高压天然气管道内水合物浆液流动特性的数值模拟.pdf
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1、2023年 第5期高压天然气管道内水合物浆液流动特性的数值模拟马文礼1,曾陈宇1,苏比努尔 艾海提2,刘洪志1,陈茁1,王艳芝1(1.延安大学石油工程与环境工程学院,陕西 延安 716000;2.中石油克拉玛依石化有限责任公司,新疆 克拉玛依 834003)摘要:高压天然气管道内水合物的沉降堆积会引发严重的安全问题,而理解水合物浆液流动特性是解决问题的关键。文中运用计算流体力学的方法,利用FLUENT软件对高压直管内水合物浆液的流动特性进行数值模拟,探究入口压强、水合物颗粒体积分数、水合物颗粒粒径和水合物颗粒密度对水合物浆液流动特性的影响。结果表明,在高压天然气管道内,水合物颗粒会沿着管道壁面
2、在近壁面区域发生沉降堆积,且其沉积程度会随着入口压力,颗粒体积分数,水合物颗粒粒径的增大而增加,而水合物颗粒密度对其沉积特性整体影响较大。关键词:水合物;天然气管道;数值模拟;FLUENT中图分类号:TE832文献标识码:A文章编号:1671-4962(2023)05-0025-05Numerical Simulation on the Hydrate Slurry Flow Characteristics inHigh-pressure Natural Gas PipelinesMa Wenli1,Zeng Chengyu1,Aihaiti Subinuer2,Liu Hongzhi1,Ch
3、en Zhuo1,Wang Yanzhi1(1.School of Petroleum Engineering and Environmental Engineering,Yan an University,Yan an,716000;2.PetroChina KaramayPetrochemical Co.Ltd.,Karamay 834003)Abstract:The settlement and accumulation of hydrates in high-pressure natural gas pipelines can cause serious safety issues,a
4、ndunderstanding the flow characteristics of hydrate slurry is the key to solving the problems.In this paper,the method of computationalfluid dynamics is used to simulate the flow characteristics of hydrate slurry in high-pressure straight pipes by using FLUENTsoftware,and the influence of inlet pres
5、sure,inlet volume fraction of hydrate particles,hydrate particle size and hydrate particledensity on the flow characteristics of hydrate slurry is explored.The results indicate that hydrate particles will settle and accumulatealong the pipeline wall in the near-wall region in high-pressure natural g
6、as pipelines,and their accumulation will increase with theincrease of inlet pressure,particle volume fraction,and hydrate particle size.The density of hydrate particles has a significantimpact on their deposition characteristics.KeyWords:Hydrate slurry;Natural gas pipeline;Numerical simulation;FLUEN
7、T水合物是天然气与水在高压低温条件下形成的类冰状结晶物质1。长距离海底油气输送管线中极易形成水合物2,水合物的严重沉积会造成安全隐患3,故开展水合物浆液在高压管道内流动特性的研究具有重要的意义。随着CFD的发展,数值模拟成为替代实验进行研究的有效工具4。Jassim等5模拟天然气输送中的气固两相流动,发现离散相速度分布受到水合物颗粒粒径的影响。Balakin等6,7用欧拉法研究了CCL3F水合物颗粒的沉积特性。王武昌等8,9对HCFC-141b水合物进行研究,提出用凝聚概率来衡量管道流动安全程度。韦雪蕾等10基于双欧拉模型研究了流速等因素对非均匀颗粒水合物的影响。综上所述,目前考虑水合物浆液在
8、高压管道流动过程中的管道入口压力变化及水合物颗粒粒径变化的数值研究较少11。因此,文中基于CFD算法,对高压天然气管道内水合物浆液的流动进行数值模拟,研究其在高压直管内的流动特性。1 数值模型高压天然气管道内水合物浆液流动遵循多相流体动力学基本方程,文中采用欧拉双流体数学模型来描述水合物浆液两相流动特性12,液相和颗粒相的连续性方程分别为:基金项目:陕西省教育厅自然科学研究计划(2022JK0620);陕西省科技厅自然科学基础研究计划(2023-JC-QN-0386);延安大学大学生创新创业训练计划项目(D2021133)炼 油 与 化 工REFINING AND CHEMICAL INDUS
9、TRY25炼 油 与 化 工REFINING AND CHEMICAL INDUSTRY第34卷t()ll+()ll vl=0(1)t()ss+()ss vs=0(2)s+l=1(3)式中体积分数;密度,kg/m3;拉普拉斯算子;v 速度矢量,m/s;下标l和s分别表示液相和颗粒相。液相和颗粒相的动量方程见式(4)(7)。()llult+()llulul=-lp+l+llg+Msl(4)l=ll()ul+ulT+l()l-23l()ulI(5)()ssust+()ssusus=-sp-sps+s+ssg+Mls(6)s=ss()us+usT+s()s-23s()usI(7)式中g重力加速度,m
10、/s2;M曳力、升力和虚拟质量力,N;p压力,Pa;体积黏度,Pa s;剪切黏度,Pas;剪切应力,N;下标l和s分别代表液相和颗粒相。2 模拟参数文中天然气管道长L=0.5 m,直径D=0.025 m。对于计算域网格划分部分,文中采用结构化网格,并在管道壁面处进行网格边界层加密,见图1。最终网格划分数目为345 744,最小网格质量均大于0.8,经网格独立性检验,可满足计算要求。图1 网格模型假设水合物浆液是水和水合物颗粒的混合物。在FLUENT中采用欧拉多相流模型对其运动特性进行描述,且因水平管道不会产生大涡流与旋流13,故使用Standardk-湍流模型描述流体的流动。此处设置水相密度为
11、1 000 kg/m3,黏度为0.000 1 Pas。边界条件采用压力入口和压力出口,计算精度设置为 0.001,采用 SIMPLE 求解算法,1阶迎风格式进行模拟。具体参数见表1。表1不同工况数值模拟参数项 目单相两相影响因素管道入口压力/MPa管道入口压力/MPa水合物颗粒入口体积分数/%水合物颗粒粒径/m水合物颗粒密度/(kg m-3)设置值6.07.07.06.07.08.03050701003005008001 2001 6003 模拟结果分析3.1 管道入口压力的影响当水合物颗粒入口体积分数为 30%、水合物粒径为300 m、水合物颗粒密度为1 200 kg/m3时,对管道入口压力
12、为6.0 MPa、7.0 MPa和8.0 MPa的情况进行数值模拟。以入口压力为6.0 MPa为例给出管道截面水合物体积分数分布云图,见图2。由图2可以看出,在高压环境下,水合物颗粒在管道壁面处的体积分数最大,表明水合物颗粒沿着管道壁面发生沉降堆积。入口压力为6.0 MPa沿管道横截面中心线上水合物颗粒的体积分数分布和水合物浆液的速度分布见图3。262023年 第5期图2 6.0 MPa下管道截面水合物颗粒体积分数分布由图3(a)可知,从管道中心处出发,沿着管道截面中心线向管道壁面靠近,水合物颗粒浓度先增大后减小并在管道壁面处达到最小值。由于受到重力的作用,管道下部的平均水合物颗粒浓度要高于管
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