基于实验与CFD-CGDEM方法的非牛顿油蜡浆管道输送沉积行为研究及其工业应用意义

为解决原油储罐底泥与轻油混合输送过程中非牛顿特性显著、多相流行为复杂的问题，研究人员通过实验与CFD-CGDEM耦合模拟，揭示了6%-30%浓度范围内油蜡浆的流变学特征（Cross模型拟合最优，Adjusted-R2达0.959-0.999），发现流速增加会促使重质组分向管心聚集，而粗粒化因子为2时计算效率与精度最佳，为高浓度大颗粒蜡浆的安全输送提供了理论支撑与技术指导。

　　

在石油工业中，原油储罐底泥的处置一直是个棘手问题。这些底泥由原油中的重质组分聚集而成，若不妥善处理将造成资源浪费。目前常用的方法是将底泥与轻油混合后通过管道输送至下游炼厂。然而，随着混合浓度的增加，混合物表现出越来越明显的非牛顿流体特性，其复杂的多相流行为尚未被充分理解。更令人担忧的是，随着"3060"政策的实施，油田储罐逐渐转向非加热储存，这加剧了罐底沉积物的积累，同时降低了旋流喷射处理器的效果。

针对这一系列挑战，国内某研究机构的研究人员开展了一项创新性研究。他们通过实验和数值模拟相结合的方式，深入探究了高浓度、大颗粒油蜡浆在管道中的输送行为。研究成果发表在《Results in Engineering》上，为解决这一工业难题提供了重要理论依据和技术支持。

研究人员主要采用了三种关键技术方法：首先使用旋转流变仪（Anton Paar Rheolab QC）测量油蜡浆的流变特性；其次搭建了包含钢制测试段和玻璃纤维观察段的室内循环回路实验装置；最后基于开源软件OpenFOAM和内部代码XDEM开发了非牛顿CFD-CGDEM（计算流体力学-粗粒化离散元法）多相流耦合模型，其中粗粒化方法通过等效体积法实现，显著提升了计算效率。

在"3.1 油蜡浆流变特性的建模"部分，研究人员对比了Power Law模型、Bingham模型和Cross模型对油蜡浆流变行为的拟合效果。结果显示，Cross模型在6%-30%浓度范围内表现最优，Adjusted-R2高达0.959-0.999。特别是对于30%的高浓度样品，Cross模型的拟合精度显著优于其他模型。

"3.2 蜡颗粒浓度对浆料流变学的影响"揭示了浓度与流变参数的关键关系。随着蜡浓度从5%增至30%，表观粘度从20-30 mPa·s飙升至100-400 mPa·s，符合Einstein粘度定律。同时，流动行为指数n从0.71降至0.13，表明高浓度下剪切稀化效应减弱。

"3.3 CFD-DEM模型的验证"部分通过对比实验与模拟结果，证实了模型的可靠性。在6%浓度下，模拟与实验的高浓度颗粒区域占比误差小于20%。但随着流速增加，差异有所增大，特别是在Q₄流速下，高压差区域的实验值为7820 Pa，模拟值为9360 Pa，相对误差控制在20%以内。

"3.4 油流速对颗粒沉降行为的影响"得出了重要发现：在6%浓度下，当流速不超过23.4×10^-5 m³/s时，超过80%的蜡颗粒会沉降在管道下部；而当流速增至34.3×10^-5 m³/s时，底部颗粒质量分数骤降至50%以下。更引人注目的是，在最高流速57.1×10^-5 m³/s时，颗粒分布呈现"中间多、两边少"的特征，最大浓度区域从管底转移至管心。

"3.5 浓度对颗粒沉降行为的影响"研究表明，浓度升高会显著改变颗粒分布模式。当浓度从6%增至20%时，管底区域A的颗粒质量分数从98.4%降至49.9%，同时中心区域C的颗粒开始增加。值得注意的是，在30%高浓度下，模拟值与实验值的相对误差达到33%，提示需要考虑非球形颗粒的影响。

"3.6 CG缩放比对颗粒沉降行为的影响"系统评估了粗粒化方法的适用性。研究发现CG=2在30%浓度下可提升65%-70%的计算效率，同时保持良好精度；而CG=4仅在极高浓度下适用。通过敏感性分析发现，CG=2在不同工况下都表现出更好的鲁棒性，是兼顾效率与精度的最优选择。

这项研究的意义不仅在于揭示了油蜡浆在管道输送过程中的复杂行为，更开发了一套可靠的CFD-CGDEM模拟方法。特别是提出的粗粒化策略，为工业尺度的大规模颗粒系统模拟提供了可行方案。研究建立的流变模型和流动规律，为原油管道安全输送高浓度大颗粒蜡浆提供了重要理论依据。未来研究可进一步考虑颗粒非球形特征，以提升高浓度条件下的预测精度。这些成果对保障石油资源高效利用和管道系统长期安全运行具有重要指导价值。