武程宽，王为民

（辽宁石油化工大学 石油天然气工程学院， 辽宁 抚顺 113001）

顺序输送边界层区域混油的数值模拟

武程宽，王为民

（辽宁石油化工大学 石油天然气工程学院， 辽宁 抚顺 113001）

针对成品油流经上、下坡管道时，对同种汽油与不同密度的柴油进行顺序输送的混油问题，借助于VOF模型，建立三维流动模型进行数值计算。研究输送顺序、流速、密度、管长对成品油管壁边界层区域混油的影响。研究结果表明：对于上坡输油管道前行柴油时柴油密度越小、速度越大有助于减少管壁处边界层区域的混油量；对于下坡输油管道前行汽油时柴油密度越小、速度越大有助于减少管壁处边界层区域的混油量；和上坡时相比下坡前行汽油时更助于减少管壁处边界层区域的混油量。

上下坡管道；密度差；边界层区域；数值模拟

我国东南、西北等地区建成了几条大型的成品油管道，由于地形复杂成品油经过上坡、下坡等不同工况的管道。由于两种油品的密度和粘度等物性的不同，接触面易发生混油现象。在倾斜管道时相邻油品物性的差异会大大增加混油量，因此对于倾斜管道的混油问题很有必要研究。针对此问题前人赵会军、康正凌等人［1-3］已经做了很详细的研究，但是对于倾斜输油管道边界层区域的混油特性研究的很少，本文通过对上、下坡两种工况条件进行数值模拟来研究输送顺序、流速、密度、管长对成品油管道边界层区域混油的影响，并对混油特性进行分析［4,5］，希望对成品油管道的顺序输送设计技术提供理论指导。

1 模型的建立

以汽油和柴油进行顺序输送来研究混油浓度的特性，内径500 mm，长为20 m的成品油管道顺序输送两种油品，并采用六面体网格对三维物理模型计算区域进行网格划分。针对上、下坡管道两种情况进行分析输送顺序、流速、密度、管长对成品油管道边界层区域混油的影响。

1.1 顺序输送的物理模型

在湍流状态下进行顺序输送会减少两种油品的混油量［6］。并采用湍流脉动动能方程模型模拟在倾角不同的下坡管道进行顺序输送时的混油特性，应用有限容积体积法进行离散计算。由于顺序输送混油的浓度随时间而变化，所以相应的耦合方法应用PISO算法［7］。

1.2 边界条件和初始条件

上、下坡的顺序输送管道的模型较为简单，只需设定入口边界条件和出口边界条件。为了输入具体的流动速度下坡的入口采用velocity-inlet速度入口边界，出口为outflow的充分发展边界条件。该模型需考虑重力作用，取Y=-9.81 m/s2。并设定油品速度均为2 m/s。通过控制时间来模拟输送过程。首先启动VOF多相流模型,然后设置前行油品为基本相，后行油品为第二相,油品体积分数为0，一段时间后，当前行油品达到稳定后再设置第二相油品的体积分数为1，输入后行油品进行混油模拟。

1.3 物性参数的设置

取柴油和汽油的运动粘度分别为4.316×10-3、5.616×10-4Pa·s,密度分别取840、730 kg/m3。

混油粘度可以按下式进行计算：

式中：vA、vB、vM—分别为A油品、B油品和混油的运动粘度,m/s2;

αA、αB—待定因数。（例如，在本文中对于柴油和汽油可取αA=0.8199, αB=-0.8964）。

2 上坡时混油的数值模拟

2.1 管壁处边界层区域的混油图

由图1可以得到：当前行汽油后行柴油时t=6s管壁处形成斜向下倾斜的混油，随着后行油品不断的运行管壁处形成的混油越来越紊乱，混油尾、混油头均变长，而且混油量逐渐变大。

1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0

图1 管道表面和纵向区域的混有图Fig.1 Mixed oil on the pipe surface and at longitudinal area

对比图1中(a)和(b)在前行同一种油品t=10s时的混油图：管道纵向区域的混油和管壁处混油相距一段距离且倾斜角度相一致。管壁处混油的形成是由于油品的粘度差引起管壁的层流底层处留下混油尾，随着油品的运行管壁处的混油也不断的向前运行，从而形成了一段很长的混油段。上坡时由于后行油品较重而且存在重力分力的作用加重了两种油品之间的分子扩散，从而使管壁处的混油的倾斜角变得越来越倾斜，混油尾也越来越长，同样混油头变得更加紊乱。由图1可以看出：t =6 s时和前行汽油相比前行柴油在管壁处形成的混油较薄，随着油品的交替运行管壁处的混油呈斜向上倾斜，和前行汽油相比前行柴油在管壁处形成的混油头比较尖，混油运行的比较缓慢；这是由于后行汽油粘度较小对管壁处残留汽油的冲刷能力较弱，致使管壁处的混油量增多且运行缓慢。从图2曲线图中可以看出：前行柴油时在管壁处的混油量大于前行汽油时的混油量。

图2 t =10 s后行油品管壁处混油的体积分数Fig.2 The volume fraction of mixed oil of trailing oil product at t=10 s

2.2 上坡时不同柴油密度的混有图

由图3和图4可以看出：前行汽油后行柴油时密度对混油的影响较大，柴油密度830 kg/m3的混油量大于柴油密度800 kg/m3的混油量，这是由于：前行汽油时柴油的密度越小所受到的质量力和管壁的附着力越小，且层流底层的湍动能变大导致混油量变小。当前行柴油后行汽油时密度对混油的影响较小，在x =17 m左右时前行汽油和前行柴油分别出现了混油体积分数突然减小的点，这是由于后行汽油粘度较小对管壁处残留汽油的冲刷能力较弱使得混油头变得又细又尖。

1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0

图3 上坡时不同柴油密度的混有图Fig.3 Mixed oil of diesel oil with different density in the uphill pipe

图4 不同密度柴油时后行油品各截面体积分数Fig.4 Trailing oil product volume fraction of different density diesel oil

2.3 上坡时不同速度的混有图

绘制不同速度时前行汽油和前行柴油的混油图（图5）和后行油品各截面的体积分数（图6），由两图可以看出：当速度的增大前行汽油后行柴油的混油量很接近，速度2.5 m/s时的混油量略大于速度2.0 m/s时的混油量；而前行柴油时很明显可以看出速度2.5 m/s的混油量小于2.0 m/s的混油量。这是由于：后行汽油的粘度和密度均较小受到的质量力和管壁的附着力较小，因此后行的汽油时锲入到柴油的体积分数大，混油量增多。

1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0

图5 上坡时速度不同油品的混有图Fig.5 Mixed oil under different speed in the uphill pipe

图6 不同速度时后行油品各截面体积分数Fig.6 Different speed trailing oil product volume fraction

3 下坡时混油的数值模拟

3.1 管壁处边界层区域的混有图

绘制了下坡管道不同输送顺序时表面边界层区域、管道纵向区域的混油图（图7）和后行油品在管壁处混油的体积分数（图8），由图7可以得到：

1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0

图7 管道表面和纵向区域的混有图Fig.7 Mixed oil of the pipe surface longitudinal area

图8 t =10 s后行油品管壁处混油的体积分数Fig.8 The volume fraction of pipe wall mixed oil of trailing oil product at t =10 s

当前行汽油和前行柴油时随着交替油品的运行t=2 s时在管壁处分别形成斜向下和斜向上倾斜的混油，随着后行油品不断的运行管壁处形成的混油均越来越长，混油头变尖，而且混油量逐渐变大。对比图7(a)和(b)中的前行汽油和前行柴油混油图：两种油品交替处产生的混油均以扩散的形式向前运行；管道纵向区域的混油和管壁处产生的混油的倾斜角度相一致并且均相距一段距离。从图8曲线图中可以看出：和前行柴油相比前行汽油在管壁处形成的混油量大，混油运行的比较缓慢。这是由于后行柴油粘度、密度较大在重力分力的作用下加大了油品间的分组扩散，致使管壁处的混油量增多且运行缓慢。

3.2 下坡时不同柴油密度的混有图

绘制密度不同的柴油与同种汽油进行顺序输送后行油品截面的体积分数图（图9）。由图9可以看出：无论前行是哪一种油品，柴油密度830 kg/m3的混油量均大于柴油密度800 kg/m3的混油量，对比图9中的图可以看出：前行柴油时柴油密度越大对混油的影响较大。对比上坡和下坡（图5和图10）可以发现：密度对上坡时的前行柴油时的影响最小。

图9 不同密度柴油时后行油品各截面体积分数Fig.9 Volume fraction of trailing oil product of different density diesel oil

4 结 论

对于上、下坡工况时管壁层流底层的混油借助于FLUENT软件进行了数值模拟。研究结果表明：对于上坡时的输油管道前行柴油时柴油密度越小、速度越大有助于减少管壁处边界层区域的混油量；对于下坡输油管道前行汽油时柴油密度越小、速度越大有助于减少管壁处边界层区域的混油量，和上坡时相比下坡前行汽油时更有助于减少管壁处边界层区域的混油量。建议根据工程实际应用情况，设计出针对上、下坡工况时经济合理的流速。

［1］赵会军,张青松,张国忠,等.基于PHOENICS 的顺序输送大落差管道混油的研究[J].江汉石油学院学报 ,2008,28(4):139-142.

［2］康正凌,宫敬,严大凡.成品油管道输送高差混油模型研究[J].石油大学学报(自然科学版),2003, 27(6):65-67.

［3］乔伟彪,马贵阳,杜明俊,等.U型管内成品油顺序输送混油竖直计算[J].油气储运,2011,30(10):755-758.

［4］赵海燕.顺序输送混油的CFD模拟[D].大庆:大庆石油学院,20010.27 -52.

［5］鞠岚,廖柯熹,陈莎,等.成品油管道落差地段水力特性研究[J].天然气与石油,2011,29(3):14-16.

［6］杜明俊,马贵阳,许丹,等.冷热原油顺序输送过程混油浓度的数值模拟[J].油气储运,2010,9(10)：730-733.

［7］金俊卿,郑云萍. FLUENT软件在油气储运工程领域的应用[J].天然气与石油,2013,31(2)：27-39.

Numerical simulation on Contaminated Oil of Boundary Layer region During Batch Transportation

WU Cheng-kuan，WANG Wei-min
（College of Petroleum and Natural Gas Engineering, Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001，China）

Aimed at the problem of contaminated oil in batch transportation of the same gasoline and diesel with different density during product oil flowing in the downhill and uphill pipe, with the help of VOF model, the three-dimensional flow model was established, and numerical calculation was carried out. Influence of different sequence, flow velocity, density, pipe range on boundary layer region contaminated oil was investigated. The results show that: for forward diesel in the uphill pipeline，the lower density and the greater speed of diesel，the lower the mixed oil volume of tube boundary layer region; for forward gasoline in the downhill pipeline，the lower density and the greater speed of diesel，the lower the mixed oil volume of tube boundary layer region，and compared with the first condition，its effect is more obvious.

Uphill and downhill pipe; Density difference; Boundary layer region；Numerical simulation

TQ 018

A

1671-0460（2015）01-0205-04

2014-03-30

武程宽（1988-），男，辽宁抚顺人，辽宁石油化工大学在读硕士。