统与外界无热量耗散。基于以上假设，建立的数学模型如下：（1）控制方程：对于水：连续方程：u0（4-1）u2动量方程：w(u)uFpwu（4-2）Tw2能量方程：(u)TT（4-3）cpww对于原油：Ho2能量方程：To（4-4）HhH（4-5）ThhrefcpdT（4-6）TrefHL（4-7）（2）初始条件：融化开始前，胶凝原油、热水及管道的初始温度均为恒定值。TTini,0（4-8）（3）边界条件：在整个融化过程中，管壁四周绝热：q2220（4-9）xy26.5管道入口设置为速度入口（湍流强度为4.6%）：uuini,z0（4-10）自由出口（outflow）是假定边界上除压力之外的所有流动变量正法向梯度为零，适用于在解决流动问题之前所模拟的流动出口的流速和压力未知的情况，因此本次模拟将管道出口设置为自由出口边界。原油颗粒与热水间为耦合换热边界：TTwo（4-11）nw1nw2Tw1Tw2（4-12）28 东北石油大学硕士研究生学位论文4.2相变过程的模拟分析4.2.1网格划分采用网格间距画法对图4.1所示的三维物理模型进行网格划分，为了提高网格质量，对系统进行分区处理。用两个平面将管道整体切割为三个相连的部分（connected），并将原油颗粒附近的网格局部加密。通过网格试算获得较优的总网格数为617375，网格划分结果如图4.2所示。图4.2圆筒形容器内胶凝原油融化模型的网格划分4.2.2FLUENT计算参数的设置在数值模拟管输条件下胶凝原油颗粒融化特性的过程中，涉及到管内流动问题，因此需要通过计算来选择合适的流动模型。各种模拟条件下计算得到的Re如图4.3所示。图4.3圆筒形容器内胶凝原油融化模型的网格划分从计算结果可以看出，大多数模拟条件下管道内的流动状态为湍流，只有当水流速度为0.05m/s、热水温度分别为50℃、60℃、70℃及水流速度为0.1m/s、热水温度为50℃四种情况下，管道内的流动状态处于过渡区。因此，在模拟过程中，选择湍流流动模型进行计算。在应用FLUENT模拟计算时，主要的湍流模型有标准k模型、RNGk模型和Realizablek模型等等。其中，标准k模型的应用最为广泛，在理论上和验证上也有比较充分的支持，因此管输条件下胶凝原油颗粒与热水间的融化换热模拟研究选择标准k湍流模型。标准k湍流模型认为流动处于完全的湍流状态，忽略分子黏性带来的影响，应用时需要对湍流动能k和耗散率求解，方程式如式(4-13)、(4-14)所示：29 第四章油水有滑移约束融化换热特性的数值研究ktkwGkGbw（4-13）xikxi2twC1εGkC3εGbC2ε（4-14）xiεxikk2ktC（4-15）式中Gk代表平均速度梯度所引起的湍流动能，Gb代表由于浮力所引起的湍流动能，t代表湍流粘性系数。C1ε、C2ε、C3ε为此模型的经验参数，在FLUENT软件中的默认值分别为1.44、1.92、0.09，湍流动能k和耗散率的湍流普朗特数k和ε的默认值分别为1.0和1.3。4.3模拟结果的分析本章对管输条件下胶凝原油颗粒的融化过程进行了模拟计算，设置水流速度分别为0.1、0.2、0.3m/s，分析了不同流速下原油颗粒的融化特性及表面形态变化，并探讨了原油物性参数，包括原油密度、比热容、潜热对原油融化过程的影响。4.3.1胶凝原油颗粒内部不同位置的温度变化分析初始油温为10℃、半径为15mm、水温为60℃、水流速度为0.3m/s时6个监测点的温度随时间变化曲线如图4.4所示，曲线斜率可反映不同监测点原油的融化速率。）K温度（时间（s）图4.4各监测点温度随时间变化曲线图由图4.4可见，在原油发生相变前，监测点1温度变化曲线的斜率最大，监测点6的曲线斜率最小，且曲线斜率由监测点1到6逐渐减小。这是由于原油与热水间的非线性传热使得颗粒内部各监测点的换热速率随其与热水间距离的增加而降低。30 东北石油大学硕士研究生学位论文原油中心点及附近的监测点4和监测点5的融化过程可以分为五个阶段。在融化开始时刻，热量未传递到颗粒中心，且此处原油与周围原油间的温差很小，因此换热速率很慢，短时间内其温度保持在原油的初始温度；随着热量不断向内传递，中心附近原油与周围原油的温差逐渐增大，换热逐渐明显，融化速率显著提升；当温度升高到凝点时原油发生相变，此时原油吸收相变潜热，升温速率下降，曲线斜率降低；当温度高于融点后，原油完成相变过程，由于当某一位置的油达到融点时，其周围的油已经完成了相变且温度高于原油融点，因此二者间的温差促使换热，曲线的斜率增加；随着融化过程的推进，油水间的温差逐步减小，换热速率也随之降低，原油整体温度趋于稳定。而监测点1处于初始时刻的油水分界面，距高温热水最近，且油水间以强制对流方式换热，因此监测点1处的初始温度远远高于原油整体的初始温度。监测点2、3距水仍相对较近，其初始温度虽未明显高于原油初始温度，但升温速率显著高于监测点4-6。同时，在相变区内与周围油的温差大，导致此两处原油在相变区间内的换热仍十分强烈，融化速率降低的幅度很小，完成相变后的升温速率相对于相变区内的融化速率来说也没有明显增加。4.3.2水流速度对融化过程的影响分析初始油温为10℃、颗粒半径为10mm，水温为60℃、水流速度分别为0.1、0.2、0.3m/s时原油中心点温度随时间变化曲线如图4.5所示，图中曲线的斜率可以反映原油中心点的融化速率。图4.5不同水流速度原油中心点温度随时间变化曲线由图4.5可见，同一时刻水流速度越快，对应的原油中心点温度越高，曲线斜率越大，表明原油融化速率越快。这是由于水流速度变大增加了管内的湍流强度，加大了油水间的对流换热系数，强化热量由外向内的传递效率，使得中心点原油与周围油的换热增强，完成相变所需的时间缩短。流速为0.1、0.2、0.3m/s时原油完全融化时间分别为114.2s、92.7s、53.8s。初始油温为10℃、颗粒半径为10mm，不同水温条件下速度分别为0.1、0.2、0.3m/s的原油总融化时间曲线如图4.6所示，图中曲线的斜率可反映流速改变时原油融化速率31 第四章油水有滑移约束融化换热特性的数值研究的变化情况。由图4.6可见，其他因素不变时流速越大，原油总融化时间越短；曲线的斜率逐渐增大，表明流速每增0.1m/s原油完全融化时间减少的幅度增大，原油整体的融化速率加快。图4.6不同水流速度原油的总融化时间曲线4.3.3原油密度对融化过程的影响分析初始油温为10℃、水温为60℃、颗粒半径为15mm、水流速度为0.3m/s时将原油3密度处理为常数，即889.8kg/m及将密度处理为随温度变化的函数，即3889.81.826825(T293.15)kg/m时，监测面上的温度分布及液相分数云图分别如图4.7、图4.8所示。0s40s80s120s(a)2s10s20s30s(b)图4.7监测面上的温度分布云图：(a)密度为常数(b)密度为函数32 东北石油大学硕士研究生学位论文0s40s80s120s(a)2s10s20s30s(b)图4.8监测面上的液相分数云图：(a)密度为常数(b)密度为函数3由图4.7及图4.8可以看出，当将胶凝原油密度取为889.8kg/m时，无论是在温度云图还是液相分数云图中，均可以观察到原油近似为同心融化。这是因为当将原油密度处理为常数时，即忽略了原油内部的自然对流的影响，固液相原油间主要依靠导热机制传热，因此任一时刻原油融化的固液界面均为同心圆。此时原油完全融化时间为130.1s。同时可以看出，当将原油密度处理为随温度变化的函数时，即考虑到原油内部的自然对流，原油颗粒不再均匀地融化。此时，密度较小的热流体沿着相界面向原油顶部运动，密度较大的冷流体则向底部流动，受到密度梯度的影响和浮力的驱动，原油内部形成不稳定的温度场，原油上半部的融化速度明显快于下半部，从10s监测面上的温度分布及液相云图上均可明显观察到此现象。随着融化的进一步进行，原油上半部的融化率先趋于稳定，从20s监测面上的温度分布可以看出，顶部原油产生了明显的热分层现象，形成了“热流体在上，冷流体在下”的稳定的温度场。此时，流体运动趋于平缓，冷热原油间主要依靠导热机制进行热量传递，但从此时的液相分数云图可以看出颗粒底部相界面呈近似波浪状，这表明底部原油仍存在冷热流体分布不均、交互运动的不稳定的流体层。融化进行到30s，顶部原油的热分层现象更加明显，底部原油的不稳定流动换热也逐渐减弱。此条件下，原油的完全融化时间为38.7s，相比于忽略原油内部自然对流的情况，原油的融化速率显著提升。4.3.4原油潜热对融化过程的影响分析初始油温为10℃、水温为60℃、颗粒半径为10mm、水流速度为0.3m/s时，等效热容法与潜热法处理原油潜热，颗粒的中心点温度随时间变化曲线如图4.9所示。33 第四章油水有滑移约束融化换热特性的数值研究图4.9不同潜热处理方法原油中心点温度随时间变化曲线由图4.9可以看出，两种潜热处理方法，原油中心点温度达到水温的时间基本相同。等效热容法处理相变潜热时，中心点胶凝原油的融化过程可以分为三个阶段。在融化开始时刻，热量未传递到颗粒中心，因此短时间内原油温度保持为初始温度；随着热量不断向内传递，中心点原油的温度不逐渐升高，融化速率显著提升；随着油水间的温差逐步减小，换热速率也随之降低，中心点温度逐渐趋于水温。另外可以看出在原油发生相变前，两种潜热处理方法原油中心点温度的变化基本相同，只有在发生相变前的短时间内两条曲线才存在差异，潜热法处理相变潜热原油中心点温度低于等效热容法且曲线斜率有所降低。这是因为在中心点原油温度即将升高到原油凝点时，中心点周围的原油正处于相变过程，因此原油间的换热速率降低，使得中心点原油温度有所降低。而等效热容法处理原油相变潜热时，原油颗粒无相变过程，因此不会导致中心点温升速率的变化，曲线的斜率也不会降低。经过一段时间后，当原油温度近似升高到水温时，两条曲线又重新重合。4.4本章小结本章利用FLUENT模拟了管输条件下油水有相对滑移、胶凝原油颗粒形状不变化时原油的融化相变过程，分析了水流速度为0.1、0.2、0.3m/s时原油的融化特性及表面形态，并探讨了原油密度、比热容、潜热对原油融化过程的影响。得出的主要结论如下：（1）水流速度增加时原油的融化速率加快，流速每增加0.1m/s原油完全融化时间减少的幅度升高；（2）初始油温为10℃、水温为60℃、颗粒半径为15mm、水流速度为0.3m/s，将原油密度处理为常数时，颗粒的完全融化时间为130.1s；将原油密度处理为随温度变化的函数时，颗粒的完全融化时间为38.7s，因此可以得出，颗粒内部的自然对流换热可显著提高原油的融化速率；（3）两种潜热处理方法，原油中心点温度达到水温的时间基本相同，但由于等效热容法处理潜热时原油不发生相变，因此融化过程只分为三个阶段。34 东北石油大学硕士研究生学位论文第五章油水有滑移非约束融化换热特性的数值研究胶凝原油的输送过程中原油与水换热融化，在热水流动冲击作用下，颗粒的表面形态会发生变化，甚至可能破碎出更小的油滴颗粒。FLUENT软件中的VOF模型可以有效的追踪粒子移动时相界面变化的情况。基于前文的研究，本章利用FLUENT软件中的焓法模型和VOF模型对集输管道内油水有相对滑移、颗粒形状改变时原油的融化相变过程进行了数值模拟，分析了初始油温、热水温度、颗粒半径及水流速度对原油融化特性的影响，并与上一章模拟结果进行了对比。同时，探讨了水流速度、颗粒半径、热水温度对油滴颗粒在管道内流型变化的影响。5.1物理模型及数学模型的建立5.1.1物理模型的建立本章模拟计算所建立的三维物理模型如图5.1所示，集输管道的长度为1000mm，管道直径为53mm，厚度忽略不计。将胶凝原油颗粒设置在距离管道入口600mm处，并且设置原油的初始温度低于其凝点。在整个融化过程中，原油完全浸没在水中且融化过程不受管壁影响，并假设未融化的固相原油始终处于此位置不动，融化后的液相原油随水一起流出管道。在整个融化过程中，水的热量通过对流换热传递给油，油内部以导热的方式传递热量，原油吸收热量后逐渐升温融化。监测点(从左到右为1~6,对称点7~11未显示)监测面1(过中心点且平行于xoy面的平面)监测面2(过中心点且平行于yoz面的平面)二分之一胶凝原油颗粒示意图d=53热水管壁入口出口600mmy1000mmzx图5.1管道内胶凝原油颗粒融化的物理模型5.1.2数学模型的建立为了简化模拟分析，作如下4点假设：（1）原油的热物性参数（密度、比热、导热系数）不随温度变化，原油不可压缩35 第五章油水有滑移非约束融化换热特性的数值研究且各向同性；（2）原油相变温度区间为38-41℃，且在相变温度区间内的潜热为固定数值；（3）管内流动处于充分发展段，符合标准k湍流模型的要求；（4）壁面厚度为0，系统与外界无热量耗散。基于以上假设，对于两相流模拟计算VOF模型的数学描写如下：（1）控制方程：对于水：连续方程：u0（5-1）u2动量方程：w(u)uFpwu（5-2）Tw2能量方程：(u)TTcpww（5-3）对于原油：Ho2能量方程：To（5-4）HhH（5-5）ThhrefcpdT（5-6）TrefHL（5-7）（2）VOF体积分数方程：iui0（5-8）且121（5-9）1122（5-10）1122（5-11）式中i代表第i相的浓度，下标1，2分别代表不同的相。（3）标准k湍流方程：ktkwGkGbw（5-12）xikxi36 东北石油大学硕士研究生学位论文2twC1εGkC3εGbC2ε（5-13）xiεxikk2ktC（5-14）（4）控制条件：融化开始前，胶凝原油、热水及管道的初始温度均设为恒定值，在整个融化过程中，管道入口设置为速度入口（湍流强度为4.6%），管道出口设置为自由出口，管壁四周均绝热。5.2模拟结果的分析本章模拟仍采用与第四章相同数量的网格，但在Gambit中设置网格边k界时，不对原油颗粒与水的边界进行定义。在FLUENT求解器中，选取3D分离式、隐式、非稳态求解器，选取VOF模型、标准湍流模型、Solidification/Melting模型对原油相变融化过程进行计算。对系统进行初始化，通过patch设定原油颗粒及热水区域的初始温度值，并设置初始时刻颗粒区域的油相分数为1，水相分数为0。经过时间步长独立性验证后，本次模拟将时间步长设置为0.01s。本章对液相原油随水流出管道的原油融化过程进行了模拟计算，设置初始油温为5℃-30℃、颗粒半径为1mm-5mm、热水温度为50℃-70℃、热水流速为0.1m/s-0.5m/s，通过对监测面上的云图以及监测数据分析胶凝原油形态变化及融化特性。5.2.1融化特性的影响因素分析一、温度分布及液相分数云图通过对模拟结果的处理和分析得到不同时刻监测面1上的温度及液相分数云图。初始油温为10℃、半径为5mm、水温为60℃、流速为0.3m/s时的温度及液相分数云图如图5.2及图5.3所示。0s0.1s0.2s0.3s37 第五章油水有滑移非约束融化换热特性的数值研究0.4s0.5s0.6s0.7s图5.2监测面1上的温度分布云图0s0.1s0.2s0.3s0.4s0.5s0.6s0.7s图5.3监测面1上的液相分布云图由图5.2、图5.3可知，在监测面1上的温度分布云图和液相分数云图中均可以观察到原油不再为同心融化。这是因为在融化过程中颗粒表面一直与水直接接触，原油与热水间通过强制对流换热，并且融化后的液相原油逐渐脱离颗粒主体随热水向管道出口方向流动，因此颗粒的外表面形状一直变化，不再保持为球形。此外，热水在管道内流动时，会在原油颗粒表面形成速度边界层。因此，任一时刻颗粒表面各位置的融化速率不相同，使得原油颗粒不再为近似的同心融化。二、监测点的温度变化分析初始油温为10℃、半径为5mm、水温为60℃、水流速度为0.3m/s时监测点1-6的温度随时间变化曲线如图5.4所示，曲线斜率可反映不同监测点原油的融化速率。由图5.4可以看出，融化刚开始，监测点1和监测点2的温度就远远高于颗粒整体的初始温度，监测点3的温度近似与原油初始温度相等，监测点4、监测点5及监测点6的温度保持颗粒初始温度一段时间后迅速升高。这是因为在初始时刻监测点1位于油水两相分界面，融化开始后此处原油与热水迅速换热，因此监测点1处的初始温度远远高于原油整体的初始温度。而监测点2与换热边界的距离也较近，热水的热量可以很快38 东北石油大学硕士研究生学位论文向内传递到该位置，因此其初始温度也明显高于其余的四个监测点。监测点3的初始温度与颗粒整体的初始温度基本相等，随后逐渐升高到水温。而在融化开始时刻，热量还未传递到监测点4-6的位置，且与周围原油间的温差很小，换热速率很慢，短时间内温度都保持为原油的初始温度。图5.4各监测点温度随时间变化曲线图另外可以看出，各监测点的升温速率几乎不会受到相变区间的影响，这是因为原油颗粒在融化过程中，油水直接接触进行对流换热的界面也在逐渐向颗粒内部推进，原油与热水的换热一直很剧烈，任一监测点原油温度升高到相变温度时与周围原油的温差都很大，导致原油在相变区间内的换热速率不会明显降低。因此，监测点1-3的融化过程可以分为快速升温和趋于水温两个阶段，而监测点4-6的融化过程可以分为维持初温、快速升温及趋于水温三个阶段。不同时刻各监测点的温度变化曲线如图5.5所示。图5.5不同时刻各监测点的温度变化曲线图由图5.5可见，图中以中心监测点6不同时刻温度的连线为中轴线，其余与中心点距离相同的两侧监测点同一时刻的温度不再呈现对称分布的趋势，且同一时刻靠近来流方向监测点的温度明显高于颗粒背流侧监测点的温度。这是因为热水流过球形原油颗粒时会在接触面形成速度边界层，使得颗粒沿流动方向的接触面上的速度显著高于颗粒背流面的速度，导致颗粒沿来流方向一侧的湍流强度也显著高于背流侧。因此，来流侧的39 第五章油水有滑移非约束融化换热特性的数值研究油水换热速率高于背流侧，同一时刻与中心点距离相同的来流侧监测点温度均高于背流侧监测点温度。三、半径对融化过程的影响分析水温为60℃、初始油温为10℃、流速为0.3m/s、半径为1-5mm的原油总融化时间曲线如图5.6所示。由图5.6可以看出，曲线的斜率逐渐增大，表明颗粒半径每增加1mm原油融化所需的时间的增长幅度加大，原油整体的融化速率降低。半径为1mm时原油的总融化时间为0.04s，此后半径每增加1mm原油的总融化时间分别增加了0.18s、0.19s、0.21s、0.21s、0.35s、0.36s、0.37s、0.46s、0.5s。图5.6不同半径原油的总融化时间曲线融化后的液相胶凝原油不随水流出管道及随水流出管道的两种模拟条件下水温为60℃、初始油温为10℃、流速为0.3m/s、半径分别为5mm、10mm、15mm的原油总融化时间如表5-1所示。表中情况一代表液相胶凝原油不随水流出管道的模拟结果，情况二代表液相胶凝原油随水流出管道的模拟结果。表5-1两种模拟条件下不同水温胶凝原油的总融化时间表融化时间（s）融化时间（s）半径（mm）比值（情况一）（情况二）517.60.8321.201053.82.8718.7515130.15.0825.61由表5-1可以看出，情况二的原油总融化时间远远少于情况一，三种油温条件下情况一的总融化时间约为情况二的20倍。这是因为在情况一中，原油与热水的换热界面始终不变，未融化的固相原油主要依赖与已融化的液相原油进行导热换热，热量需要逐层向内传递。而在情况二中原油与水的换热界面时刻变化，固相原油主要依赖与水直接接触进行强制对流换热，并且融化后的液相原油在脱离颗粒主体时会在换热界面形成扰动，从而加剧表面的湍流程度。因此，情况二下原油与水的换热速率远远大于情况一，使得情况二的原油总融化时间要远远少于情况一。40 东北石油大学硕士研究生学位论文四、水温对融化过程的影响分析半径为5mm、初始油温为10℃、流速为0.3m/s、水温为50-70℃的原油总融化时间曲线如图5.7所示。由图5.7可以看出，曲线的斜率逐渐减小，表明当水温均匀增加时原油总融化时间降低的幅度越来越小，原油整体的融化速率逐渐升高。水温为50℃时原油的总融化时间为1.26s，此后水温每增加2℃原油的总融化时间分别减少了0.13s、0.11s、0.08s、0.06s、0.05s、0.05s、0.04s、0.04s、0.03s、0.03s。图5.7不同水温原油的总融化时间曲线融化后的液相胶凝原油不随水流出管道及随水流出管道的两种模拟条件下半径为5mm、初始油温为10℃、流速为0.3m/s、水温分别为50℃、60℃、70℃的原油总融化时间如表5-2所示。表中情况一代表液相胶凝原油不随水流出管道的模拟结果，情况二代表液相胶凝原油随水流出管道的模拟结果。表5-2两种模拟条件下不同水温胶凝原油的总融化时间表融化时间（s）融化时间（s）水温（℃）比值（情况一）（情况二）5025.71.2620.406017.60.8321.207013.20.6420.63由表5-2可以看出，情况二的原油总融化时间远远少于情况一，三种水温条件下情况一的总融化时间约为情况二的20倍。五、初始油温对融化过程的影响分析水温为60℃、半径为5mm、流速为0.3m/s、初始油温5℃-30℃的原油总融化时间曲线如图5.8所示。由图5.8可以看出，初始油温与融化时间的变化曲线近似呈线性变化趋势，这就意味着在此条件下初始油温每升高5℃，原油颗粒融化所需时间的减少程度大致相同。初始油温为5℃时原油的总融化时间为0.32s，此后初始油温每增加5℃原油的总融化时间分别增加了0.19s、0.1s、0.14s、0.08s、0.1s。41 第五章油水有滑移非约束融化换热特性的数值研究图5.8不同初始油温原油的总融化时间曲线融化后的液相胶凝原油不随水流出管道及随水流出管道的两种模拟条件下水温为60℃、半径为5mm、流速为0.3m/s、初始油温分别为10℃、20℃、30℃的原油总融化时间如表5-3所示。表中情况一代表液相胶凝原油不随水流出管道的模拟结果，情况二代表液相胶凝原油随水流出管道的模拟结果。表5-3两种模拟条件下不同油温胶凝原油的总融化时间表融化时间（s）融化时间（s）初始油温（℃）比值（情况一）（情况二）1017.60.8321.202013.90.6122.79307.40.3223.13由表5-3可以看出，情况二的原油总融化时间远远少于情况一，三种油温条件下情况一的总融化时间约为情况二的20倍。六、流速对融化过程的影响分析水温为60℃、半径为5mm、初始油温为10℃、流速为0-1.0m/s的原油总融化时间曲线如图5.9所示。由图5.9可以看出，曲线的斜率逐渐减小，表明流速每增加0.1m/s时原油完全融化时间缩短的幅度减小。图5.9不同初始油温原油的总融化时间曲线42 东北石油大学硕士研究生学位论文另外，当管内的流动状态由过渡区变化到强制湍流区后，曲线逐渐趋于平缓，表明当管内流动处于旺盛湍流状态后，流速对于原油整体融化速率的影响逐渐减弱。流速为0m/s时原油的总融化时间为3.44s，此后流速每增加0.1m/s原油的总融化时间分别减少了1.11s、1.07s、0.43s、0.19s、0.14s、0.08s、0.06s、0.05s、0.05s、0.01s。融化后的液相胶凝原油不随水流出管道及随水流出管道的两种模拟条件下水温为60℃、半径为5mm、初始油温为10℃、流速分别为0.1m/s、0.2m/s、0.3m/s的原油总融化时间如表5-4所示。表5-4两种模拟条件下不同流速胶凝原油的总融化时间表融化时间（s）融化时间（s）流速（m/s）比值（情况一）（情况二）0.137.42.3316.050.229.21.2623.170.317.60.8321.20由表5-4可以看出，情况二的原油总融化时间远远少于情况一，三种油温条件下情况一的总融化时间约为情况二的20倍。5.2.2流动形态的影响因素分析一、油相分布云图初始油温为10℃、半径为5mm、水温为60℃、水流速度为0.3m/s时不同时刻监测面2上的原油相分布云图如图5.10所示（图中仅给出管道右半段云图），其中较多且颜色较深的为水相，较少且颜色相对较浅的原油相。0.1s1.1s0.2s1.2s0.3s1.3s0.4s1.4s0.5s1.5s0.6s1.6s0.7s1.7s0.8s1.8s0.9s1.9s1.0s2.0s图5.10监测面2上的油相分布云图43 第五章油水有滑移非约束融化换热特性的数值研究由图5.10可以看出，胶凝原油颗粒逐渐融化并发生变形，颗粒表面形态不再保持球形。这是因为热水流过球形原油颗粒时会在接触面形成速度边界层，使得颗粒在流动方向上來流面的速度高于背流面的速度，在重力方向上颗粒上下顶点处的速度高于颗粒中间部位的速度，导致来流侧的油水换热速率高于背流侧，颗粒上下表面的换热速率高于颗粒中间部位，因此在融化初始时刻颗粒的背流面会形成尖端，而后颗粒逐渐被“压扁拉长”呈长条状。随着融化过程的进行，融化后的液相原油逐渐离开颗粒主体形成更小的油滴颗粒，小油滴随水向管道出口方向流动并受到浮力作用向管道上壁移动。二、流速对流动形态的影响分析初始油温为10℃、半径为5mm、水温为60℃、水流速度分别为0.2m/s、0.3m/s、0.5m/s时不同时刻监测面2上的原油相分布云图如图5.11(a)、(b)、(c)所示（图中仅给出管道右半段云图），其中较多且颜色较深的为水相，较少且颜色相对较浅的原油相。0.5s3.0s1.0s3.5s1.5s4.0s2.0s5.0s2.5s6.0s(a)0.2s1.2s0.4s1.4s0.6s1.6s0.8s1.8s1.0s2.0s(b)0.1s0.6s0.2s0.8s0.3s1.0s0.4s1.2s0.5s1.3s(c)图5.11监测面2上的油相分布云图：(a)流速0.2m/s(b)流速0.3m/s(c)流速0.5m/s44 东北石油大学硕士研究生学位论文由图5.11可以看出，流速是影响油滴流动形态的重要参数。由图5.11(a)可以看出，油滴颗粒先呈连续上升流动形态，一段时间后呈紧贴上管壁的贴壁分层流动形态；由图5.11(b)可以看出，油滴颗粒同样先呈连续上升流动形态，一段时间后呈靠近上管壁的近壁流动形态；由图5.11(c)可以看出，油滴颗粒的上升趋势不明显，一直呈现在主流区的悬浮流动形态。当流速为0.2m/s时，油滴所受剪切力较小，与浮力的合力方向更加偏向于浮力方向，因此颗粒很快向上移动到管壁处并缓慢向前移动；当流速为0.3m/s时，油滴所受的剪切力对流动方向的影响明显，因此颗粒在很长一段时间内呈现一边上升一边向前移动的状态，但由于计算管道较短，油滴最终在近管壁处流出管道；而当流速为0.5m/s时，油滴所受的剪切力与浮力的合力方向更加偏向于剪切力方向，因此油滴颗粒的上升趋势始终不明显，颗粒在主流区以悬浮状态流出管道。另外，在图5.11(a)还可以观察到只有部分油滴颗粒会贴壁流动，这些油滴的体积相对较大，所受的浮力也相对较大，剪切力不足以改变颗粒的上升趋势，因此油滴很快上升到管壁处。而另一部分体积相对较小的油滴颗粒，所受的浮力也相对较小，剪切力对流动方向的影响明显，因此油滴在没有上升到管壁前就已经随水流出了管道。值得注意的是，融化开始形成的一些体积特别小的油滴颗粒在流动的过程中遇到前方的其他颗粒时，会与前方颗粒重新聚集，而已经贴壁的体积较大的油滴也可能在水流剪切力的作用下发生变形甚至破碎出更小的油滴颗粒。三、半径对流动形态的影响分析初始油温为10℃、水温为60℃、水流速度为0.3m/s、半径分别为5mm、10mm、15mm时不同时刻监测面2上的原油相分布云图如图5.12(a)、(b)、(c)所示（图中仅给出管道右半段云图），其中较多且颜色较深的为水相，较少且颜色相对较浅的原油相。由图5.12(a)可以看出，油滴颗粒先呈连续上升流动形态，一段时间后呈靠近上管壁的近壁流动形态；由图5.11(b)可以看出，颗粒主体变形明显，油滴数量明显增多，油滴先呈连续上升流动形态，一段时间后少部分油滴在靠近管道出口处聚集并紧贴管壁，呈贴壁流缓慢流出管道；由图5.11(c)可以看出，颗粒上下表面均有油滴颗粒脱离原油主体并呈连续上升流动形态，一段时间后油滴在管道末端贴壁聚集并且油层逐渐变厚，而体积较小的颗粒在靠近油层下方流出管道，呈现油水三层流动形态。0.2s1.2s0.4s1.4s0.6s1.6s0.8s1.8s1.0s2.0s(a)45 第五章油水有滑移非约束融化换热特性的数值研究0.4s2.4s0.8s2.8s1.2s3.2s1.6s3.6s2.0s4.0s(b)0.5s3.0s1.0s3.5s1.5s4.0s2.0s4.5s2.5s5.0s(c)图5.12监测面2上的油相分布云图：(a)半径5mm(b)半径10mm(c)半径15mm另外，在图5.11(b)及图5.11(c)还可以观察到颗粒下表面形成的小油滴并没有立刻脱离颗粒主体流出管道，而是在颗粒背流面停留了一段时间，最终从颗粒上方脱离。这是因为，当颗粒半径较大时，颗粒背流面会形成明显的漩涡，从而改变了液相原油的流动方向。半径为10mm，1.2s时刻监测面2上的速度场如图5.13所示。图5.13监测面2上的速度场四、温度对流动形态的影响分析初始油温为10℃、半径为5mm、水流速度为0.3m/s、水温分别为50℃、60℃、70℃时不同时刻监测面2上的原油相分布云图如图5.14(a)、(b)、(c)所示（图中仅给出管道右半段云图），其中较多且颜色较深的为水相，较少且颜色相对较浅的原油相。46 东北石油大学硕士研究生学位论文0.4s1.6s0.6s1.8s0.8s2.0s1.0s2.2s1.2s2.4s(a)0.2s1.2s0.4s1.4s0.6s1.6s0.8s1.8s1.0s2.0s(b)0.2s1.2s0.4s1.4s0.6s1.6s0.8s1.8s1.0s1.9s(c)图5.14监测面2上的油相分布云图：(a)水温50℃(b)水温60℃(c)水温70℃由图5.14可以看出，温度对油滴颗粒的流动形态几乎没有影响。三种水温条件下，油滴颗粒均先呈连续上升流动形态，一段时间后呈靠近上管壁的近壁流动形态。5.3本章小结本章利用FLUENT模拟了管输条件下油水有相对滑移、颗粒形状改变且融化后的液相油滴随水流出管道时原油的融化相变过程。分析了颗粒半径、热水温度、原油初温、水流速度变化时原油颗粒的融化特性及表面形态，探讨了水流速度、颗粒半径、热水温度对油滴在管内的流动形态的影响。得出的主要结论如下：（1）由于原油颗粒与水直接接触进行强制对流换热且融化后的液相原油逐渐脱离颗粒主体流出管道，因此原油颗粒表面各处的融化速率不相同，原油整体不再为同心融47 第五章油水有滑移非约束融化换热特性的数值研究化，并且各监测点的升温速率几乎不会受到相变区间的影响；（2）颗粒半径增大原油整体的融化速率降低，半径每增加1mm原油融化时间的增长幅度加大；水温均匀升高时原油总融化时间降低的幅度越来越小，原油整体的融化速率升高；初始油温与融化时间的变化曲线近似呈线性变化趋势，初始油温每升高5℃颗粒融化时间减少的程度大致相同；流速每增加0.1m/s原油融化时间缩短的幅度减小，并且当管内流动处于旺盛湍流状态后，流速对于原油整体融化速率的影响逐渐减弱。（3）流速和颗粒半径对油滴流动形态的影响显著，但温度对油滴颗粒的流动形态几乎没有影响。48 东北石油大学硕士研究生学位论文第六章结论与展望6.1结论研究整形后的块状胶凝原油在热水中的融化特性对原油安全集输及节能降耗具有重要意义。本文通过数值模拟研究了球形胶凝原油颗粒与热水间的耦合换热，得出的主要结论如下：（1）假设原油密度为常数时，固、液相原油间主要依靠导热方式进行热量传递，任一时刻融化的固液界面近似为同心圆；将原油密度处理为随温度变化的函数时，颗粒内部的自然对流可显著提高原油的融化速率；（2）半径越小、水温和初始油温越高、流速越大，原油颗粒的融化速度越快，完成融化所需的时间越短；（3）其他条件相同，融化后的液相原油不随热水流出管道时原油颗粒的完全融化时间约为融化后的液相原油形成小油滴随热水流出管道时颗粒整体的融化时间的20倍；（4）当原油颗粒与水直接接触进行强制对流换热且融化后的液相原油逐渐脱离颗粒主体流出管道时，颗粒半径每增加1mm原油融化时间的增长幅度加大，水温均匀升高时原油总融化时间降低的幅度越来越小，初始油温与融化时间的变化曲线近似呈线性变化趋势，流速每增加0.1m/s原油融化时间缩短的幅度减小，并且当管内流动处于旺盛湍流状态后，流速对于原油整体融化速率的影响逐渐减弱；流速和颗粒半径对油滴流动形态的影响显著，但温度对油滴颗粒的流动形态几乎没有影响。6.2展望本文已完成预定内容，但有关原油在热水中的融化传热问题还有诸多内容需要深入研究，主要包括以下几个方面：（1）在原油的实际输送过程中，原油颗粒形态千变万化，本文只研究了球形原油颗粒的融化过程，还应综合分析形状、尺寸等的影响；（2）本文针对管输条件下胶凝原油颗粒的融化相变过程只进行了数值模拟研究，相关的实验研究还应进一步开展；（3）在原油的实际输送过程中，原油颗粒一边随水流动一边发生融化相变，但由于时间关系，本文只研究了融化相变后的原油随水流出管道但未融化的原油颗粒并未随水流动的情况，因此对于原油在集输管道内流动融化的实际过程还原还应进一步研究。49 参考文献参考文献[1]谭越，吴炜，连华.石油工业标准化及其战略发展[J].石油科技论坛，2018，2:1-4.[2]王茂森.我国石油化工产业发展现状与竞争力探析[J].中国高新区，2017，17:235.[3]蔡周全，路燕涛，白磊.我国石油安全现状分析与对策[J].安全与环境工程，2016，3:123.[4]杜勇.我国石油城市可持续发展能力评价研究[D]．中国地质大学博士学位论文，2017.5．[5]曹轶.中国石油安全的现状与对策研究[J].经济研究导刊，2018，2:5-6.[6]田磊，付晓晴，刘小丽等.2017年我国石油市场形势政策分析与2018年展望[J].中国能源，2018，1:10-14.[7]李鸿英，黄启玉等.用差示扫描量热法确定原油的含蜡量[J]．石油大学学报，2003，1:60-62，66．[8]RobustilloMD,CotoB,MartosC,EspadaJJ.Assessmentofdifferentmethodstodeterminethetotalwaxcontentofcrudeoils[J].EnergyFuels.2012,26:6352-6357.[9]JiangZ,HutchinsonJM,ImrieCT.Measurementofthewaxappearancetemperaturesofcrudeoilsbytemperaturemodulateddifferentialscanningcalorimetry[J].Fuel,2001,80:367-371.[10]ZhaoYS,PasoK,NorrmanJ,AliH,SorlandG,SjoblomJ.UtilizationofDSC,NIRandNMRforwaxappearancetemperatureandchemicaladditiveperformancecharacterization[J].JournalofThermalAnalysisandCalorimetry,2015,120:1427-1433.[11]刘晓燕，陈伟，赵岩等.高凝原油低温集输多相流流型试验研究[J].热科学与技术，2012，4:347-351.[12]刘晓燕，陈伟，高海智等.水一胶凝原油两相流流态化实验研究[J].工程热物理学报，2013，3:480-483.[13]鹿广辉，张冬敏，于达等.冷热原油交替输送的传热过程研究[J].油气储运，2007，4:14-16.[14]李涛.停输架空管道内原油温度场影响因素分析[D].东北石油大学硕士学位论文，2013.6.[15]陈晶华，付璇.海底原油管道停输温降的FLUENT模拟[J].石油化工高等学校学报，2014，2:93-96.[16]刘晓燕，王海燕，宫秀艳等.热油管道停输介质温度分布数学模型分析与新模型的建立[J].科学技术与工程，2010，28:6874-6877.[17]张园园.利用FLUENT软件模拟计算含蜡原油管道的停输温降过程[J].管道技术与设备，6:1-4.50 东北石油大学硕士研究生学位论文[18]张青松，赵会军，张庆国等.埋地输油管道非稳态传热数值研究[J].管道技术与设备，2007，1:12-13.[19]ZhaoJ,WangHJ.Seasonalbehaviorofpavementingeothermalsnow-meltingsystemwithsolarenergystorage[J].TransactionsofTianjinUniversity,2006,5:319-324.[20]AnneDW,KnutVH.Comparisonofmeltingprocessesofdryuncompressedandcompressedsnowonheatedpavements[J].ColdRegionsScienceandTechnology,2016,6:69-76.[21]YasuhiroH,MakotoN,HidekiK.Fieldmeasurementsandanalysesforahybridsystemforsnowstorage/meltingandairconditioningbyusingrenewableenergy[J].AppliedEnergy,2006,7:117-134.[22]ChenMY,WuSP,WangH,ZhangJZ.Studyoficeandsnowmeltingprocessonconductiveasphaltsolarcollector[J].SolarEnergyMaterialsandSolarCells,2011,7:3241-3250.[23]王华军，赵军.地热能道路融雪化冰过程实验研究[J].太阳能学报，2009，2:177-181.[24]刘晓燕，崔晓琳，王露.长方体胶凝原油在热水中的融化实验[J].当代化工，2016，3:532-534.[25]ChaedongKS,MasashiO.Non-uniformmeltinginpackedbedsoffineiceslurry[J].InternationalJournalofRefrigeration,2001,24:338-347.[26]DongWL,EungSY,MoonCJ,etal.Heattransfercharacteristicsoftheiceslurryatmeltingprocessinatubeflow[J].InternationalJournalofRefrigeration,2006,29:451-455．[27]SimoneRB,MichelP,NicolasG.Experimentalstudyofhydraulicandthermalbehaviorofaniceslurryinashellandtubeheatexchanger[J].ExperimentalThermalandFluidScience,2012,37:130-141.[28]WangLD,SunYE,CaiJM.Heattransfercharacteristicsoftheiceslurryatmeltingprocessinatubeflow[J].Int.J.Refrig,2006,29:451–455.[29]KnodelBD,FranceDM,ChoiUS,WamMW.Heattransferandpressuredropinice-waterslurries[J].Therm.Eng,2000,20:671–685.[30]DoronP,BarneaD.Flowpatternmapofsolid-liquidflowinpipes[J].Int.J.MultiphaseFlow,1996,2:273-283．[31]KnodelBD,FranceDM.Pressuredropinice-waterslurriesforthermalstorageapplication[J].ExpHeatTransfer,1998,1:265-275．[32]颜景文，陈政伟.道路热力融雪速率的试验测定及融雪过程动态特性[J].工程热物理学报，2010，7:1100-1104．[33]黄勇，高青.道路融雪化冰过程冰层的热融特性吉林大学学报(工学版)[J].2010，2:391-396．51 参考文献[34]王华军，赵军.地热能道路融雪化冰过程实验研究[J].太阳能学报，2009，2:177-181．[35]蒋兴良，毕茂强等.自然条件下导线直流融冰与脱冰过程研究[J].电网技术，2013，9:2626-2631．[36]汤文斌.模拟大气环境下铁路接触网覆冰融冰实验研究[D].长沙理工大学硕士学位论文：2009.4．[37]朱煜.导热塑料盘管蓄冰槽外融冰实验研究[D].浙江大学硕士学位论文：2006.2．[38]BabakK,HosseinS,FrankB.Experimentalinvestigationoftheeffectofinclinationangleonconvection-drivenmeltingofphasechangematerialinarectangularenclosure[J].InternationalJournalofHeatandMassTransfer,2014,72:186-200.[39]TanFL.Constrainedandunconstrainedmeltinginsideasphere[J].InternationalJournalofHeatandMassTransfer,2008,35:466-475.[40]NourS,ChrisWR,TheoLB.Three-dimensionalPCMmeltinginaverticalcylindricalenclosureincludingtheeffectsoftilting[J].InternationalJournalofHeatandMassTransfer,2013,65:798-806.[41]ZhangYW.Meltinginanenclosurewithdiscreteheatingataconstantrate[J].ExperimentalThermalandFluidScience,1993,2:196-201.[42]MithatA,OrhanA,KamilK.Experimentalstudyonmelting/solidificationcharacteristicsofaparaffinasPCM[J].EnergyConversionandManagement,2007,48:669-678.[43]MithatA,OrhanA,KamilK.Thermalenergystorageperformanceofparaffininanoveltube-in-shellsystem[J].AppliedThermalEngineering,2008,28:405-413.[44]杲东彦，陈振乾.开孔泡沫铝内石蜡融化相变过程的可视化实验研究[J].化工学报，2014，S1:95-100．[45]章学来.石蜡相变材料蓄热过程实验研究[J].上海市制冷学会2007年学术年会论文集，2007．[46]SunDL,XuJL,WangL.Developmentofavapor-liquidphasechangemodelforvolume-of-fluidmethodinFLUENT[J].InternationalCommunicationsinHeatandMassTransfer,2012,7:1101-1106.[47]WangSL,WangZ,ShangHX.NumericalSimulationofAmmoniaPhaseChangeHeatExchangerWhichUsedforCompositeAir-coolingCirculatorySystem[J].EnergyProcedia,2012,2:1086-1091.[48]NicholasB,RobertAT,GrahamM,GaryR.Solid-liquidphasechangemodellingofmetallicsodiumforapplicationinsolarthermalpowerplants[J].SolarEnergy,2015,6:151-158.52 东北石油大学硕士研究生学位论文[49]AhmedAA,RayaKA,SaadMM.Numericalinvestigationofeffectoffillratioandinclinationangleonathermosiphonheatpipethermalperformance[J].AppliedThermalEngineering,2016,7:1055-1065.[50]AbduljalilAA,SohifBM,SopianK,SulaimanMY.CFDapplicationsforlatentheatthermalenergystorage:areview[J].RenewableandSustainableEnergyReviews,2013,11:353-363.[51]王继红，张腾飞，王树刚等.竖直管道内冰浆流体流动特性的数值模拟[J].制冷学报，2012，2:42-46．[52]彭东华，陈振乾．泡沫金属相变材料融化传热过程的数值模拟[J]．工程热物理学报，2009，6:1025-1028．[53]王军，石磊．基于FLUENT的冰塞融化模拟[J]．山西建筑，2009，15:362-363．[54]马剑龙，李炳熙，刘逸．初始参数对内融冰式蓄冰管融冰性能的影响[J]．节能技术，2007，3:218-222．[55]王继红.冰浆的管道输送热流动特性[D].大连理工大学博士学位论文，2013.9.[56]DebabrataP,YogendraKJ.Meltinginasideheatedtallenclosurebyauniformlydissipatingheatsource[J].InternationalJournalofHeatandMassTransfer,2001,44:375-387.[57]TanFL,HosseiSF,KhodadadiJM.Experimentalandcomputationalstudyofconstrainedmeltingofphasechangematerials(PCM)insideasphericalcapsule[J].InternationalJournalofHeatandMassTransfer,2009,52:3464-3472.[58]AssisE,KatsmanL,ZiskindG.Numericalandexperimentalstudyofmeltinginasphericalshell[J].InternationalJournalofHeatandMassTransfer,2007,50:1970-1804.[59]KhodadadiJM,ZhangY.Effectsofbuoyancy-drivenconvectiononmeltingwithinsphericalcontainers.[J].EnergyandBuildings,2007,2:197-203.[60]ShatikianV,ZiskindG,LetanR.NumericalinvestigationofaPCM-basedheatsinkwithinternalfins.[J].InternationalJournalofHeatandMassTransfer,2005,48:3689-3706.[61]LiW,KongCC.NumericalStudyontheThermalPerformanceofaShellandTubePhaseChangeHeatStorageUnitduringMeltingProcess[J].AdvancesinMechanicalEngineering,2014,1-6.[62]HosseinizadehSF,DarziAA,TanFL.Numericalinvestigationsofunconstrainedmeltingofnano-enhancedphasechangematerial(NEPCM)insideasphericalcontainer[J].Int.J.Therm.Sci,2012,51:77-83.[63]KaruneshK,ShuklaA,SharmaA.Performanceevaluationoffattyacidsasphasechangematerialforthermalenergystorage[J].JournalofEnergyStorage,2016,6:153-162.53 参考文献[64]AbidiaAA,MatS,SopianK.NumericalstudyofPCMsolidificationinatriplextubeheatexchangerwithinternalandexternalfins[J].InternationalJournalofHeatandMassTransfer,2013,61:684-695.[65]YeWB,ZhuDS,WangN.Numericalsimulationonphase-changethermalstorage/releaseinaplate-finunit[J].AppliedThermalEngineering,2011,17:3871-3884.[66]WangZY,YangM,LiL,etal.Combinedheattransferbynaturalconvection-conductionandsurfaceradiationinanopencavityunderconstantheatfluxheating[J].NumericalHeatTransfer,2011,60:289-304.[67]SharifiN,BergmanTL,FaghriA.EnhancementofPCMmeltinginenclosureswithhorizontally-finnedinternalsurfaces[J].Int.J.HeatMassTransfer,2011,54:4182-4192.[68]胡春研.偏心单元内月桂酸融化传热研究及结构优化设计[J].太阳能学报，2015，8:2008-2014.[69]FanLW,KhodadadiJM.Thermalconductivityenhancementofphasechangematerialsforthermalenergystorage:Areview[J].RenewableandSustainableEnergyReviews,2011,15:24-46.[70]SaikriV,KarthA.Thermalbehaviourstudyofphasechangematerialofalatentheatstoragesystem[J].MaterialsToday:Proceedings,2016,3:2518-2524.[71]陈顺江，王为民，董珊珊.埋地含蜡原油管道停输温降最新进展[J].当代化工，2014,11:2299-2301.[72]TommyF,MohammadA,AbrahamG,etal.Transientcoolingsimulationofatmosphericresidueduringpipelineshutdowns[J].AppliedThermalEngineering,2016,106:22-32.[73]XuC,YuB,ZhangZ,etal.Numericalsimulationofaburiedhotcrudeoilpipelineduringshutdown[J].PetroleumScience,2010,7:73-82.[74]ZhaoB.Studyontemperaturefieldchangeregularityofcrudeoilinseabedpipeline:Amethodcombingfiniteelementanalysiswithcurvelettransform[J].JournalofThermalAnalysisandCalorimetry,2012,2:1013-1019.[75]LiuXY,LiXQ,XuY.StudyonHeatTransferPerformanceofMediuminAerialHotOilPipeforShutdown[J].AdvancesinMechanicalEngineering,2014,2014:1-7.[76]LuT,WangK.Numericalanalysisoftheheattransferassociatedwithfreezing/solidifyingphasechangesforapipelinefilledwithcrudeoilinsoilsaturatedwithwaterduringpipelineshutdowninwinter[J].JournalofPetroleumScienceandEngineering,2008,62:52-58.[77]杨晶，赵兴民.热油管道停输温降过程的数值模拟[J].科学技术与工程，2011，16:3797-3780.[78]杜明俊等.冻土区埋地热油管道停输温降数值模拟[J].天然气与石油，2010，4:55-57.54 东北石油大学硕士研究生学位论文[79]刘刚，张国忠.热含蜡原油管内停输温降计算[J].中国石油大学学报，2010，5:136-140.[80]卢涛，姜培学.埋地原油管道停输期间温降及原油凝固传热模型及数值模拟[J].热科学与技术，2005，4:299-303.[81]ArarimehA,DhurjatiP,AngelusP,etal.Waxformationinoilpipelines:acriticalreview[J].InternationalJournalofMultiphaseFlow,2011,37:671–694.[82]ZhangG,LiuG.Studyonthewaxdepositionofwaxycrudeinpipelinesanditsapplication[J].JournalofPetroleumScienceandEngineering,2010,70:1-9.55 发表文章目录发表文章目录1.XiaoyanLiu,LuWang,YangLiu,ZhiguoWanga,XiaolinCui,LijunLiu.Numericalinvestigationofwaxycrudeoilpastemeltingonaninneroverheadpipewall.AppliedThermalEngineering,2018,131:779-785.Abstract:Thispaperpresentsatransientnumericalstudyofmeltingwaxycrudeoilblockpasteonaninneroverheadpipewallatdifferentwatertemperaturesandflowrates.Computationsarebasedonaniterative,finite-volumenumericalprocedurethatincorporatesenthalpy–porositytechnologytosimulatethephasechangephenomenon.Temperaturevariations,liquidfrictions,andtemperaturefieldstructuresatvariablemonitoringpointswereinvestigated.ResultsshowthattheinitialtemperaturedistributionsisU-shapedalongthemonitoringline,withtemperaturedecreasinggraduallyfromthefreesurfaceoftheoiltoitsinterfacewiththepipewall.Theflowpatternhasasignificantinfluenceonthemeltingtimeinitstransitionfromlaminartoturbulent,buthaslittleeffectafterthetransition.Theseresultsprovideareferenceforthehydraulicsuspensiontransportprocessinwaxycrudeoilpipelines.Keywords:Melting;Waxycrudeoil;Simulation;Transientheattransfer;Phasechange2.刘晓燕，王露，崔晓琳，王志华，徐颖，成庆林，刘立君．基线选取对DSC法测试原油含蜡量的影响[J]．油气储运，2017.7，795-799．摘要：差示扫描量热法（DifferentialScanningCalorimetry，DSC）中基线的选取对原油析蜡潜热及含蜡量的测试计算结果有较大影响。针对目前基线选取不统一的问题，采用DSC法对大庆油田两个采油区块的原油进行测试计算，获得了原油降温过程的DSC曲线。分别采用两种常用的基线选取方法对两油样测得的DSC曲线进行分析并计算含蜡量。与氧化铝吸附法测得的含蜡量的对比结果表明：采用内插基线法处理测试结果时，两油样的相对误差分别为4.7％和-3.1％；采用反向延长线法处理测试结果时，两油样的相对误差分别为52.6％和34.7％。因此，利用DSC法测量原油析蜡潜热及含蜡量时，采用反向延长线作基线的测试计算结果误差过大，宜采用内插基线法确定基线。关键词：原油；含蜡量；差示扫描量热法；基线选取3.刘晓燕，王露，张丽娅，张怡鹏，李栋，刘立君．球形胶凝原油融化特性的数值模拟研究[A]．中国工程热物理会议：广州，2016．摘要：研究胶凝原油融化特性对原油集输及停输再启动等具有重要的意义。本文基于宽相变区，采用数值分析方法研究了球形胶凝原油在水中的融化特性。利用Fluent软件，模拟了初始油温为5℃-30℃、水温为50℃-70℃、半径为0.5mm-10mm胶凝原油颗粒的温度场及液相分数，得到不同初始条件下球形胶凝原油的总融化时间及温度变化曲线。模拟结果表明：受导热机制作用，原油为同心融化；半径增大会降低原油的融化速率，半径每增加1mm所需的融化时间更长；水温呈线性增加时，原油总融化时间降低的幅度越来越小；油温呈线性增加时，所需的融化时间近似呈线性减少。本文的研究成果可为胶凝原油水力悬浮输送提供技术指导。56 东北石油大学硕士研究生学位论文关键词：胶凝原油；数值模拟；球形；温度；融化时间4.LuWang,XiaoyanLiu,LijunLiu,YangLiu,LiyaZhang,DongLi．NumericalInvestigationsofMeltingSphericalCrudeOilParticleinTheCenterofPipe[A]．TheFirstAsianConferenceonThermalSciences：JejuIsland，2017．Abstract:ThispaperpresentsanumericalstudyofmeltingsphericalcrudeoilparticleinthecenterofpipebyFluentsoftware.Hotwaterflowinthepipelineandtransferheattocrudeoilwhichisassumedtobestationary.Thepipewallisregardedasadiabaticboundaryanditsthicknessisignored.Widemeltingtemperaturerangeandvariabledensityoftheoilareincorporatedinthesimulations.Theseresultsshowthatunsteadyheattransferpatternscaninfluencetheheatingratewhichchangesobviouslybeforeandafterphasechangestage.Intheabsenceofconvection,diffusion-controlledmeltingwouldcausetheunmeltedoiltoremainaperfectsphereatalltimesandconcentrictemperaturecontoursareobservedateveryinstant.Withtheexistenceofnaturalconvection,thetotalmeltingtimedecreaseobviously.Thesimulatedtemperaturecontoursandsolid-liquidfrontsclearlyshowtheestablishmentofanunstablefluidlayeratthebottomofthespherethatsupportschaoticfluctuationsandisresponsibleforwavinessofthebottomoftheoil.Theinvestigatedresultscanprovideareferenceforhydraulicsuspensiontransportingprocessofwaxycrudeoil.Keywords:Melting;Waxycrudeoil;Simulation;Transientheattransfer;Phasechange5.刘晓燕，王露，刘立君，李晓庆．管输条件下球形胶凝原油颗粒融化特性研究[A]．第十五届全国高校油气储运学术交流会：北京，2017．摘要：研究管输条件下胶凝原油颗粒的融化特性对原油集输及停输再启动等具有重要的意义。本文基于宽相变区，采用数值分析方法研究了球形胶凝原油颗粒在管道中的融化特性。利用Fluent软件，模拟分析了油水温差为40、50、60℃、水流速度为0.1、0.2、0.3m/s、半径为5、10、15mm胶凝原油的温度场及液相云图，得到不同初始条件下球形胶凝原油的总融化时间及温度变化曲线。结果表明：受导热机制作用，原油为同心融化；原油中心附近三个监测点的融化过程分为五个阶段，且相变前后换热速率发生显著变化；颗粒半径每增加5mm原油融化时间增加的幅度升高、油水温差每增加10℃原油融化时间减少的幅度降低、水流速度每增加0.1m/s原油融化时间减少的幅度升高。关键词：胶凝原油；数值模拟；球形；温度；融化时间57 致谢致谢韶华易逝，流水浮年，转眼就到了研究生毕业的时刻。回顾三年的硕士生涯，回首在东北石油大学度过的七年本硕学习生活，我的内心百感交集。有对母校、尊师以及同窗们的不舍，有对未来生活的迷茫和畅想，但心中充盈最多的仍是感激！首先，我要感谢我的导师刘晓燕教授，她在我的学习和生活上都给予了很多的关心和包容。刘老师严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深的感染和激励着我，有了她的悉心引导、耐心帮助和及时把关，我的论文从选题到完成一直在按部就班的进行，从中我也学到了很多技能和本领。刘老师除了在学业上给予了我精心的指导外，还在我的思想和生活上给予我无微不至的关怀，她高尚的品德和温婉和善的待人方式一直在影响这我，这些同样使我受益终生。其次，我要感谢课题组所有的老师和同学们，他们在科研中给予了我很多的帮助，他们认真、努力的科研态度和创新敏捷的思维时刻影响鞭策着我，使我不断的学习进步、积极探索。再者，我要感谢我的父母、亲人和朋友在我学习生涯给予我的关心和支持，你们让我积极乐观的面对生活中的一切，给予了我不断拼搏的力量。最后，再次对关心、帮助、支持和鼓励我的所有老师、同学、亲人表示诚挚的谢意。58 麵磨１”：＇：，：Ｍ：ｍ：－招生办：０４５９６５０３７２１培养办０４５９－６５０４７９２：学位办０４５９－６５０３９３８：学校网址：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｎｅｐｕ．ｅｄｕ．ｃｎ