一種輸送原油的90°彎管內壓分布模型的建立方法技術

本發明專利技術公開了一種輸送原油的90°彎管內壓分布模型的建立方法，通過本發明專利技術提供的輸送原油的90°彎管內壓分布模型的建立方法，建立了一個彎管不均勻內壓分布模型，在原油流經彎管時，可對彎管壁面形成的不均勻壓強及其復雜變化情況進行正確的計算及分析。本發明專利技術提供的不均勻壓強計算分析模型由初等函數復合而成，簡明、直觀、待定系數少，且具有較高計算精度，其計算值與FLUENT離散模擬值相比，最大相對誤差εmax≤0.004％；為管道運輸過程中管道安全性能評估及彎管的壁厚設計提供了理論依據，從而方便了彎管的結構設計，且提高了原油管道運行的安全性。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及數學力學模型建立
，尤其是涉及一種輸送原油的90°彎管內 壓分布模型的建立方法。
技術介紹
原油主要通過管道系統運輸或輸送，而彎管是管道輸送系統不可缺少的重要部 件。輸送管道工作時，彎管凸邊管壁受原油流體沖擊壓力遠大于彎管凹邊，致使彎管凸、凹 邊受力不均常導致彎管開裂、爆炸、火災等惡性后果。特別是長距離輸送、地勢多變場合， 如鄯一蘭原油管道設計壓力8MPa、輸量2000t/a，冬季最小設計輸量900t/a;獨山子一烏魯 木齊原油管道長度231km，設計壓力8~12MPa，管徑D610mm，輸量1000X104t/a;蘭一鄭長 成品油管道長3007km，壓力8~14MPa，輸量1000~1500萬噸/年，管徑508~660mm;長 嶺一株洲成品油管道全長270km，輸量600萬噸/年，壓力lOMPa，管徑406. 4mm和355. 6mm; 延煉一西安成品油管道長200km，年輸油能力500萬噸，壓力為6. 3MPa和12.OMPa;世界上 最先進、規模最大的美國科洛尼爾成品油管道，全長2400km，管徑為762mm、813mm、914mm， 流速控制在2m/s~3. 76m/s，所用彎管情況更為復雜。由于原油對水質、土壤和大氣可造成 嚴重污染，同時如遇明火、高熱有燃燒、爆炸的危險，因此在運輸過程中管道的安全性顯得 尤為重要。 因此，如何在原油流經輸送管道薄弱環節彎管時，對彎管壁面形成的不均勻壓強 及其復雜變化情況進行正確的計算及分析，以便于彎管的結構設計，且提高管道運行的安 全性是目前本領域技術人員亟需解決的技術問題。【專利
技術實現思路
】 有鑒于此，本專利技術的目的是提供一種輸送原油的90°彎管內壓分布模型的建立方 法，采用該彎管不均勻內壓分布模型能夠在原油流經彎管時，對彎管內壁面形成的不均勻 壓強及其在彎管沿不同環向角β和軸向角α處復雜變化進行正確的計算及分析，以便于 彎管的結構設計，且提高管道運行的安全性。 為解決上述技術問題，本專利技術提供的技術方案為： ，包括以下步驟： 1)在不同的原油流動參數和彎管幾何參數下，采用FLUENT軟件對原油在彎管內 的流動過程進行數值模擬，得到彎管多種工況不均勻內壓分布數據庫，所述原油的流動參 數包括原油的密度P、彎管出口壓力Pc及彎管入口流速v;彎管的幾何參數包括彎管內徑 d、彎管彎曲半徑R、彎管彎曲度k=R/d及壓力作用位置，其中所述壓力作用位置包括彎管 軸向角度α和彎管環向角度β; 2)根據所述彎管多種工況不均勻內壓分布數據庫，分析不同的原油流動參數和 不同的彎管幾何參數下，彎管內壁面不均勻壓強的分布變化規律，得到原油流經90°彎管 時： 當其它參數變量不變的情況下，內壓P隨原油的密度P變化的規律， 當其它參數變量不變的情況下，內壓P隨彎管出口壓力P。變化的規律， 當其它參數變量不變的情況下，內壓P隨彎管入口流速V變化的規律， 當其它參數變量不變的情況下，內壓P隨彎管內徑d變化的規律，當其它參數變量不變的情況下，內壓P隨彎管彎曲半徑R變化的規律，當其它參數變量不變的情況下，內壓P隨彎管彎曲度k變化的規律，當其它參數變量不變的情況下，內壓P隨彎管軸向角度α變化的規律， 當其它參數變量不變的情況下，內壓Ρ隨彎管環向角度β變化的規律； 3)根據步驟2)中的各項變化規律，確定影響彎管不均勻內壓Ρ分布的主要參數為 出口壓強Ρ。、入口流速ν、流體密度Ρ、彎曲度k=R/d、壓力作用位置，其中所述壓力作用 位置包括彎管軸向角度α和彎管環向角度β，然后結合量綱和諧原理得式（1): 4)根據步驟1)中得到的彎管多種工況不均勻內壓分布數據庫，分析得到：當其它 參數變量不變的情況下，彎管壓強差ΑΡ隨彎管環向角度β變化的規律，進而得到壓強差 ΔΡ與彎管環向角度β呈類余弦函數關系，即式（2) :?·3(β) =cosi3 ; 根據步驟1)中得到的彎管多種工況不均勻內壓分布數據庫，分析得到：當其它參 數變量不變的情況下，彎管壓強差ΑΡ隨彎管軸向角度α變化的規律，進而得到壓強差ΔΡ 與彎管軸向角度α呈類正弦函數關系，g卩式（3) :f2(a) =asin(ca)+b; 根據步驟1)中得到的彎管多種工況不均勻內壓分布數據庫，分析得到：當其它參 數變量不變的情況下，彎管壓強差AP隨彎管彎曲度k變化的規律，進而得到壓強差ΔΡ與 彎管彎曲度k呈反比例函數關系，即式（4)AGO= 1/k;5)將式（2)、式⑶以及式⑷帶入式（1)，得式（5): P=P〇+cos(β)Pv2/k； 上式中：a，b，c為待定系數； 6)結合步驟1)中得到的彎管多種工況不均勻內壓分布數據庫，采用IstOpt擬合 軟件對式（5)進行擬合，確定待定系數，得到彎管不均勻內壓分布模型為： Ρ=P〇-〇. 18cos(β)Pv2/k, 上式中：k=R/d為彎管彎曲度，α為彎管軸向角，β為彎管環向角，Ρ為原油流體密度，ν為彎管入口流速，Ρ。為彎管出口壓強。 優選的，所述步驟1)中，數值模擬采用標準k_ε湍流模型。 優選的，所述步驟1)中，網格劃分采用結構化網格。 優選的，根據彎管的對稱性，數值模擬時采用彎管為1/2彎管，運用gambit建模并 劃分網格；彎管彎曲角度A= 90°、彎曲半徑R= 255mm、彎管內徑d= 255mm，彎曲度k= R/d= 1. 0,沿彎管軸向α和環向β每間隔5°劃分網格。優選的，步驟 1)中，彎管出 口壓力Ρ。分別為 2MPa、4MPa、6MPa、8MPa、lOMPa、12MPa， 彎管入口流速v分別為0. 5m/s、l.Om/s、l. 5m/s、2. 0m/s、2. 5m/s，彎管彎曲度k分別為1. 0、 1· 5、2· 0、2· 5、3· 0〇優選的，當Ρ〇= 10Mpa，v= 2m/s，k= 1· 0,原油密度ρ= 857Kg/m3時，雷諾數Re =32557,湍流系數I= 0· 16(Re) °·125= 4· 3%。 本專利技術的有益技術效果： 通過本專利技術提供的輸送原油的90°彎管內壓分布模型的建立方法，建立了一個彎 管不均勻內壓分布模型，在原油流經彎管時，對彎管壁面形成的不均勻壓強及復雜變化情 況進行正確的計算和分析。流體流經彎管時，對彎管壁面形成的壓力及其變化是復雜的，正 確計算和分析壓力值及其分布變化對彎管設計和管道安全具有重要理論意義和工程價值。 本專利技術提供的壓強計算分析模型由初等函數復合而成，簡明、直觀、待定系數少，且具有較 高計算精度。原油流體在管道運輸過程中，可優先考慮適當降低入口流速，擴大彎管彎曲度 的方式，降低管內壓強、保證運輸安全，為管道運輸過程中管道安全性能評估及彎管壁厚設 計提供了理論依據和技術方法，從而方便了彎管的結構設計，且提高了管道運行的安全性。【附圖說明】 圖1為標定彎管內壓位置的三維坐標系；圖2為彎管模型的建立與網格劃分； 圖3為當PQ= 10Mpa，v= 2m/s，軸向角α=45°時，不同彎管彎曲度k下，壓強 差AP隨β變化規律； 圖4為當PQ= 10Mpa，v= 2m/s時，不同彎管彎曲度k下，彎管凹邊壓強差ΔΡ隨 α變化規律； 圖5為當PQ= 10Mpa，v= 2m/s時，不同彎管彎曲度k下，彎管凸邊壓強差ΔΡ隨 α變化規律；本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種輸送原油的90°彎管內壓分布模型的建立方法，其特征在于，包括以下步驟：1)在不同的原油流動參數和彎管幾何參數下，采用FLUENT軟件對原油在彎管內的流動過程進行數值模擬，得到彎管多種工況不均勻內壓分布數據庫，所述原油的流動參數包括原油的密度ρ、彎管出口壓力P0及彎管入口流速v；彎管的幾何參數包括彎管內徑d、彎管彎曲半徑R、彎管彎曲度k＝R/d及壓力作用位置，其中所述壓力作用位置包括彎管軸向角度α和彎管環向角度β；2)根據所述彎管多種工況不均勻內壓分布數據庫，分析不同的原油流動參數和不同的彎管幾何參數下，彎管內壁面不均勻壓強的分布變化規律，得到原油流經90°彎管時：當其它參數變量不變的情況下，內壓P隨原油的密度ρ變化的規律，當其它參數變量不變的情況下，內壓P隨彎管出口壓力P0變化的規律，當其它參數變量不變的情況下，內壓P隨彎管入口流速v變化的規律，當其它參數變量不變的情況下，內壓P隨彎管內徑d變化的規律，當其它參數變量不變的情況下，內壓P隨彎管彎曲半徑R變化的規律，當其它參數變量不變的情況下，內壓P隨彎管彎曲度k變化的規律，當其它參數變量不變的情況下，內壓P隨彎管軸向角度α變化的規律，當其它參數變量不變的情況下，內壓P隨彎管環向角度β變化的規律；3)根據步驟2)中的各種參數變化引起彎管內壓P的變化規律，確定影響原油流經90°彎管產生不均勻內壓P分布的主要參數為出口壓強P0、入口流速v、原油流體密度ρ、彎管彎曲度k＝R/d、壓力作用位置，其中所述壓力作用位置包括彎管軸向角度α和彎管環向角度β，然后結合量綱和諧原理得式(1)：P-P0=12·ρv2·f1(k)·f2(α)·f3(β);]]>4)根據步驟1)中得到的彎管多種工況不均勻內壓分布數據庫，分析得到：當其它參數變量不變的情況下，彎管壓強差ΔP隨彎管環向角度β變化的規律，進而得到壓強差ΔP與環向角度β呈類余弦函數關系，即式(2)：f3(β)＝cosβ；根據步驟1)中得到的彎管多種工況不均勻內壓分布數據庫，分析得到：當其它參數變量不變的情況下，彎管壓強差ΔP隨彎管軸向角度α變化的規律，進而得到壓強差ΔP與軸向角度α呈類正弦函數關系，即式(3)：f2(α)＝asin(cα)+b；根據步驟1)中得到的彎管多種工況不均勻內壓分布數據庫，分析得到：當其它參數變量不變的情況下，彎管壓強差ΔP隨彎管彎曲度k＝R/d變化的規律，進而得到壓強差ΔP與彎管彎曲度k呈反比例函數關系，即式(4)：f1(k)＝1/k；5)將式(2)、式(3)以及式(4)帶入式(1)，得式(5)：P＝P0+[asin(cα)+b]cos(β)ρv2/k；上式中：a，b，c為待定系數；6)結合步驟1)中得到的彎管多種工況不均勻內壓分布數據庫，采用1stOpt擬合軟件對式(5)進行擬合，確定待定系數，得到彎管不均勻內壓分布模型為：P＝P0?0.18[sin(1.82α)+1]cos(β)ρv2/k，上式中：K＝R/d為彎管彎曲度，α為彎管軸向角，β為彎管環向角，ρ為原油流體密度，v為彎管入口流速，P0為彎管出口壓強。...

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：鹿曉陽，劉金明，路立平，鹿曉力，王路路，李彬，李奎，鄭偉，黃麗麗，陳世英，趙曉偉，趙忠佳，蘇亞，李龍，劉秀芝，李濤，付浩鑫，蔣雄，
申請(專利權)人：鹿曉陽，
類型：發明
國別省市：山東;37