突扩管流动形态的数值模拟

第!卷#第$%期#%!年!%月!&’!!!(!)%!#$%*%%%%*%$#科#学#技#术#与#工#程+,-./,.0.,1/232456/78/4-/..9-/4#:23;!#2;$%#=,?%!!#%!#+,-;0.,1;8/494;力学突扩管流动形态的数值模拟周再东!#魏长柱#孙明艳$#刘#帅R大庆油田有限责任公司储运销售分公司储运保障大队!$大庆!&$%%%%大庆油田有限责任公司第二采油厂$大庆!&$R!R%大庆油田有限责任公司第三采油厂$$大庆!&$%%%%大庆油田有限责任公司第一采油厂R$大庆!&$%%%#摘#要#针对油品在管道中运输时常常遇到边界突然扩大的流动状态!分别建立突扩管的物理模型$数学模型并应用软件模拟不同雷诺数$不同突扩比下的管内流体的流动形态得出了不同雷诺数下轴向压力的变化趋势以及局部水头损失随突扩比的影响规律!结果可以很好地反映突扩管流的基本特征!对于石油生产中常见的此类问题的研究具有重要的意义和作用!关键词#突扩管##阻力系数##]3C./##数值模拟中图法分类号#=$)##08($;%####文献标志码#G%!年&月)日收到第一作者简介&周再东!J(&!#$男$助理工程师$研究方向&储运清罐’8*K6-3&l6-72/4)&L!&$?,2K’##管道运输中$突扩管道中流体的流动是一种常见的实际状况(!)’由于流线自身所拥有的特殊性质$导致流体流经突扩管道时将会产生流动的分离和再附现象$这是学者们一直在关注的问题’因为产生的分离和再附会引发涡旋$从而导致压力的降低和能量的损失()’刘晓利($)等人对二维突扩管流进行了有限分析查找到了能量损失区域’朱红钧等人对突变管段油水两相流的流动进行了模拟$得出油水两相流在管径突扩段压力降低后逐渐增大$在小管径管段形成的流速核心区保持一段距离后渐趋消失$在突扩双肩处出现两个对称的最低流速区(R)’而此文章分别模拟了油品在突扩管中不同雷诺数和不同突扩比下的速度云图$进行对比$找出这两项参数对能量损失的影响’!物理模型设小管直径!O!%%KK$大管直径O%%KK$Y!O%!$YO%$虚线为对称轴$因为轴两侧的流动形态完全相同$因此只模拟上半部分$并定义突扩比为FOA!’物理模型如图!所示’图!#突扩管的物理模型*数学模型粘性不可压缩流体在管道内作瞬态流动的支配方程为连续性方程()$&)&&E&-4&1&D.%!#6B-.9*+2A.E方程&&E&!4E&E&-41&E&D./-0!3&*&-41&E&-4&E&D()&1&!4E&1&-41&1&D./D0!3&*&D41&1&-4&1&D(){#式#中E$1分别为流动速度在-$D坐标轴上的分量$3为流体密度’+边界条件实际流体流动过程中$到达突扩截面处流动可以充分发展$入口速度分布为抛物形$且出口截面远离回流区’由于选取的计算区域足够长$所以$采用速度入口$压力出口%轴线处考虑流动的轴对称特征%边壁为固壁无滑移条件%选用原油作为工作介质’原油物理性质为&密度3OJ’’;)A4aK$$黏度7O%;%!’)RRA4aK/E#’,模拟结果及分析,#!不同雷诺数下的突扩管模拟突扩比F.时$分别模拟出雷诺数K).)%$!%%$!)%$%%突扩管内油品的速度分布云图$如图所示’图#不同雷诺数下突扩管速度分布云图从图可以分析出$由于突扩管内部流体流动具有惯性$在遇到突然扩大的管道形状时$它不能马上的按照管道形状流动$而是沿着大管径逐渐的扩大’因此在突扩的管壁与主流束之间形成涡旋$涡旋靠主流束带动旋转$致使涡质点的能量不断降低$需要通过漩涡区与主流的能量交换或粘性连带不断地供给$由此消耗了主流的能量’同时主流带动涡流不断的通往下游$促使下游一定范围内的紊流脉动$加大了这段长度上的水头损失’并且$随着K)的增大涡旋越剧烈$并且影响的范围也逐渐扩大$达到主流的时间也越长$管道中间部位的速度也随着增大’最大速度影响的范围距管口也越远$这与实际状况相符’K).)%$!%%$!)%$%%不同雷诺数下突扩管的轴向压力分布$如图$所示’图$#不同雷诺数下轴向压力变化图从图$中可以看出$不同雷诺数下的轴向压力分布趋势是相同的$管径变化之前$压力随着距离的增加而急剧降低$而在管径突变处压力又迅速增大$此后压力变化趋势和管径变化之前相同’雷诺数越大$压力变化的越明显$最后趋于平稳值流出’,#*不同突扩比下的突扩管模拟分别模拟K).!%%时$突扩比F.;)$$;)$R时的突扩管的速度分布云图$如图R所示’图R#不同突扩比下突扩管的速度分布云图图R可见$当雷诺数不变时$随着突扩比的增大$漩涡区也逐渐扩大$涡旋尺度也随之增大’涡旋的存在$导致主流能量的损失$涡旋越剧烈$所消耗的主流的能量也就越多$通过突扩的能量损失也就越大’所以应用数值模拟对于突扩管道的正确设计以及减少流动的能量损失$具有重要的意义’)(!$%期周再东$等&突扩管流动形态的数值模拟,#+突扩管局部阻力系数在工程力学中$局部水头损失的一般表达式常常表示为&3(.112$#式$#中1为局部阻力系数$1为对应的断面平均流速’突扩管的局部阻力系数为&1.!0$!$()R#式R#中$!$$分别为突扩管前后的管路横截面面积’按照式R#计算突扩比FO;)-$;)-R的局部阻力系数的1分别为%;$&-%;)!-%;)&’计算不同雷诺数下突扩比为FO;)-$;)-R的局部水头损失$如图)所示’图)#不同雷诺数下的局部水头损失##从图)中可以看出$当雷诺数较小时$局部水头损失随着雷诺数的增大而减小$但当进入阻力平方区后$突扩局部水头损失趋于定值’在相同雷诺数条件下$局部水头损失随着突扩比的增大而增大’根据以上研究结果$在实际工程计算时$要考虑到运行的雷诺数$来确定局部阻力$以保证施工质量及节约成本’-结论!#利用]ie80软件对流场进行数值计算有较高的准确性$完全可以利用]ie80软件对突扩以及复杂流场进行数值计算’#突扩流场的主要特征是在管径突扩处产生回流现象’$#回流区长度随着雷诺数和突扩比的增加而增大’在一定的范围内$回流区长度与雷诺数呈线性变化’参考文献!#李#萍$徐学祖$陈峰峰;冻结缘和冻胀模型的研究现状与进展;冰川冻土$%%%%!#&J%!J)#高殿荣$张齐生;平面突扩管瞬态流动的有限元模拟;燕山大学学报$!JJJ%$R#&$$!!$$R$#刘晓利$明#晓;二维突扩管流的有限分析解;南京航空航天大学学报$!JJ&%($#&R’!R$!R#朱红钧$等;突变管段油水两相流的流动模拟;油气储运$%%J%J$#&!J!!J$$!J&)#吴持恭;水力学上册#第二版#;北京&高等教育出版社$!J(&#夏庆福$倪汉根;洞塞消能的数值模拟;水利学报$%%$%(#&$’!RH2??08WUA%85(8O5A0K;(FO%330&8(93/0J240&56%;H542;%35(8^Y=e^6-*72/4!$X8‘U16/4*l1C$+e@-/4*56/$$i‘e+1C6-R+2964.$096/E_296-2/6/7@69A.-/4U2K_6/52[D6M-/4=-3[-.37U2K_6/5i7!$D6M-/4!&$%%%$F?c?U1-/6%2;=-3F927C,-2/U2K_6/52[D6M-/4=-3[-.37U2K_6/5i7$D6M-/4!&$R!R$F?c?U1-/6%=;$=-3F927C,-2/U2K_6/52[D6M-/4=-3[-.37U2K_6/5i7$$D6M-/4!&$%%%$F?c?U1-/6%2;!=-3F927C,-2/U2K_6/52[D6M-/4=-3[-.37U2K_6/5i7R$D6M-/4!&$%%%$F?c?U1-/6#(1C3&%63)#]291._-_.3-/.96/E_296-2/2[2-3-/1.S297.9EC77./.Q_6/E-2/2[1.[32ZE6.-E2[./[6,.7;02.E6S3-E1.7_15E-,63K27.3$K61.K6-,63K27.3$6/76__3-,6-2/E2[Z69.2E-KC36.7-[[.9./c.5/237E/CK*S.9$7-[[.9././3694.K./96-22[[3C-7K2B.K./[29K$1.9./72[1.6Q-63_9.EEC9.C/7.97-[[.9./c.5/237E/CKS.9E$6EZ.336E1.32,631.6732EEZ-11.EC77./.Q_6/E-2/2[1.36Z-E2S6-/.7;01.9.EC3E,6/S.B.9542279.E_2/E.2EC77./.Q_6/E-2/2[1.S6E-,,1696,.9-E-,E2[_-_.[32Z$,2KK2/[291.2-3_927C,-2/2[EC,1-EEC.E2[49.6E-4/-[-,6/,.6/7923.;(D0EF(&?)#EC77./*.Q_6/E-2/_-_.##32EE,2.[[-,-./##]3C./##/CK.9-,63E-KC36-2/&(!科#学#技#术#与#工#程!卷