一种基于CFD的变径管成品油顺序输送混油长度的计算方法

本发明属于成品油运输的混油计量领域，具体而言，涉及一种基于cfd的变径管成品油顺序输送混油长度的计算方法。

背景技术：

1、成品油管道顺序输送是在长距离的管道上分批次的输送多种油品，具有有效增加管道输量、减少管道建设投资，降低运输成本，经济效益明显的经济、技术优势，已逐渐成为成品油陆运的重要方式。但在顺序输送过程中，相邻油品由于物性差异，相互接触时由于分子扩散和湍流扩散作用，不可避免地会产生混油，降低经济效益。而且受高差起伏变化、管道能量需求和供求平衡等因素的影响，在特殊管段上需要采用渐缩管和渐扩管等变径管。由于变径管的混油影响因素繁多，实际的混油界面流动结构复杂，目前完整准确的模拟变径管混油过程的研究甚少。因此为了准确地预测管道终端的混油量，制定减少混油量的措施，有必要开展对变径管混油计算方法方面的研究。

2、现存的各混油计算公式都具有局限性，尚未有公认的与实际完全相符的混油计算公式。目前采用的变径管混油长度计算公式大多来自经验公式或者理论公式的推导，对一些条件进行了假设，具有一定的局限性，计算比较复杂，结果也存在较大差异。因此本文针对变径管混油的影响因素，利用fluent软件分析在变径管不同工况下各影响因素的扩散规律，在理论公式的基础上增加修正系数，并基于不同算例数据通过origin软件的自定义函数功能进行拟合，提出了一种变径管混油长度的计算方法，并验证了该公式的合理性。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种成品油顺序输送变径管混油长度的计算方法，该方法由fluent模拟分析出变径管混油扩散规律的主要影响因素，针对现有的理论计算公式的不足，提出了修正系数k，并基于不同工况下的数据利用origin的自定义函数功能进行曲线拟合，得出修正系数k的表达式，进而提出了本文的变径管混油长度计算公式。

2、本发明的技术方案如下：

3、一种基于cfd的成品油顺序输送变径管混油长度的计算方法，具体包括以下步骤，

4、步骤1：综合分析了在成品油长输管道顺序输送过程中，其混油长度的大小主要是受扩散规律的影响，判断出变径管混油扩散规律的主要影响因素。

5、变径管顺序输送过程混油的影响因素主要有以下几个方面：

6、(1)管道流速；(2)管径比；(3)变锥角；(4)油品之间的粘度比

7、步骤2：选定变径管段的管径由700mm、600mm、550mm、500mm、450mm、400mm、350mm等组合成渐缩管与渐扩管，管长为30m，变径锥角分别为5°、10°、15°、20°等多种管道尺寸，输送介质选用汽油(先行油品)和柴油(后行油品)。前行油品粘度分别选取0.0014pa·s、0.0024pa·s、0.0034pa·s、0.0044pa·s，后行油品粘度为0.00332pa·s。

8、步骤3：基于fluent建立的混油模型为三维管道混油模型，首先通过workbench界面里的designmodeler软件建立管道三维模型，利用designmodeler软件进行管道几何模型建立，并利用mesh软件选用multizone模型进行网格划分，设置好初始及边界条件，初始条件：先将后行油品的体积分数设为0，前行油品体积分数设为1，对模型进行稳态计算，使管道内部充满前行油品。边界条件：入口边界条件为velocity-inlet；出口边界条件为pressure-outlet。采用基于压力求解器中的piso算法，利用fluent软件进行数值模拟，获得模拟结果，并分析了不同因素对变径管混油长度的影响规律。通过模拟分析，总结出以下结论：

9、入口流速增大，变径管混油长度减少；变径锥角增大，变径管混油长度也增大，但变径锥角对于渐扩管的影响比渐缩管的影响更大；在渐缩管内，前后管径相差越大的，混油段越短；在渐扩管内，前后管径相差越大的，混油段越长；前行油品与后行油品的粘度比对渐扩管混油长度的影响更大，前后油品粘度比越小，混油长度越短。

10、步骤4：对水平等直径管道混油长度理论计算公式进行修正，提出修正系数k，提出对含有变径管的管道混油长度计算公式为：

11、

12、式中，c为管道的混油长度，m；l为管道长度，m；d为管道内径，m；repj为混油段两种油品的平均雷诺数；α为校正系数；k为本文提出的修正系数；z为综合变量，与切割浓度相有关。

13、根据多元回归理论，由流速、变锥角、管径比和油品粘度比等影响因素，构造出修正系数k的表达式：

14、

15、式中，δd为变径管与主管径之比；δl为变径段与主管段之比；v为流速，m/s；δμ为前后油品粘度之比；a1～a12为待定系数。

16、步骤5：由主管径、变径管管径、主管段、变径管管段、流速、前行油品黏度、后行油品黏度等组合成不同工况，利用fluent建立模型，可以计算出不同工况下的变径管混油长度和直管道的混油长度的具体值。通过变径管的混油长度与直管道的混油长度之比，可求得不同工况的修正系数k。

17、主管径选取0.5m，变径管选取0.3、0.4、0.6、0.7m，主管段选取30m，变径管段选取5、10、15、20m，流速选取1.6、1.4、1.8、2m/s，前行油品粘度0.0024pa·s，后行油品粘度0.0032pa·s，组合成10种工况；并通过模拟计算出各工况下的变径管道混油长度和修正系数。

18、基于10种不同工况下，已知修正系数k、δd、δl、v、δν的值，采用origin软件的自定义函数功能进行曲线拟合，确定a1～a12的系数。得到修正系数k的计算公式：

19、

20、该拟合式的相关系数的平方(r2)高达0.9972，表示拟合效果较好。

21、步骤6：基于顺序输送变径管混油的8种不同工况参数，将本文提出的变径管混油长度计算公式和当量管长法变径管混油长度计算公式，分别计算得到两者的混油长度，并与fluent模拟计算得到的混油长度结果进行对比。已验证本文提出的变径管混油长度计算公式的合理性。

技术特征：

1.一种基于cfd的变径管顺序输送混油长度的计算方法，其特征在于：该方法具体包括如下步骤，先综合分析了在长输管道顺序输送过程中，由于其混油长度的大小主要是受扩散规律的影响，判断出变径管混油扩散规律的主要影响因素为管道流速、管径比、变锥角和粘度比。

2.根据权利1所述，流速、管径比、变锥角和粘度对变径管的混油扩散规律影响较大。因此，利用cfd软件，建立变径管道三维模型，针对变径管不同流速、变锥角、管径比和粘度等情况进行了数值模拟研究，并分析各因素混油的扩散规律及影响混油长度的因素变化规律。针对扩散理论公式不足，在理论公式的基础上增加修正系数。提出了一种基于cfd的成品油顺序输送变径管混油长度的计算方法。

3.根据权利2所述，基于cfd的成品油顺序输送变径管混油长度的计算方法，具体包括以下步骤：

技术总结
本发明公开了一种基于CFD变径管成品油顺序输送混油长度的计算方法，属于成品油运输的混油计量领域。目前采用的变径管混油长度计算公式大多来自经验公式或者理论公式的推导，计算比较复杂，结果也存在较大差异。本发明利用FLUENT软件，针对变径管不同流速、变锥角、管径比和粘度等情况进行混油数值模拟研究。基于模拟结果结合理论分析研究，在理论公式的基础上增加修正系数，得到变径管混油长度计算公式，并验证了公式的合理性。本发明考虑多因素影响，更符合实际，提供一种基于CFD变径管成品油顺序输送混油长度的计算方法，拓展了变径管混油长度计算的方法，提高了计算结果准确度，更好地指导混油切割作业，节约成本、提高效益。

技术研发人员：朱嘉豪,谢英,曹甜,王艇鹏,左直建,王文杰,郑杨铭
受保护的技术使用者：西南石油大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13