實現(xiàn)粘性流體的高效率運輸

1、 實現(xiàn)粘性流體的高效率運輸梁曉紅 楊嶄 孫玉娟 張逍馳 李真 楊海興 關鍵字: 圓管流;分層流;數(shù)學模型;壓降摘 要: 從流體力學中ns方程出發(fā)，建立了圓管兩相分層層流流動的數(shù)學模型。通過兩相分層層流的相互作用的流體力學分析，提出了兩相流動界面的耦合條件，從而得到了一組完整描述兩相圓管分層流的數(shù)學方程，再通過數(shù)值求解分層流的數(shù)學方程，得到了對工程實際應用有重要價值的流動規(guī)律。應用圓管兩相分層層流的運動規(guī)律，可以實現(xiàn)高粘流體的高效率輸送，其節(jié)能效果十分明顯。 引言 在各種管道輸送流體的過程中，由于流體成分的復雜性，常常出現(xiàn)兩相分層流。如含水原油或含氣原油的輸送等，由于流體容重差的作用，常出現(xiàn)管道

2、中油水或油氣的分層流；再如鉆水平井及各種定向井中，工作液中含有大量巖屑而導致管道中上下層流體性質(zhì)完全不同而成分層流。對這種圓管兩相分層流，如果仍然用單相流來研究就會產(chǎn)生較大的誤差。所以，研究圓管分層流具有重要的工程實際意義。 而與此同時，我們已經(jīng)開始學習粘性流體流動的基本解題方法，研究這個更加實際和復雜的問題有助于我們更好地深入學習。例如a. 課本例題：管內(nèi)定常流動 P247p ub. 平板邊界分層流動 那么，當我們考慮在圓的邊界而非平板邊界的分層流動又會是什么情況呢？下面我們來分析這種管道內(nèi)的分層流動。（一） 圓管分層流的數(shù)學模型 如圖1所示，兩相在圓管中分層流，上下兩層流體的水力學參數(shù)分別

3、用下標1，2表示。圓管半徑R，兩項界面在Y=H處。假設流體只有軸向流而無徑向流，且分層流界面穩(wěn)定，無化學反應與摻混等現(xiàn)象發(fā)生。則由不可壓縮流體力學的N-S方程知： (1) 邊界條件： 1.上層流體，流速在管壁ADB上為零； 2.下層流體，流速在管壁ACB上為零界面處耦合條件： 1、設流體流動時上下兩層流體相互之間無滑移，則在界面上， 2、由于上下兩層流體相互作用，則在界面處相應的切應力相平衡，即 (2) 或為 (3)構(gòu)成了一組描述圓管分層流動的適定的方程組。求解析解較為困難而用 數(shù)值方法求解更為恰當。（二） 數(shù)值求解a) 運用第一種差分法的五點格式 ，（P168數(shù)學物理方程及其數(shù)值解法） 方程

4、（1）為橢圓方程，先將圓管沿X、Y上直徑N等分，劃分圓管為若干個網(wǎng)格，取最靠近邊壁的圓管內(nèi)網(wǎng)格為邊壁，只要網(wǎng)格足夠精細，誤差就可以降到足夠小，得到： 即得 b) 運用逐次超松弛迭代法（SOR） 帶入1，2即得上下層流體內(nèi)網(wǎng)格處的迭代式；上層網(wǎng)格內(nèi)的迭代公式： 下層網(wǎng)格內(nèi)的迭代公式：界面上網(wǎng)格處： 界面處的迭代：(三) 算例 我們以如下參數(shù)作為算例分析： 圖2 流量與分層高度的關系分別以上下兩層流體的粘度相差從10倍到100倍不等進行計算，即分別對 開始，逐步減小至 ，再把圓管分層流動時高粘流體的流量與等壓差下單一高粘流體的流量作一比較。,其中為壓差不變時單一高粘流體時的流量。為圖1所示，分別從

5、0至，步幅為。其運算結(jié)果為圖2。 （四）結(jié)論及應用通過對圓管分層流的精確數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)在輸送高粘流體的時候，適當添加一些粘度較小的流體，如天然氣等，形成圓管分層層流，則可實現(xiàn)比單一地輸送高粘流體更加節(jié)能，更加高效。而且添加的流體粘度越小，則在輸送高粘流體時，比單一地輸送高粘流體節(jié)能的效率越高。另外，添加低粘流體的流量多少十分關鍵，添加低粘流體的流量太多或太少均不能達到高效節(jié)能地輸送高粘流體的目的，必須通過精確的數(shù)值計算確定一個最佳的低粘流體的添加量，才可能達到目的。通過精確地數(shù)值計算確定一個最佳的低粘流體的添加量，可以比單一地輸送高粘流體增加流量達152 316 ，其節(jié)能效果十分明顯。本文的研

6、究工作為工程混輸技術及設計提供了可靠的科學依據(jù)及計算方法?，F(xiàn)在的管道運輸主要有下面幾種原油管道：世界上的原油總運輸量中約有85%95%是用管道外運的。我國目前擁有原油管道約8000公里，管道原油運輸量占管道總運輸量的90%以上，原油外運量的70%以上是由管道運送的。成品油管道：可以是運送一種油品，也可以是運送多種油品，主要是由煉油廠通往化工廠、電廠、化肥廠、商業(yè)成品油庫及其他用戶之間。我國成品油管道大部分都是管徑小、距離近、輸送油品單一的管道。天然氣管道：是輸送氣田天然氣和油田伴生氣的輸氣管道，由開采地或處理廠輸送到城市配氣中心，是陸地上大量運輸天然氣的唯一方式。煤漿、礦漿管道是將其粉碎后加水

7、成漿狀通過管道運輸。管道作為一種新型的現(xiàn)代化的運輸方式將逐步擴大其使用范圍。在建設方面不僅地區(qū)成網(wǎng)、國內(nèi)成網(wǎng)，國際間跨國管道的發(fā)展也有相當?shù)膭蓊^；在運輸貨種方面，由現(xiàn)有原油、成品油、天然氣擴大到重油、二氧化碳氣、沙石等建筑材料等；由于各種性能的貨種增加，相應的管道驅(qū)動方式多樣，輸送工藝會更加復雜等。 在這一過程中，分層流的研究極高的粘性流體的配置問題將有很大的實用價值。參考文獻：1 Govior G W ，Kaziz，復雜混合物在管道中的流動M, 權(quán)忠輿譯。北京：石油工業(yè)出版社，1983. 2393572 鄭永剛，方鐸，水平偏心環(huán)空中分層流動的速度分布及減阻規(guī)律A,95全國水動力學研討會文集C。北京：海洋出版社，1995. 2212263 鄭永剛，謝翠麗，牛頓流體在圓管中紊流一層流分層流動及減阻規(guī)律A,第五屆全國海事研討會文集C。北京：海洋出版社，1999. 1231264 鄭永剛，謝翠麗，圓管中分層層流流動的新模型及減阻規(guī)律J. 水利學報，1999，44（1）：23315 鄭永剛，非牛頓流體流動理論及其在石油工程中的應用M.北京：石油工業(yè)出版社，1999. 1301726 鄭永剛，方鐸，圓管摻氣減阻理論研究J. 水