水环输送是一种稠油输送技术,可以用来输送粘度较高的原油和重油。与传统的高粘油输送技术相比,水环输送具有其独特的优点:无需添加乳化药剂,不会带来二次污染;输送过程不需要加热也不需要建造保温良好耗资巨大的管道;中途不需要建造高压力泵站提供动力;后续处理工序简单。水环输送技术不仅可广泛应用于油田开发、原油运输、海管运输等集输系统的各个方面,还可以应用在化工工业,适用于多种高粘度流体的大批量运输。因此进行水环输送数值研究与实验研究对发展中的油品输送技术具有重要意义。本文以国内外水环研究现状为基础,建立了水环数值模型和水环室内实验环道,研究了水环发生器中水环的形成过程以及弯管结构和水环维持装置对水环维稳特性的影响。论文的主要研究内容包括:(一)进行了水环发生器结构优化研究。针对水环输送稠油的减阻机理进行了分析,并开展了水环发生器结构优化数值研究。模拟采用VOF模型,建立了水环流动数值模型,并完成了模型验证,研究了不同间隙厚度对水环发生器稳定性的影响,并进行了结构优化。发现:间隙厚度存在一个最佳区间,过小不利于水环的形成和稳定;过大则间隙出口处核心油流流速高于水层流速,不利于形成水环。在原发生器的基础上添加螺旋叶片后,与优化前相比提高了2.3倍。(二)进行了弯管内水环维稳特性规律研究。基于水环的数值模型,研究了水环在弯管中的稠油体积分数分布和速度场、压力场的变化规律,并分析了表面张力、入口流速、油水密度比、油水粘度比对水环维稳特性的影响。发现:随着表面张力的增加,弯管中核心油流向管壁偏移的趋势减弱;随着流速的增加,核心油流向管道外侧偏移程度增大;弯管内部核心油流向管壁外侧偏移程度随着油水密度比的减小而增大,同时油的密度越小核心油流越是向管壁上侧偏移;油品粘度对水环的稳定性和减阻特性均未产生明显影响。(三)研究了水环维持装置结构设计及对水环再形成的影响。对采用旋流叶片结构的水环维持装置进行了数值模拟,通过改变高速转筒的转速和入口处的流速,研究了转筒转速和入口流速对水环维持装置内部流场和成环性能的影响,发现:随着高速转筒转速增大,最大切向速度随之变大,核心油流向管道中心聚集的趋势也随之变强,当高速转筒转速为4500 r/min及以上时,可以重新形成水环。随着入口流速的增大,核心油流的直径增大乃至失稳。在模拟条件下,应选择管道流速为0.6 m/s处加入水环维持装置。(四)进行了水环发生器室内环道实验,采用了之前模拟中所采用的结构与设计,结果表明,室内环道中生成的水环可以起到减阻输送的效果。保持其他条件不变,改变发生器间隙尺寸和入口流速,发现:在实验条件下,使用19 mm内径的管道进行水环输送高粘油时,发生器间隙的最佳尺寸为0.9 mm~1.4 mm。在模拟条件下,水环间隙宽度为0.8~1.2 mm时输送效果最佳,能够使水环维持相当长的时间。通过以上模拟与实验研究结果,可以得出结论:当使用19 mm内径的管道进行水环输送高粘油时,发生器间隙的最佳尺寸为0.9 mm~1.2 mm。