刘文明，许 晶，刘雪东

（常州大学 机械工程学院，常州 213164）

稠油降粘装置内空化流场数值模拟与分析

刘文明，许 晶，刘雪东

（常州大学 机械工程学院，常州 213164）

采用CFD方法对基于拉伐尔喷管的稠油降粘空泡发生装置内部流场进行数值模拟。对比分析加入CRV导流叶片前后喷管内空化流场与三维速度场的变化情况。结果表明：拉伐尔喷管水力空化效果明显，局部区域汽含率最高可达94%，加入CRV导流叶片后，空化区域平均汽含率略有降低，空化强度减小；CRV导流叶片的加入使空泡群从靠近管壁的区域移向了管路中心，空化区域发生转变，汽含率在喷管中心达到最大值；液流在通过CRV导流叶片后，周向速度明显增加从而产生的涡旋流，但涡流沿轴线方向衰减较快。

拉伐尔喷管；CRV导流叶片；空化效应；数值模拟

0　引言

空化是一种复杂的流体动力学现象，空泡溃灭能形成球面冲击波并伴随有瞬时的高温与高压，所产生的能量足以使长链碳氢类介质中化学键断裂。利用空泡发生装置对长碳链油品进行处理时，由于空化效应的连续作用能打断油品中分子间的碳链，从而达到降低油品粘度，提高油品流动性，提高轻质油产出率的目的［1～4］。

空化按产生形式的不同一般可分为超声空化、水力空化、光空化和粒子空化四种类型［5～7］，相关学者对超声空化和水力空化有着较为广泛的研究。本文所研究的水力空化装置是以拉伐尔喷管为主要部件，利用高压使液流在喷管收缩段加速至喉部，之后由于喷管扩张而导致液流内压力突然降低，从而产生空化泡作用于液态介质。Neveddev［8，9］等学者利用拉伐尔喷管产生空泡处理液态介质的方法对石油进行加工，验证其达到了一定的降粘与馏分分离的效果，并提出在液体中产生涡旋流有助于分离提纯处理后的液态介质的假设。

为了探究拉伐尔喷管产生空化的效果以及涡旋流对空化的影响，本文以水为研究介质，对加入CRV导流叶片的空泡发生装置进行数值模拟与分析，为改善拉伐尔喷管和导流叶片结构，以及提高该装置处理效率提供重要参考。

1　计算模型与方法

1.1研究对象

利用Pro/E软件对该空泡发生装置进行建模，其中拉伐尔喷管收缩段按照维托辛斯基曲线设计［10］，扩张段采用锥形管的形式，其结构参数尺寸如表1所示。

表1　拉伐尔喷管结构参数

CRV导流叶片是美国程式流体公司研发的产品，它能使流体在X、Y方向上的速度分量提前发生转变从而产生涡旋流，并达到平衡流场的目的。与加入螺旋挡板相比，流体通过CRV叶片时在X、Y方向上的速度分量逐渐发生转变，这个过程较为缓慢，因此流体对叶片作用不强烈，流体的能量损失较小，并且能够起到良好的起旋效果。

本研究采用的CRV导流叶片数量为6个，叶片的横截面为矩形，厚度为0.5mm，长度为10mm，在叶片的前端进行预弯，如图1所示。叶片固定在直径为6mm的圆柱芯体上，并放置于拉伐尔喷管入口前端。

1.2模拟方法

采用CFD软件Fluent6.3.26对水力空化装置内空化流场以及三维速度场进行数值模拟，首先利用前处理软件Gambit进行几何建模与网格划分。由于空化装置内CRV叶片外形较为复杂，本模型采用了生成相对简单的非结构化的网格，在二阶迎风格式的情况下非结构化网格也具有较高的精度，还具有比较好的可调节和可控制性，如图2所示。因为流场中涉及涡旋流，为提高强旋流动计算精度，湍流模型采用重整化群RNG k-ε模型，多相流模型采用Mixture混合模型，不考虑相间滑移速度，压力速度耦合方式选择SIMPLE算法，最后以稳态的计算方式得到流场情况。

图1　CRV导流叶片

图2　空泡发生装置三维网格

在模拟空化流场时需要在多相流设置中打开Cavitation功能模块，该模块只涉及两相系统，假设单位体积内的气泡数量是预先知道的，当流体中的压力低于流体在该温度下的饱和蒸汽压，溶于液体中的气体就会分离出来产生气泡。

单个气泡体积关于空间和时间的变化由下式给出：

R是气泡的半径。

蒸发的体积分数定义为：

这里η是单位流体容积内的气泡数量。

体积分数方程从混合（m）的连续性方程获得。经处理后，假定不可压缩的液体（l），可以获得下面的表达式：

由于空化气泡在低温下形成液体，Fluent等温模拟空化流动，忽略了蒸发潜热。Rayleigh-Plesset方程与压力和气泡容积φ相关：

这里pB表示气泡内的压力，由蒸汽的部分压力（pV）和非凝结气体的部分压力（p）之和来描述，σ是表面张力系数。

为了简化计算，Fluent假设气泡成长和破裂的过程由下式给出：

1.3边界条件

边界务件设置为入口压力1.2MPa，出口压力0.1MPa，模拟液态介质为水，温度20℃，该温度下饱和蒸汽压为2367.8Pa，表面张力系数为0.0717N/m，非凝结性气体质量分数为1.5×10-5。

由于空化效应发生在拉伐尔喷管扩张段内，因此为方便分析，在X=0平面上以喉部中心为坐标原点，分别选择沿Z轴方向位置为-8mm、-4mm、0、4mm、8mm、12mm、16mm、20mm、24mm、28mm的截面来进行研究分析。

2　模拟结果与分析

2.1空化流场模拟结果与分析

空化是指液体中某处的压强降到该温度下的饱和蒸汽压从而促使液体汽化所引发微气泡爆发性生长的过程［11］，空化强度越大，产生的空泡数量越多，因此可以用拉伐尔喷管中汽含率（αv）的大小来表征空化效应的强弱。

加入CRV导流叶片前后空化流场变化如图3所示。当液体流经喷管喉部后有气泡逐渐产生，汽含率从0迅速增加，在局部区域内能达到90%以上。从图中可以看出加入CRV导流叶片后拉伐尔喷管空化流场产生了明显的变化，汽含率高的空化区从靠近管壁的区域转移到了喷管轴向中心位置，这是由于CRV导流叶片使液体形成涡旋流，液流在离心力的作用下朝管壁流动，从而使密度相对较小的空化泡滞留在了喷管中央。

图3　拉伐尔喷管汽含率分布云图

加入CRV导流叶片前后Z轴各截面上平均汽含率αv变化如图4所示。CRV导流叶片对拉伐尔喷管空化流场形态的改变较大，但空化沿轴向的变化趋势并未改变。从数值上看，加入CRV导流叶片后空化区平均汽含率略有下降，这是因为液体对导流叶片的冲击造成管路系统能量有一定的损失，从而导致喷管空化效应有所减弱，平均汽含率降低了1.65%，表明导流叶片对空化强度的削弱并不十分明显。

图4　拉伐尔喷管轴向各截面平均汽含率分布图

空泡群由管壁区域移向管路中心，能在更大范围内作用于液态介质，提高处理效率，并且能减少空泡溃灭对管壁的空蚀作用，以达到保护设备的目的。在管路中的液态介质由于受到空化作用而使物性参数发生改变，在涡旋流的作用下与未经处理的液体进一步分离而滞留在管路中心，这也为后续原料的分离提取提供了便利。因此，利用CRV导流叶片产生涡旋流对该空泡发生装置的处理效果起到了促进作用。

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2.2速度场模拟结果与分析

空化数CV是一个表示空化状态的无量纲数，其定义式为：

其中影响空化数的两个变量分别为流体内的绝对压力p与流速v0，而空化数CV与流速v0的二次方成反比，由此可见，拉伐尔喷管中液体流速是影响该装置空化效果的一个重要因素。

为探究加入CRV导流叶片对拉伐尔喷管内速度场的影响，本文通过数值模拟，研究了整个空泡发生装置内速度场的分布规律，并对影响涡流最主要的周向速度进行了分析与讨论。

2.2.1速度场分布

图5　加CRV前不同截面速度矢量分布图

图6　加CRV后不同截面速度矢量分布图

2.2.2周向速度

周向速度是液体产生涡旋流的主要因素，周向速度增大可以使密度和粘度较大的液态成分集中在靠近喷管壁的一侧，如果正确地形成涡流，并且将粘度大的成分从附面层中分离出来，空泡发生装置就能够有效地将混合液体按密度分离开来。图7为喷管各截面周向速度云图，液流在通过CRV导流叶片后，周向速度逐渐增大，在到达喷管喉部附近时达到最大值。图7（b）、（c）、（d）可以看出周向速度沿径向的变化梯度较大，离喷管轴向中心越远，周向速度越大，最高可达10m/s，壁靠近喷管壁面由于存在边界层，周向速度较小。

图8为空泡发生装置沿Z轴方向各横截面的平均周向速度，周向速度在拉伐尔喷管收缩段内达到最大值，液流在到达喷管喉部之前周向速度即开始减小，旋流随之衰减。

图7　拉伐尔喷管周向速度分布云图

3　结论

1）拉伐尔喷管产生空化主要集中在靠近喷管壁面的区域，而加入CRV导流叶片后由于旋流使空泡群转移到了喷管管路中心，空化形成的区域发生改变，但平均汽含率变化不大，即CRV导流叶片的加入对装置空化强度影响较小。

2）旋流的产生使密度和粘度较大的液态成分集中在靠近喷管壁的一侧，即能使混合液体按密度分离开来，旋流越强，分离越彻底。

3）CRV导流叶片使液流产生了涡旋流，周向速度增加，但沿Z轴轴线方向，周向速度衰减较快。

图8　Z轴方向各横截面平均周向速度

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Numerical simulation and analysis on the cavitation flow field in a heavy oil viscosity reduction device

LIU Wen-ming， XU Jing， LIU Xue-dong

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2016-06-28

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刘文明（1981 -），男，江苏徐州人，实验师，硕士，主要从事石油化工装备结构可靠性与完整性的研究工作。