文摘

在这项研究中,三维(3 d)湍流核心环状流(CAF)政权是数值调查。该模型是基于三维雷诺平均n - s方程(跑)结合纯对流输运方程的流体的体积(受到)预测油和水相之间的界面。k -ω采用湍流模型更好地再现油和水流动特性。两阶段(CAF)政权可以预测的两个入口配置:丁字路口(3 -蒸)和直管(3 d - s)。这两个配置为管道直径模拟和比较 和管道长度 。这两个入口配置,计算混合速度剖面和水体积分数在测试区 比较实验测量。3 -蒸配置给更合适的结果。3 d - s略有高估了最大速度测试部分的上下水层(CAF)流转移方向向上。3 -蒸、压降的相对误差为3.3%。然而,对于3 d - s,这个错误是13.0%。

1。介绍

两相流油水多相流动的具体情况,有极大的兴趣,特别是在石油、核、化学工业。每个阶段的分布以更复杂的方式影响压降比单相流。数值和实验调查的主要任务是预先决定的流动机制的特点,含水率,沿着交通圆柱管压降。分析解决方案受到限制的配方压降(布劳恩(1])。以下规定的表面速度的两个阶段,主要有不同的流动机制:分层,泡沫,分散,插头,蛞蝓,核心环状流(CAF)。蛞蝓和分层流都进行了广泛的实验研究和数值(Cherlo et al .,渴求et al .,和Al-Yaari Abu-Sharkh [2- - - - - -4])。最近,CAF政权已成为更有趣的方式运输石油。

实验测量原始的方法来研究油和水相的分布在不同表面速度的两个阶段。在[查尔斯•等。5),进行的第一个实验研究油水流动均匀截面和横管等于密度和低油粘度。在这些实验中,观察CAF。Elseth, (6),实验研究了压降和地方相分数的分层和分散的油和水。阿蒙森,在7),实验研究了管倾角的影响和削减水的流态和压降为一个常数混合速度。Balakhrisna et al ., (8),实验研究了高粘性的油水流动模式和kerosene-water石油通过突然横管的收缩和扩张。收缩和扩张两相流系数低于相应的单相水流动。在[Al-Awadi的实验研究9),注水方向(水平或垂直)丁字路口管不影响流态和压力梯度。

数值结果和实验调查的分层油水流动在水平管进行了桑托斯等人在10]。考虑管长度的计算相比,减少了实验。刘et al ., (11),验证了数值模型基础上的体积分数(受到)的油水流经弯头系统向上,向下,水平配置。施,在12),进行了实验和数值研究高粘度油水流动在水平管道有两个直径。一个丁字路口圆柱管被认为是预测(CAF)政权。由于高粘度的油相,层流抛物线概要文件被指定为石油进气支管和动荡的权力配置文件是实施主要管的进水口。对海温k -ω湍流模型和湍流阻尼在接口导致更精确的结果。Al-Jadidi, (13),进行了一系列的数值(CAF)流使用大涡模拟(LES)模型加上受到混合模型来模拟重油和水流的政权。Konings, (14),实施石油和水入口速度在同一截面入口在周期性边界条件下繁殖CAF流在进口和出口。江et al ., (15),研究了使用一个丁字路口管数值CAF政权。Ayuba et al ., (16),研究了数值CAF流使用横向和央行注入的水和油,分别通过一个水平管均匀截面。

在前面的数值研究,CAF是由不同的方式,但不同的方法之间的比较是不分析。本研究的目的是探讨CAF的两种方法:通过一个丁字路口管道(3 -蒸),通过直管道(3 d - s)。校长建议对应CAF政权代然后推断的准确性。

2。问题描述

图1代表了两个几何配置通常采用生成(CAF)政权。丁字路口配置是由两个圆形管道。主要和分支管道具有相同直径的实验由查尔斯等人在5)这是 。管的长度上游结 和下游结 足以获得开发流。支管的长度等于 。在配置一个丁字路口(3 -蒸),在进口的石油进入支管(OI)和在进口的主要水注入管(WI)。在第二个配置的直管(3 d - s),水注入压在同一横截面为核心的石油进口。测试部分位于 从管口被施在[12]。在所有模拟的情况下,一个统一的重力场对等于 。


图1
草图的三维几何图形的丁字路口(3 -蒸)和一个直横管(3 d - s) (CAF)流态。

在这种情况下,内管半径 是由以下方程(Konings) (14]: 在哪里 外半径管吗 , 是水的表面速度, 石油的表面速度, 是抢劫率 。

这给了 为 对应于一个混合速度 和一个入口水减少, 。

每个阶段的流体密度和动态粘度(我)对石油的阶段: (2)水相:

基于这些流体特征,相应的雷诺数对石油和水阶段,分别

这些值后,湍流模型所需的两相混合物。

3所示。数学模型

3.1。管理运输方程

在混合模型中,相同的雷诺平均n - s方程(跑)用于两个非混相阶段由水和油。这些方程可以写在下列表格(Shi等。)(17]:平均质量守恒: 平均动量守恒方程” 在哪里 混合密度和吗 给出了动态分子混合物粘度 在哪里 和 分别是油和水的密度, 和 每个阶段的体积分数是这样吗 , 是平均速度组件, 平均压力, 是动态湍流粘度, 是重力加速度场, 单位体积的组件是外力与表面张力有关。

的k- - - - - -ω模型与剪切应力运输采用湍流模型。在这个模型中,湍流粘度被定义为(Wilcox) (18]:

湍流动能 输运方程:

特定的耗散率 输运方程: 在哪里 的体积产率 :

, ,和 低雷诺阻尼函数。

湍流耗散率 是由

常用以下常量:

在高雷诺数、阻尼函数将团结和给出的 在哪里 是湍流雷诺数的:

在高雷诺数、阻尼功能 , ,和 趋向于统一。

根据Brackbill et al ., (19),油和水之间的表面张力界面转换为连续的表面力(CSF)。在这个模型中,表面张力与曲率成正比κ: 在哪里 是定义的界面曲率的散度的单位法

表面正常的被定义为油相的体积分数的梯度:

对于采用验证的情况调查实验由查尔斯等人在5),油和水之间的表面张力阶段 计算流体动力学的一个学术版本代码是用于解决这些传输方程和相关的初始和边界条件。

3.2。初始和边界条件

在模拟的初始时间 ,水平管均匀截面充满了水。管壁的无滑动边界条件。指定出口,零压力。丁字路口管、注油口位于进气支管和抛物线层流指定配置文件如下: 在哪里 径向距离吗 - - - - - -飞机: 。

单管,注油口位于进水口和相同的位置 取而代之的是 。

进水口,动荡的权力配置文件是实施: 在哪里 径向距离吗 - - - - - -飞机, 是由以下关系(是)(20.]:

的系数 依赖于水雷诺数和采取等于 。

采用下列方程计算湍流动能和特定的耗散率在进口: 在哪里 是一个入口特征维度水力半径。

3.3。数值方法

两个入口配置(3 -蒸和3 d - s),计算域包含1100 O-grids管和400个细胞的横截面轴向方向。因此,采用结构化网格模拟油和水的CAF阶段。第一个细胞层的截面管位于0.2毫米以满足 。

庇索算法(压力隐式的分裂算子)用于解决速度压力耦合。相同的残余 采用对所有变量来解决。

施的(12),几何重建(分段线性)方法允许精确捕获油和水之间的界面变化阶段。

选择一个固定的时间步 。对于每个入口配置,充分发展流动(FDF)是获得如果沿着管轴压力曲线随时间不变。

4所示。数值结果的验证

低粘度的数值结果验证了结果的速度剖面和油水流动的水的体积分数。丁字路口之间的比较研究三维管和直管是油水混合物速度等于 和含水

充分发展流动(FDF)是获得如果沿着管轴压力曲线随时间不变。图2代表不同时期的压力沿管轴后水相达到丁字路口的管道出口和入口配置表示3 -蒸。所有这些概要文件有相同的形状接近出口地区除外。主要和分支管道交界处有一个突然减少的压力,并进一步与下游压力逐渐降低。准恒定流政权获得的时间 。CAF的预测压降是498 Pa / m接近实验值衡量查尔斯等人在5),等于482 Pa / m对应于一个相对误差等于3.3%。连续的管(3 d - s),计算压力资料表明,FDF同时达到,模拟压降420 Pa / m,相对误差约为13.0%。


图2
压力变化不同的时间瞬间沿着管轴和3 -蒸配置。

模拟轴向混合速度的两个入口配置CAF表示3 -蒸和3 d - s图所示3。这些混合速度的计算结果相比,在测试线位于史 。这两个速度分布给小差异以史概要文件。变形的轴向速度在管壁上复制。这种变形会导致这些概要文件和非对称特征随两相界面的变化。


图3
对比模拟轴向速度为混合速度1.1米/秒,史的数值结果。

对于3 -蒸配置,计算最大轴向速度 这是接近的史价值(12)= 1.52 m / s。3 d - s略有高估了最大速度等于1.63 m / s。

图4显示了模拟油体积分数分布在同一条直线位置 。CAF政权更加同心的3 d - s。然而,石油体积分数3 -蒸方法史概要文件。在模拟的情况下,电影水膜厚度在管壁上略大于管壁越低。施符合(12),CAF政权更加同心惯性力时占主导地位。


图4
对比模拟石油体积分数混合速度1.1米/秒和史的数值结果。

石油体积分数的比较yz两个入口平面配置图表示5。每个入口配置诱发不同的油和水之间的相互作用阶段。这导致不同形状的CAF政权。上层水膜厚为3 d - s,和这部电影更不规则三蒸。


图5
石油体积分数的比较yz平面3 -蒸和3 d - s构型。

这些观测证实了代表石油体积分数xy平面不同位置沿管轴,如图6。CAF 3 -蒸更偏心在管轴特别是在下游地区的水平管位于远离 。


图6
石油体积分数的比较xy平面3 -蒸和3 d - s构型。

经史模拟,湍流动能较低 位于CAF的核心和高吗 位于环形水地区和靠近墙(图7)。进口配置影响的分布 由于3 -蒸配置CAF的怪癖。


图7
比较的湍流动能xy平面3 -蒸和3 d - s构型。

横截面分布的湍流动能CAF政权在图表示8。这些分布匹配油和水阶段截面变化在水环状更高的价值。


图8
比较的湍流粘度xy平面3 -蒸和3 d - s构型。

5。结论和观点

房颤政权的液-液两相流是验证两个入口配置水平和圆管。而查尔斯等人的实验结果5和史的数值模拟12]好协议的压降,发现了石油体积分数分布,轴向速度。预测界面变形由于油和水的相互作用阶段,目前的模型是基于受到对流输运方程加上跑方程和k-omega湍流模型。

该模型将验证CAF政权的高粘度油水流动,分层,段塞流。大涡模拟(LES)可以用来更好的繁殖的小湍流结构复杂的非混相两相流。作为调查未来的数值,我们还提出一个更复杂的液-液流的管道配置如通过倾斜或弯曲的管子。最后,作为本研究的角度来看,我们建议的发展更复杂的两相传输模型考虑到液-液之间的界面传输阶段。

数据可用性

没有数据被用来支持这项研究。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

作者欣然承认卡西姆大学,由院长以来的科学研究,对金融支持这项研究,在不。10133 - cos - 2020 - 1 - 3,我在1442年学年啊/公元2020年。