于进 杜炘洁

1中油国际管道公司

2中国石油西南油气田公司安全环保与技术监督研究院

电脱水器[1]在脱水过程中,由于绝缘棒后端绕流产生的涡街会使一部分区域流速较低,造成原油中高含盐沉积物在该处沉积而导电,致使绝缘棒失去绝缘作用.在石油工业中,如果导电就会引起电脱水器的变压器烧坏,进而导致停产,后果是相当严 重 的.HEIDEMAN[2]、PONTAZA 和 CHEN[3]等 通过实验研究对圆柱绕流[4-5]中阻力系数与雷诺数的关系进行了分析,但因研究结果误差较大,其局限性较明显.马金花等[6]采用有限元方法离散求解了雷诺时均方程,王亚玲等[7]使用CFX-4三维数值模拟软件对黏性不可压缩流体的圆柱绕流问题进行了深入分析.以上研究标志着数值模拟已逐渐成为了当今研究的主要手段[8].

使用FLUENT软件数值模拟圆柱流动分离[9-10],漩涡生成、脱落以及随时间推进涡街产生和演变过程,包括卡门涡街[11-12]及二次涡[13]形成等.采用标准k-ε模型通过对三种不同来流速度0.5、1.0和2.0 m/s在同一时刻不同面和不同时刻(T/5、3T/5、T时刻)同一面模拟结果的分析对比(原油停留时间为30~50 min之间),定性地分析了该圆柱绕流模型中速度对绝对不稳定性的影响,通过改变区域的速度就可达到改变甚至消除卡门涡街的目的,为脱水器的应用设计[14-15]提供了一定的参考依据.

1 建模计算

研究某原油电脱水器绝缘棒参数如下:

(1)原油电脱水器绝缘棒结构:绝缘棒直径D=70 mm,h=850 mm.

(2)混合原油运动黏度υ=76.1 cSt(50℃),密度ρ=886.4 kg/m3(20℃).

(3)来流流速:v1=0.5 m/s,v2=1.0 m/s,v3=2.0 m/s.

(4)计算区域(S)=长(L)X宽(W )X高(H),其中L=12D、W=4D、H=5D.

为了便于计算和结果的查看,取绝缘棒的几何轴线为z轴,底面所在的平面为x-y平面,其三维数学模型见图1.将结构化网格和非结构化网格相结合,将计算区域划分为两个部分,如图2所示.

图1 计算区域三维几何模型Fig.1 Three-dimensional geometric model of computational area

图2 计算区域网格结构Fig.2 Grid structure of computational area

如图3所示,取代表性截面H1为z=70 mm,切面H2为z=140 mm,切面H3为z=175 mm,切面H4为z=210mm,切面H5为z=280mm,z1切面为X=175mm,z2切面为Y=140 mm.

图3 计算区域切面图Fig.3 Section of computational area

2 数值结果与分析

2.1 不同流速同一时刻模拟结果对比分析

T时刻(T=0.7 s),在绝缘棒竖直方向上,不同横切面的速度变化趋势大致相同,如图4、5所示.绝缘棒前沿175 mm的范围内,其迎流区流速为0.25 m/s左右,而在与来流成90°的两侧流速增大为0.75 m/s左右.绝缘棒后侧的背流区速度几乎为零,随着流体的继续流动,流速逐渐增大,最后趋于稳定.综上所述,与来流方向成90°夹角的圆柱上下两侧的主流区速度为最大值,而在漩涡区、圆柱的背流侧和其后回流区的流速相对较低;同时可以观察到圆柱的上下两侧近邻圆柱表面流体处有交替的脱落、漩涡形成、漩涡向下游移动和扩散等现象,整个过程呈明显的周期性.

图6显示了横切面H3的压力云图,图7为圆柱面的压力云图,图8为纵切面z1、z2压力云图.当原油流过绝缘棒时产生了分离,从而对圆柱体产生了持续的作用力.由于逆压梯度的存在,造成边界层分离,从而形成漩涡.同时,因涡漩能量消耗以及尾流压力降低,流体在物体前端分开后,受到间断面和漩涡的阻隔影响,不能在物体后部重新汇合,压力亦不能完全恢复,致使物体前后部压力分布不对称,从而产生阻力,该阻力即为物体前后压差引起的压差阻力.

图4 v=0.5 m/s时沿圆柱横切面速度云图Fig.4 Velocity nephogram along cylindrical transverse section whenv=0.5 m/s

图5 v=0.5 m/s时纵切面速度云图Fig.5Velocitynephogramoflongitudinalsectionwhenv=0.5m/s

图6 v=0.5 m/s时横切面H3的压力云图Fig.6 PressurenephogramoftransversesectionH3whenv=0.5m/s

图7 v=0.5 m/s时圆柱面压力云图Fig.7 Cylindrical pressure nephogram whenv=0.5 m/s

图8 v=0.5 m/s时纵切面压力云图Fig.8 Longitudinal pressure nephogram whenv=0.5 m/s

图9 横切面H3的速度云图(左)和纵切面z2的速度云图(右)Fig.9 Velocity nephogram of transverse sectionH3(left)and longitudinal sectionz2(right)

由图6~图8可知,在绝缘棒前沿随着位置的推移压强逐渐增大,而在流体首先冲刷绝缘棒的区域,压强达到最大;在垂直来流的圆柱两侧以及背流区压强最小;在绝缘棒后侧压强逐渐增大,最后达到稳定值.

当来流流速变化时,由图9可见,在三种流速下圆柱体表面都有相同的特点,即来流方向的压力最大,而与来流成90°夹角的表面处压力几乎为零.不同来流流速下,各处压强的量值有所不同,流速v=0.5 m/s时的背流低速区面积大于流速v=1.0 m/s时的面积,v=1.0 m/s时的面积又大于v=2.0 m/s时的面积.综上所述,在一定流速范围内,背流区域面积随着流速的增大而逐渐减小;对于边界层,随着来流流速的增加,边界层的低速区域逐渐减少.当流体绕流后,柱体后部会产生对称的环流运动区域,该处流线排列有序并呈封闭状态,从而使每组形成一个"驻涡".回流越多,产生二次分流的趋势越明显.当雷诺数达到一定值时,快速旋转的漩涡在柱体后部区域出现,导致柱面产生较大的压力梯度,形成二次分离.

2.2 同一来流速度不同时刻模拟结果对比分析

2.2.1 来流速度为v=0.5 m/s时模拟结果

图10给出了在v=0.5m/s时,切面H3在t=T/5、t=3T/5和t=T的速度云图和速度等值线图.从图中可以看出,位于同一平面上的质点,其x向速度分布随时间的变化逐步达到流态稳定,其分布有一定的规律性.尾涡呈周期性脱落,并在尾部依然呈卡门涡街的特征.

图10 v=0.5 m/s时切面H3的速度云图和速度等值线图随时间的变化Fig.10 Velocity nephogram and contour map of time variation at sectionH3whenv=0.5 m/s

图11 v=1.0 m/s时,在切面H3处随时间变化的速度云图和等值线图Fig.11 Velocity nephogram and contour map of time variation at sectionH3whenv=1.0 m/s

图12 v=2.0 m/s时,在切面H3处随时间变化的速度云图和等值线图Fig.12 Velocity nephogram and contour map of time variation at sectionH3whenv=2.0 m/s

2.2.2 来流速度为v=1.0 m/s时的模拟结果

图11给出了在v=1.0 m/s时,切面H3在t=T/5、t=3T/5和t=T的速度云图和速度等值线图.由图11可知,随着流速增大,卡门涡街现象减缓.

2.2.3 来流速度为v=2.0 m/s时的模拟结果

由图12并结合图11可知,随着流速进一步增大,卡门涡街现象减缓甚至消失,绝缘柱后距离绝缘柱越远,流速越趋近于平均值,同时,从图12可知,在绝缘柱前,由于绝缘柱的阻挡,流速较高,最大流速出现在绝缘柱两侧.

3 结论

通过对原油电脱水器绝缘棒三维圆柱绕流的数值模拟发现:①与来流方向成90°夹角的圆柱上下两侧的主流区速度为最大值,而在漩涡区、圆柱的背流侧和其后回流区的流速相对较低;②柱前随着位置的推移压强逐渐增大,柱侧及背流区压强最小,柱后压强逐渐增大,最后达到稳定值;③背流区面积在一定流速范围内,随着流速的增大而逐渐减小;④雷诺数的高低会影响柱面的压力梯度及漩涡的形成;⑤通过改变区域的速度就可达到改变甚至消除卡门涡街的目的.

综上所述,可选择原油流速v=1.0 m/s进行原油脱水操作,确保在经济流速下减缓圆柱绕流的卡门涡街现象,这与实际工业应用情况亦相符.