一种输送原油的90°弯管内压分布模型的建立方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及数学力学模型建立技术领域，尤其是涉及一种输送原油的90°弯管内 压分布模型的建立方法。
【背景技术】
[0002] 原油主要通过管道系统运输或输送，而弯管是管道输送系统不可缺少的重要部 件。输送管道工作时，弯管凸边管壁受原油流体冲击压力远大于弯管凹边，致使弯管凸、凹 边受力不均常导致弯管开裂、爆炸、火灾等恶性后果。特别是长距离输送、地势多变场合， 如鄯一兰原油管道设计压力8MPa、输量2000t/a，冬季最小设计输量900t/a;独山子一乌鲁 木齐原油管道长度231km，设计压力8~12MPa，管径D610mm，输量1000X104t/a;兰一郑长 成品油管道长3007km，压力8~14MPa，输量1000~1500万吨/年，管径508~660mm;长 岭一株洲成品油管道全长270km，输量600万吨/年，压力lOMPa，管径406. 4mm和355. 6mm; 延炼一西安成品油管道长200km，年输油能力500万吨，压力为6. 3MPa和12.OMPa;世界上 最先进、规模最大的美国科洛尼尔成品油管道，全长2400km，管径为762mm、813mm、914mm， 流速控制在2m/s~3. 76m/s，所用弯管情况更为复杂。由于原油对水质、土壤和大气可造成 严重污染，同时如遇明火、高热有燃烧、爆炸的危险，因此在运输过程中管道的安全性显得 尤为重要。
[0003] 因此，如何在原油流经输送管道薄弱环节弯管时，对弯管壁面形成的不均匀压强 及其复杂变化情况进行正确的计算及分析，以便于弯管的结构设计，且提高管道运行的安 全性是目前本领域技术人员亟需解决的技术问题。
【发明内容】
[0004] 有鉴于此，本发明的目的是提供一种输送原油的90°弯管内压分布模型的建立方 法，采用该弯管不均匀内压分布模型能够在原油流经弯管时，对弯管内壁面形成的不均匀 压强及其在弯管沿不同环向角β和轴向角α处复杂变化进行正确的计算及分析，以便于 弯管的结构设计，且提高管道运行的安全性。
[0005] 为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为：
[0006] 一种输送原油的90°弯管内压分布模型的建立方法，包括以下步骤：
[0007] 1)在不同的原油流动参数和弯管几何参数下，采用FLUENT软件对原油在弯管内 的流动过程进行数值模拟，得到弯管多种工况不均匀内压分布数据库，所述原油的流动参 数包括原油的密度P、弯管出口压力Pc及弯管入口流速v;弯管的几何参数包括弯管内径 d、弯管弯曲半径R、弯管弯曲度k=R/d及压力作用位置，其中所述压力作用位置包括弯管 轴向角度α和弯管环向角度β;
[0008] 2)根据所述弯管多种工况不均匀内压分布数据库，分析不同的原油流动参数和 不同的弯管几何参数下，弯管内壁面不均匀压强的分布变化规律，得到原油流经90°弯管 时：
[0009] 当其它参数变量不变的情况下，内压P随原油的密度P变化的规律，
[0010] 当其它参数变量不变的情况下，内压P随弯管出口压力P。变化的规律，
[0011] 当其它参数变量不变的情况下，内压P随弯管入口流速V变化的规律，
[0012] 当其它参数变量不变的情况下，内压P随弯管内径d变化的规律，
[0013]当其它参数变量不变的情况下，内压P随弯管弯曲半径R变化的规律，
[0014]当其它参数变量不变的情况下，内压P随弯管弯曲度k变化的规律，
[0015]当其它参数变量不变的情况下，内压P随弯管轴向角度α变化的规律，
[0016] 当其它参数变量不变的情况下，内压Ρ随弯管环向角度β变化的规律；
[0017] 3)根据步骤2)中的各项变化规律，确定影响弯管不均匀内压Ρ分布的主要参数为 出口压强Ρ。、入口流速ν、流体密度Ρ、弯曲度k=R/d、压力作用位置，其中所述压力作用 位置包括弯管轴向角度α和弯管环向角度β，然后结合量纲和谐原理得式（1):
[0019] 4)根据步骤1)中得到的弯管多种工况不均匀内压分布数据库，分析得到：当其它 参数变量不变的情况下，弯管压强差ΑΡ随弯管环向角度β变化的规律，进而得到压强差 ΔΡ与弯管环向角度β呈类余弦函数关系，即式（2) :?·3(β) =cosi3 ;
[0020] 根据步骤1)中得到的弯管多种工况不均匀内压分布数据库，分析得到：当其它参 数变量不变的情况下，弯管压强差ΑΡ随弯管轴向角度α变化的规律，进而得到压强差ΔΡ 与弯管轴向角度α呈类正弦函数关系，g卩式（3) :f2(a) =asin(ca)+b;
[0021] 根据步骤1)中得到的弯管多种工况不均匀内压分布数据库，分析得到：当其它参 数变量不变的情况下，弯管压强差AP随弯管弯曲度k变化的规律，进而得到压强差ΔΡ与 弯管弯曲度k呈反比例函数关系，即式（4)AGO= 1/k;
[0022]5)将式（2)、式⑶以及式⑷带入式（1)，得式（5):
[0023] P=P〇+[asin(cα) +b]cos(β)Pv2/k；
[0024] 上式中：a，b，c为待定系数；
[0025] 6)结合步骤1)中得到的弯管多种工况不均匀内压分布数据库，采用IstOpt拟合 软件对式（5)进行拟合，确定待定系数，得到弯管不均匀内压分布模型为：
[0026] Ρ=P〇-〇. 18[sin(1. 82α) +1]cos(β)Pv2/k,
[0027] 上式中：
[0028]k=R/d为弯管弯曲度，
[0029]α为弯管轴向角，
[0030]β为弯管环向角，
[0031]Ρ为原油流体密度，
[0032]ν为弯管入口流速，
[0033]Ρ。为弯管出口压强。
[0034] 优选的，所述步骤1)中，数值模拟采用标准k_ε湍流模型。
[0035] 优选的，所述步骤1)中，网格划分采用结构化网格。
[0036] 优选的，根据弯管的对称性，数值模拟时采用弯管为1/2弯管，运用gambit建模并 划分网格；弯管弯曲角度A= 90°、弯曲半径R= 255mm、弯管内径d= 255mm，弯曲度k= R/d= 1. 0,沿弯管轴向α和环向β每间隔5°划分网格。
[0037]优选的，步骤 1)中，弯管出 口压力Ρ。分别为 2MPa、4MPa、6MPa、8MPa、lOMPa、12MPa， 弯管入口流速v分别为0. 5m/s、l.Om/s、l. 5m/s、2. 0m/s、2. 5m/s，弯管弯曲度k分别为1. 0、 1· 5、2· 0、2· 5、3· 0〇
[0038]优选的，当Ρ〇= 10Mpa，v= 2m/s，k= 1· 0,原油密度ρ= 857Kg/m3时，雷诺数Re =32557,湍流系数I= 0· 16(Re) °·125= 4· 3%。
[0039] 本发明的有益技术效果：
[0040] 通过本发明提供的输送原油的90°弯管内压分布模型的建立方法，建立了一个弯 管不均匀内压分布模型，在原油流经弯管时，对弯管壁面形成的不均匀压强及复杂变化情 况进行正确的计算和分析。流体流经弯管时，对弯管壁面形成的压力及其变化是复杂的，正 确计算和分析压力值及其分布变化对弯管设计和管道安全具有重要理论意义和工程价值。 本发明提供的压强计算分析模型由初等函数复合而成，简明、直观、待定系数少，且具有较 高计算精度。原油流体在管道运输过程中，可优先考虑适当降低入口流速，扩大弯管弯曲度 的方式，降低管内压强、保证运输安全，为管道运输过程中管道安全性能评估及弯管壁厚设 计提供了理论依据和技术方法，从而方便了弯管的结构设计，且提高了管道运行的安全性。
【附图说明】
[0041] 图1为标定弯管内压位置的三维坐标系；
[0042]图2为弯管模型的建立与网格划分；
[0043] 图3为当PQ= 10Mpa，v= 2m/s，轴向角α=45°时，不同弯管弯曲度k下，压强 差AP随β变化规律；
[0044] 图4为当PQ= 10Mpa，v= 2m/s时，不同弯管弯曲度k下，弯管凹边压强差ΔΡ随 α变化规律；
[0045] 图5为当PQ= 10Mpa，v= 2m/s时，不同弯管弯曲度k下，弯管凸边压强差ΔΡ随 α变化规律；
[0046] 图6为当PQ=lOMpa，ν= 2m/s，轴向角α= 45°时，不同环向角β下，压强差 ΔΡ随弯管弯曲度k变化规律；
[0047] 图7为原油在PQ=lOMpa，v= 2m/s，k= 1时，内压分布模型计算值与FLUENT模 拟离散值在不同轴向α截面沿弯管环向角β分布的数据对比；其中，（a)α= 0°截面，P 随β变化规律；(b)α= 30°截面，Ρ随β变化规律；（c)α= 45°截面，Ρ随β变化规 律；⑷α= 60°截面，Ρ随β变化规律；（e)α= 75°截面，Ρ随β变化规律；（f)α= 90°截面，Ρ随β变化规律。
【具体实施方式】
[0048] 为进一步理解本发明，下面结合实例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当 理解，这些描述只是进一步说明本发明的特征及