مطالعه عددی بچ ترکیبی نفت خام در یک کانال طویل
چکیده
هدف اصلی این مقاله پیشبینی ترکیب شدن دو نفت امتزاج پذیر متفاوت در یک کانال بسیار طویل است. زمینه این مشکل به ترکیب نفت سنگین و سبک در خطوط لوله مربوط است. در گام اول، یک کانال دو بعدی با نسبت ابعادی 250 در نظر گرفته شد. بچ ترکیبی دو نفت خام امتزاج پذیر که دارای دانسیته و ویسکوزیته مختلفی هستند شبیه سازی شد. اینکار با استفاده از مدل چند لایه ناپایدار و نیز مدل RANS ناپایدار موجود در نرم افزار تجاری CFD ANSYS-Fluent انجام شد. به منظور مقایسه، مدل LES برای نسخه 3D از کانال 2D استفاده گردید. ویژگی متمایز این مقاله سیستم مختصات لاگرانژ است که از شرایط مرزی دیواره بدون لغزش استفاده می کند. مدل CFD جهانی نسبت به شرایط تحلیلی کلاسیک اعتبارسنجی شد. بر اساس اعتبار سنجی انجام شده، مطابقت عالی بدست آمد. شبیه سازی برای عدد رینولدز 6300 (که بر اساس خصوصیات نفت خام محاسبه شد) و عدد اشمیت 104 انجام شد. نتایج نشان داد، برخلاف مدل RANS ناپایدار، مدل LES و مدل چند لایه ناپایدار دینامیک ترکیب قابل مقایسه ای برای دو نفت مختلف در کانال تولید می کنند. همچنین آنالیز شبیه سازی نشان داد که برای کانالی با طول 100 متر و ارتفاع 0.4 متر، ترکیب شدن کامل دو نفت در طول کانال 100 متر اتفاق نمی افتد. در این مقاله نشان دادیم که ناحیه ترکیب شامل سه منطقه ترکیب شدن فرعی است، این مناطق فرعی با استفاده از متوسط نسبت جرمی نفت سنگین در راستای جریان شناسایی شدند. منطقه فرعی اول مربوط به منطقه انتشار جبهه اصلی طول کانال در چندین ارتفاع مختلف است. مناطق فرعی دوم و سوم، با توجه به ترکیب جریان برشی (جریان شیر) تعیین می شوند، زیرا گرداب های کلوین- هلموتز بین دو نفت در جهت محوری ایجاد شده اند. مشاهده شد که منطقه فرعی سوم در جهت محوری، شیب کسر جرمی نفت سنگین تند تری به نسبت منطقه فرعی دوم دارد، که این شیب مربوط به متوسط نسبت جرمی جریان 0.5 برای نفت سنگین می باشد.
1- مقدمه
ترکیب کردن جریان های دو مایع امتزاج پذیر به دلیل ارتباطی که با کاربرد های عملی پیدا می کند، توجه بسیاری را به خود جلب کرده است. برخی از این کاربرد های عبارتند از: ترکیب مایعات با استفاده از تزریق کننده های مرکزی (کائو و همکاران، 2003)، بهبود خاصیت های ضد رسوب گذاری و تمیز کردن دیواره های لوله (ریگنیر و همکاران، 2007)، انتقال بچ نفت خام که دارای خواص مختلفی است (بچینگ) (اکامبارا و جوشی 2003). در فرایند بچینگ، جایی که نفت خام با کیفیت ها و ویژگی های مختلفی با استفاده از یک لوله انتقال داده می شود، یک ناحیه ترکیبی در فصل مشترک بچ های نفت تشکیل می شود. با افزایش زمان، حجم این ناحیه ترکیبی بیشتر می شود.
Abstract
The main objective of this work is to predict the mixing of two different miscible oils in a very long channel. The background to this problem relates to the mixing of heavy and light oil in a pipeline. As a first step, a 2D channel with an aspect ratio of 250 is considered. The batch-mixing of two miscible crude oils with different viscosities and densities is modeled using an unsteady laminar model and unsteady RANS model available in the commercial CFD solver ANSYSFluent. For a comparison, a LES model was used for a 3D version of the 2D channel. The distinguishing feature of this work is the Lagrangian coordinate system utilized to set no-slip wall boundary conditions. The global CFD model has been validated against classical analytical solutions. Excellent agreement has been achieved. Simulations were carried out for a Reynolds number of 6300 (calculated using light oil properties) and a Schmidt number of 104. The results show that, in contrast to the unsteady RANS model, the LES and unsteady laminar models produce comparable mixing dynamics for two oils in the channel. Analysis of simulations also shows that, for a channel length of 100 m and a height of 0.4 m, the complete mixing of two oils across the channel has not been achieved. We showed that the mixing zone consists of the three different mixing sub-zones, which have been identified using the averaged mass fraction of the heavy oil along the flow direction. The first sub-zone corresponds to the main front propagation area with a length of several heights of the channel. The second and third sub-zones are characterized by so-called shear-flow-driven mixing due to the Kelvin– Helmholtz vortices occurring between oils in the axial direction. It was observed that the third sub-zone has a steeper mass fraction gradient of the heavy oil in the axial direction in comparison with the second sub-zone, which corresponds to the flow-averaged mass fraction of 0.5 for the heavy oil.
1 Introduction
The mixing of two-liquid miscible flows has attracted a great deal of attention due to its relevance to practical applications, e.g., mixing liquids using centerline injectors (Cao et al. 2003), improving pipe wall fouling mitigation and cleaning (Regner et al. 2007), and the batch transportation of crude oil with different properties (batching) (Ekambara and Joshi 2003). In batching, where crude oil batches with different qualities and properties are transported by the same pipeline, a blended zone is created at the interface of the oil batches. The volume of the blended zone grows with time.
چکیده
1- مقدمه
2- فرمول مدل
2.1- مدل چند لایه ناپایدار
2.2 مدل URANS
2.3- مدل LES
2.4- شرایط مرزی و عددی
3- نتایج
4- نتیجه گیری
منابع
Abstract
1 Introduction
2 Model formulation
2.1 Unsteady laminar model
2.2 URANS model
2.3 LES model
2.4 Boundary conditions and numerics
3 Results
4 Conclusions
- ترجمه فارسی مقاله با فرمت ورد (word) با قابلیت ویرایش، بدون آرم سایت ای ترجمه
- ترجمه فارسی مقاله با فرمت pdf، بدون آرم سایت ای ترجمه