成品油管道油携水机理研究

论文摘要

国内已有多条成品油管道发生因管内低洼处积水引起的腐蚀产物等杂质堵塞干线过滤器、减压阀等设备的阻塞事故,目前尚无有效的解决办法。本文提出利用上游油流携带管道低洼处积水,以减轻管道内腐蚀、减少管道因腐蚀产物等杂质引起的阻塞事故。本文对油携水作用机理及系统流动特性进行了深入系统地研究,建造了地形起伏管道中油携水的室内环道,并在此基础上对地形起伏管道中油携水问题进行了深入地理论分析及数值模拟,详细分析了地形起伏管道中油携水时的积水分布形态、积水被油流携带的临界条件及影响此临界条件的主要参数,对成品油管道中排除低洼处积水有一定的指导意义。本文的主要研究内容及结论如下:通过对地形起伏管道中油流剪切作用下的积水分布形态进行试验观察发现,积水以贴近管道下壁面的偏心大水滴形式存在,且速度相对油速很小,积水分布形态主要受油相速度的影响。油相速度较小时,积水沿水平管段铺展并聚集至水平管段下游,呈偏心大水滴形式。随油相速度增大,积水受到的剪切作用增强,偏心大水滴长度减小,且积水界面呈上游小、下游大的梯度分布。随着油相速度继续增大,界面产生波动,若波动加剧至一定程度,则有水脱离积水主体,形成进入油流的小水滴以及贴近管壁向前运动或回流至积水主体的大水团。本文推导出的水平管段水相厚度分布模型（即水塞模型）表明,积水受到油流剪切作用时,水相厚度呈梯度分布。同时,对不同油相速度剪切作用下积水的分布形态进行数值模拟,亦得到与上述实测现象吻合很好的结果。对上倾管段不同位置处的出水量进行了测量和分析,发现出水量随表观油速变化明显:表观油速小于临界值时,出水量为零;表观油速增至临界值时,出水量迅速增大;表观油速增至一定程度后,积水将完全被携带。同时,对积水可被油流携带时的临界表观油速进行了测量和分析,发现临界表观油速与管径、上倾管段倾角以及水相持液率有关。采用积水平铺于水平管段时的界面稳定性准则及分散流模型对临界表观油速进行了预测,发现此两种模型的预测值均明显大于实测结果,本文提出的水相厚度分布模型,即水平管段中的水塞模型以及上倾管段中的偏心大水滴模型,能很好地预测上倾管段上不同位置处的出水量及其临界表观油速。水塞模型还表明,临界表观油速随管径增大而指数递增,其递增速率与油相流态有关:层流时(Reos<2000),递增速率随水相持液率增大而增大;紊流时(Reos≥2000),递增速率与水相持液率无关,为0.63。采用FLUENT软件对测试管段中的积水分布形态及临界表观油速进行了二维数值模拟,并分析了影响积水分布形态及临界表观油速的关键参数,发现积水分布形态与管段结构、表观油速、物性参数及水相持液率有关,临界表观油速与管径、上倾倾角、水相持液率及物性参数有关,其中管径对其影响最大。若管径、倾角、物性参数不变,临界表观油速随水相持液率减小而增大,且水相持液率越小,其增大速率越大;若倾角、物性参数、水相持液率不变,临界表观油速随管径增大而指数递增;若管径、倾角、水相持液率不变,临界表观油速随油相密度、粘度增大而减小,而管壁润湿性及界面张力对其影响很小;若管径、物性参数、水相持液率均不变,临界表观油速随上倾倾角增大而减小,且上倾倾角越大,其减小速率越小,上倾倾角增至一定程度后,其变化很小。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的研究意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 分层流分析模型
• 1.2.2 分层流界面稳定性
• 1.2.3 分层流界面形状
• 1.2.4 分散流模型
• 1.2.5 漂移模型
• 1.3 本文主要研究目的和研究内容
• 第2章 试验系统与试验结果
• 2.1 试验系统及试验流程
• 2.1.1 试验系统
• 2.1.2 试验流程
• 2.2 测量装置
• 2.2.1 差压传感器
• 2.2.2 温度传感器
• 2.2.3 流量变送器
• 2.3 数据采集及分析系统
• 2.3.1 数据采集系统
• 2.3.2 Labview 处理软件与界面
• 2.4 试验参数及试验介质的物性参数
• 2.4.1 试验参数范围
• 2.4.2 试验介质的物性参数
• 2.5 试验结果
• 2.5.1 镀锌钢管
• 2.5.2 玻璃、塑料以及有机玻璃透明管
• 2.6 试验结果的不确定度
• 2.6.1 不确定度的求解
• 2.6.2 所测各量的不确定度
• 第3章 水平管段内油携水的理论分析
• 3.1 油水界面稳定性准则
• 3.1.1 不同常数C 对判定准则的影响
• 3.1.2 稳定性分析与实测数据比较
• 3.2 水塞模型
• 3.2.1 水平管段水相厚度分布
• 3.2.2 进入上倾管段的最大水量
• 3.2.3 计算实例
• 3.2.4 计算结果分析与实测数据比较
• 3.2.5 初始水相厚度对水相厚度分布的影响
• 3.3 分散流模型
• 3.3.1 分散流判定准则
• 3.3.2 粗糙管的临界油相速度
• 3.3.3 管壁粗糙度对临界油速的影响
• 3.4 大管径水平管路系统的预测
• 3.4.1 不同管径系统的临界表观油速
• 3.4.2 管壁粗糙度对临界表观油速的影响
• 3.5 本章小结
• 第4章 上倾管段内油携水的理论分析
• 4.1 不稳定水塞模型
• 4.1.1 塞体体积
• 4.1.2 塞尾水相厚度分布
• 4.1.3 上倾管段不同位置处的出水量
• 4.2 偏心大水滴模型
• 4.2.1 偏心大水滴速度的求解
• 4.2.2 出水量的比较
• 4.3 本章小结
• 第5章 管道中油携水的二维数值模拟
• 5.1 几何模型及网格划分
• 5.1.1 几何模型
• 5.1.2 网格划分
• 5.2 数学求解模型
• 5.2.1 多相流模型
• 5.2.2 求解器与离散格式
• 5.2.3 计算参数以及物性参数
• 5.2.4 边界条件与初始条件
• 5.2.5 时间步长
• 5.3 模拟结果及验证
• 5.3.1 不同表观油速时的计算结果
• 5.3.2 不同初始水相持液率时的计算结果
• 5.3.3 不同管径时的计算结果
• 5.3.4 不同上倾倾角时的计算结果
• 5.3.5 不同物性参数时的计算结果
• 5.3.6 计算结果的各个影响因素
• 5.4 小结
• 结论与展望
• 1 本文主要结论
• 2 对未来工作的展望
• 参考文献
• 附录
• 附录1 术语解释
• 1 水相持液率
• 2 临界表观油速
• 附录2 两相界面呈梯度分布时分层流稳定性分析
• 1 油水两相连续性方程
• 2 油水两相动量方程
• 3 界面稳定性分析
• 附录3 UDF定义入口速度边界
• 攻读博士学位期间取得的研究成果
• 致谢
• 作者简历