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顺序输送航煤管道水力清管过程模拟研究

李岩松  
【摘要】:顺序输送航煤的成品油管道内部积水和固体颗粒杂质不仅会影响航煤质量,还会增大管道的运行风险。利用水力清管的方式将管内积水和固体颗粒杂质沉积物清除出管道,可有效减缓航煤质量指标的衰减,减少管道的运行成本。水力清管的本质是复杂的多相流动过程,其所涉及的上倾管内油携水两相流动特性和油携颗粒杂质的运动机制尚不十分明晰,尤其是目前颗粒流研究大多局限于各向同性的湍流流场,与工业管道内各向异性的高雷诺数湍动场存在差异。鉴于此,本文针对成品油管道水力清管过程中油携水流动和油携固体颗粒杂质流动过程分别开展了数值研究,探究了管内积水及颗粒杂质的运动特性。在上倾管道油携水流动特性研究方面,本文分析了临界完全携水油速下上倾管内油携水的流动型态,发现上倾管内油携水流动属于油水两相波状分层流。基于此,建立了上倾管内油携水分层波状流的数值模型,通过对比文献中油水两相波状分层流压力梯度的实验值与本文模型的计算值,验证了本文模型在求解油水分层波状流动的可靠性。在此基础上,进一步分析了水力清管过程中上倾管道内油携水波状分层流动特性,并给出了上倾管道内临界完全携水油速的数值判据。在油携固体颗粒杂质流动特性的研究方面,本文首先建立了欧拉-拉格朗日体系下管内油携带固体颗粒杂质流动的三维数值模型,并利用CFD-DEM耦合模拟算法对模型进行求解,研究结果发现,在特定工况下管内油流仅能携带某一直径范围内的固体颗粒杂质,超出该直径范围的颗粒杂质将无法被油流携带出管道;其次,考虑到数值模型的计算效率较低,本文借鉴“砂丘堆积-崩溃”机制,采用颗粒在流场中的平均力模型,建立了可携带颗粒的临界携带油速机理模型,并通过文献中颗粒临界携带油速的实验值,验证了机理模型的可靠性。此外,分析了管径、管道倾角、流体物性、颗粒特性等因素对临界携带油速的影响,发现颗粒临界携带油速对流体密度最为敏感;最后,针对不可携带颗粒,本文提出了一种基于多物理场协同作用的高效水力清管技术,并通过不可携带颗粒在高效水力清管过程中位移随时间的演变曲线,验证了多物理场水力清管技术的有效性。


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