重油新管道方法：在运输过程中稳定高粘度流体的流动

Ian Frigaard教授和Parisa Marisa Sarmadi博士，英国哥伦比亚大学机械工程系，专注于非牛顿流体力学的工业应用和复杂液体的数学建模。它们开发了一种克服润滑管道流动期间润滑管道流动的界面不稳定性的方法，例如重油，涂料和水泥等粘度流体。它们提出了三层运输制度，该方案包括在较高粘度流体和润滑剂之间放置一层屈服应力流体，以稳定流动。

在过去的20年中，由于光常规油的短缺，对重油的需求增加了很大。从那时起，提高了重油的运输，其粘度较高一直是许多研究人员的重点。从点A到B移动高粘度流体导致高摩擦管道压力损失，在传统的流动方法中，降低流速并提高在这种操作中的成本。英国哥伦比亚大学机械工程系的伊恩·弗里加德教授和巴黎博士·萨拉德博士提出了一种三层运输制度，用于管道上的流水线，这些挑战，并开启了适用于处理的高效，更快，更便宜的运输方式。高粘度流体的类型。

输送顺畅的石油管道
重油的较高粘度使其流过管道繁琐。随着厚流体通过管道移动，它倾向于将“粘在内壁上并且需要外力，例如泵，以推动它以使其移动得更快。流体的“粘性”导致由于摩擦而导致的流量和损失，这有助于更长的运输时间和更高的成本。鉴于在重油运输过程中泵送的卷及其对日常生活的重要性，最大限度地减少这些损失对该行业具有巨大的重要性。

将高粘度流体从A点移动到B点会造成管道摩擦压力损失，在传统的润滑流动方法中，这降低了运输的流速，增加了相关操作的成本。

为了改善重油的输送，研究人员建议在管道内表面覆盖另一种液体，如水，同时充当“屏障”和“载体”。这一过程被称为润滑管道，其结果是形成一种称为岩心-环空流动的结构。这种结构类似于你在药店里可以找到的双核口红，外圈提供颜色，内圈提供水合作用——只是在这种情况下，水合作用环在外面，在管和内芯之间提供一个光滑的表面，减少摩擦。理解核心环空流的另一种简单方法是考虑滑雪。我们在滑雪时看到的是有人穿着滑雪板在一层雪上滑行。我们没有看到，也可能不容易理解的是，在雪面和滑雪板之间有一层很薄的水，这是由于我们体重施加的压力，雪板下面的雪瞬间融化而产生的。这层水层是运动的促进者，因为它减少了两个表面(雪和滑雪板)之间的摩擦。

这是核心环形流动的操作原理。用作管道和重油之间的附加界面的液体对重油的粘度较低，但不能使其引起不稳定，因此破坏了整体的“滑动”效果。我们可以争辩说，这种在液体层是一种快乐的媒介，损害了通过管道与重油运输相关的摩擦损失。然而，虽然有时有效，这种方法遭受界面不稳定性，这可能导致流体和后来的分离问题的混合。

润滑流的更新
研究所面临的目前挑战是优化界面液体的性质，这需要有效和有利可图，以便有效地运输重油。对这一主题有很多研究，复杂的图表试图在涉及到双层核心环形流动的情况下更有利的条件下的条件。来自Frigaard教授和Sarmadi博士的新型研究揭示了润滑流量的有趣进展，提出了一种可以确保重油稳定，高速核心环形流动的方法。它们提出了一个三层运输制度，而不是到目前为止讨论的双层系统，以稳定流动并允许获得更高的流速。

最初在2017年提出的策略涉及中间层，其液体之间的液体和它与管道之间的添加润滑剂。该第三层将是屈服应力流体，作用于两个液体之间的皮肤，并防止流动变得不稳定。屈服应力流体不自然流动，并且除非通过以上临界值的外力或应力作用，否则除非由临界值的应力作用。由于强调，它们失去了凝胶状结构，并表现不同。这种流体的良好实例是挤压管中的牙膏，水泥或调味品，除非我们挤压管子的液体表现为固体。

研究了粘度比、岩心液体半径、屈服应力流体和组分密度等参数，结果表明，成功输送稠油的操作范围很广。

受益于屈服应力流体
基于产量应力流体的原则，丽茄教授和萨尔马迪博士与莎拉·霍莫佐教授（康奈尔大学）合作，提出了第三层对变形的第三层，直接与管道直接相邻的层之间层的运输是目标。这构建了以前的粘蛋白润滑想法，与萨拉·霍莫佐博士（坎特伯雷大学，基督城）和马克马丁兹（不列颠哥伦比亚大学）有关教授该研究团队将其称为三层核心环形流，具有未封闭的皮肤层。由于其性质，这种中间层将充当皮肤，防止润滑层流和重油芯之间的相互作用。Revisiting the ski example to illustrate the ‘skin’ function, we could say that instead of relying on a water layer being created during every moment of us skiing (due to movement and pressure), there would be a permanent water layer between the skis and the snow, regardless of whether we moved or imposed any sort of pressure, or not. This permanent water layer would ensure that the skis would never get stuck in the snow resulting into us not being able to move freely.

利用屈服应力流体可以使两层在其两侧的流动分离，从而确保岩心-环空流动的稳定。这将表明，两个主要液体层的速度或参数范围不必像在没有蒙皮的情况下那样严格，从而实现更高的操作灵活性。通过计算测量和对所提出方法的一些实验验证，Frigaard教授和Sarmadi博士设法展示了他们工作的稳健性。研究了粘度比、岩心液体半径、屈服应力流体和组分密度等参数，结果表明，成功输送稠油的操作范围很广。他们方法的成功归功于润滑和浮力之间的平衡，通过增加皮肤层的存在来实现。这就降低了压力梯度，导致了层间界面的稳定性，避免了液相相互混合，破坏了岩心-环空流动。研究小组的工作揭示了在石油管道中涉及润滑流动的层的粘度、密度和速度的参数范围扩大的可能性。

其他行业中受益
这种新的管道工程概念并不是石油工业所独有的。相反，它可以应用于食品和饮料行业、水泥制造、塑料工业共挤、污泥处理和几乎任何处理高粘度流体运输的过程。该研究领域的进步使得移动大量粘性流体的作业变得简单，减少了处理时间，同时帮助降低了泵送和运输的成本。