成品油管道批次输送过程中的复杂传热传质机理研究

Tracking and forecasting the location of batches and the contaminated products between adjacent batches is the basis for safe and economic operation of the pipelines. However, the mechanism of batch tracking is still not clarified because it involves forecast of contaminated volume, coupled flow and heat transfer, and the effects of combinations of various boundary and operating conditions. For meeting the needs of high-precision planning and running of products pipelines, this study aims to reveal the mechanism of heat and mass transfer in products pipeline during batch transport process, and the mechanism of the key factors act. Based on the relationship among the density and concentration of batches with the temperature, pressure, boundary conditions, and operating conditions, the batch transport process is divided into three levels: mixed oil in simple pipes, batch transport in simple pipes under the influence of temperature and pressure, and batch transport under complex boundary and operating conditions. The mathematical model for each level will be established: anomalous diffusion model for producing mixed oil, double coupled model for batch transport, and specific model for complex boundary and operating condition. The whole non-steady state flow, heat and mass transfer process of batch transport pipeline can be revealed by combining these models. Through experimental and numerical studies, the mechanism of density and concentration of the batches in pipeline changes within temporal-spatial variation will be discovered. This study will enrich the heat and mass transfer theory of batch transport in products pipelines, improve batch pipelining technology and bring enormous economic and social benefits.

批次位置及相邻批次间混油的跟踪和预测是成品油管道安全经济运行的基础。然而因其涉及混油反常扩散、流动与传热耦合及多种边界条件与运行工况组合影响等问题而尚未得到有效揭示。本研究针对成品油管道高精度计划运行的需要，旨在揭示管道中批次运移过程的传热传质机理，明确各关键影响因素的作用机制，拟从批次油品密度和体积浓度与温度、压力、边界条件及运行工况等的关系出发，将研究分为简单管中的混油、简单管中温度和压力影响下的批次运移以及复杂条件下的批次运移三个层次，分别建立混油形成反常扩散模型、批次运移双耦合模型以及各种复杂条件的模型，得到全面反映顺序输送管道内非稳态流动、传热和传质过程的数理模型。通过实验和数模揭示管内批次油品密度和浓度随时空的变化规律。研究成果将丰富管输成品油批次运移中的传热传质理论，提升顺序输送水平，产生良好的经济和社会效益。

成品油管道运行过程中的混油跟踪对其经济性和安全性影响很大。合理预测混油浓度分布是站场浓度切割的重要环节，而现有经典模型无法解释生产现场出现的混油拖尾现象。然而，成品油管道正常输送过程所涉及的复杂物理过程和边界条件，导致管道正常输送时的混油量难以计算。.首先本研究介绍了单管顺序输送不同黏度液体的实验研究，利用搭建的实验环道平台，发现了混油拖尾现象，并对其进行了定量分析。提出了无量纲混油长度、轴向拖尾长度和径向浓度差异等指标来揭示浓度分布的拖尾特征。其次，基于Fick扩散定律，同时考虑到粗糙管壁对油品的吸附效应，提出了计算物质扩散系数和混油浓度分布的新模型。分析了前后油品物理性质差异、湍流效应以及吸附效应对混油浓度分布和拖尾现象的影响。然后，考虑管内外的导热换热耦合以及管道内的油品流动-传热-混合的耦合过程，数值模拟了单相不可压缩多组分流体的传热传质过程。分析了混油段内无量纲特征数的变化规律，得到了混油段内油品的流场和浓度分布。进一步对影响混油量及混油拖尾长度的关键因素进行了敏感性分析。.研究结果显示，本研究提出的混油浓度分布新模型能够描述混油拖尾现象，同时能够更加清晰地反映油品掺混的本质。实验中观察到，无论是在管道中心还是在管壁附近，浓度分布都显示出存在拖尾现象。混合段尾部长度比头部长7%～22%。无量纲混油长度远大于无量纲混油拖尾长度。随着Re的增加，无量纲拖尾长度和混油长度都在减小。上述规律在现有数值理论和经验公式中均未被揭示。数值模拟研究发现，成品油顺序输送属于高Pr数、高Pe数流动，Ri数始终小于1。温度和重力对混油形成的影响很小。对流对拖尾现象有正面影响，而扩散系数对拖尾现象有负面影响。在轴向上，对流效应贡献最大；而在径向上，扩散效应占主导地位。管道中心的扩散系数比管壁大。前后行油品物理性质的差异是形成混合段界面的重要因素，也是影响轴向扩散系数的主要因素；湍流效应是影响径向扩散系数的主要因素；吸附效果不直接影响扩散系数，但直接影响浓度的径向分布。上述3种效应共同作用于混合段的扩散系数，进而影响浓度分布及其拖尾现象。管径、流速、温度、扩散系数对混油量及混油拖尾长度二者的影响在趋势上相同，前者为正相关，后三者为负相关。最后研究成果为现场混油预测及切割等工艺提供理论指导和技术支持。