基于CFD的深海管汇传热数值模拟研究 .pdf

《基于CFD的深海管汇传热数值模拟研究 .pdf》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、350化工机械2016年∗基于CFD的深海管汇传热数值模拟研究祁明华∗∗1李扬1李自力1王菲菲2琚选择3石磊3丁小勇4(1.中国石油大学(华东)储运与建筑工程学院;2.中国石油大学胜利学院;3.海洋石油工程股份有限公司;4.中国石油北京油气调控中心)摘要以深海水下管汇为对象,建立管汇在海水中的传热模型,并通过CFD软件模拟了管汇的温度分布情况。结果表明:未施加保温层的管汇整体温度较低,不能满足正常的生产要求;施加保温层后,管汇温度明显升高,支管温度梯度逐渐平缓;随着保温层厚度的增加,管汇温度不断升高,而当保温层厚度超过50mm后,整个管汇温度升高幅度变小。关

2、键词深海管汇传热模型保温措施CFD数值模拟中图分类号TQ053．6文献标识码A文章编号0254-6094(2016)03-0350-07[3]海底石油储量极为丰富,在海洋矿产资源中对降低成本、提高能源利用效率至关重要。[1]居首位。由于陆地油气储量不断减少,开采难对于管汇传热的数值模拟,传热计算方法主度逐渐增加,因此油气资源开发从陆地转向海洋、要包括基于FEA的传热计算方法和基于CFD的[2][4]从浅海滩转向深海已成为必然趋势。传热计算方法。相比于FEA计算,采用CFD管汇是应用于深海石油开发的水下生产系统计算方法可以充分考虑管道内部流体的对流情[5,6]

3、中的重要组成部分,主要由一条汇管和几条支管况,使计算结果更加精确,但是计算量较大。构成,负责将各油井产出的原油汇集在一起并进SteinS和RandiM利用CFD软件对一个简单的行输送。然而在实际运行过程中,管汇不可避免水下管汇进行了传热模拟计算,并设计相关实验地会遭遇油田停电、管线维修等意外事故,这将导进行了对比,模拟计算结果与实验结果相差较小,致管线停输。停输后管汇中原油的流速变慢,温证明了CFD方法在管汇传热研究方面的可行性[7]度快速降低,容易发生结蜡甚至凝管的现象,造成和准确性。管汇堵塞。而对于深海管汇,由于静水压力很高,在此,笔者采用CFD数值模拟

4、软件,以500m一旦发生堵塞,解堵疏通将极其困难,因此做好保水深的海底管汇的一种危险工况为例,建立管汇温工作对于深海管汇的正常运行至关重要。对于在海水中的传热模型;对比研究了施加保温层与水下管汇,目前主要有干式保温和湿式保温两种否对管汇整体温度场的影响,并通过改变管汇保技术,相比于传统的干式保温,湿式保温具有保温温层厚度,研究管汇温度场和总散热量随保温层效果好、结构简单及运行安全等优点,所以在现场厚度的变化规律。得到了广泛应用。在湿式保温中,关键因素是确1物理模型定合适的保温层厚度。保温层过薄,可能造成热深海水下管汇的结构示意图如图1所示,管量流失,不能满足

5、安全生产的要求;保温层过厚则汇由一条汇管和4条支管组成,汇集4口井产出会导致保温费用过高。因此,通过对管汇进行准的原油,汇管直径12in(1in=25.4mm),支管直径确的传热数值模拟,设计合适的管汇保温层厚度,均为6in。∗国家工业和信息化部海洋工程装备项目(E-0813C003)。∗∗祁明华,男,1991年4月生,硕士研究生。山东省青岛市,266580。第43卷第3期化工机械351图1深海水下管汇的结构示意图当管汇的4条支管中只有一条支管正常运行λ———导热系数,W/(m·K);3(其他3条支管停输),且此状态达到稳定后,最ρ———流体密度,kg/m。

6、后一条支管也发生停输时,将产生管汇运行中一2.2边界条件种非常危险的工况。笔者以此工况为例,即在初在模拟中,管汇入口选择为速度入口,速度依始状态下令支管1~3处于停输状态中,只有支管据油井在该工况下的产量确定,管汇出口设置为4正常运行,达到稳定后,支管4突然停输,研究压力出口,压力为5.67MPa。管内流体采用k-ε管汇的温度分布和散热情况。标准湍流模型进行计算,同时考虑到管道流体和由于深海环境的特殊性,深海海底管道的保管道内壁之间的流体变化较为剧烈,采用标准的温材料必须具有导热系数小、耐高静水压的特点壁面函数来处理传热和流动边界层。和在长时间服役条件下保持

7、良好状态的性能。目保温层外表面和海水之间的换热属于对流换前通常选用的有聚丙烯、聚氨酯、环氧树脂、气凝热,该换热属于强制对流换热中的流体外掠圆管。胶及相变储能材料等[8],其中聚氨酯弹性体因具根据海洋环境并结合理论公式可以计算海水和保[14]温层之间的换热系数,其计算式为:有良好的性能,在深海海底管道中被广泛应[9~12]hwdn1用。Nu==CRePr3λww2数学模型式中C、n———常数;2.1控制方程d———保温层的当量直径,m;流体流动要受到物理守恒定律的支配,基本h———保温层外表面的平均对流换热系w的守恒定律包括质量守恒定律、动量守恒定律和2数,W

8、/(m·K);[13]能量守恒定律,表达式分别如下: