T形多分支管結構參數對氣液分離特性的影響

羅小明， 杜雪麟， 薛振興， 何利民

(1.中國石油大學 儲運與建筑工程學院， 山東 青島 266580； 2.中國石油 西氣東輸管道公司， 上海 200122；3.中國石油天然氣管道工程有限公司， 上海 200120)

T形多分支管結構參數對氣液分離特性的影響

羅小明1， 杜雪麟2， 薛振興3， 何利民1

(1.中國石油大學 儲運與建筑工程學院， 山東 青島 266580； 2.中國石油 西氣東輸管道公司， 上海 200122；3.中國石油天然氣管道工程有限公司， 上海 200120)

T形多分支管作為新型氣液分離構件，具有緊湊、穩定、經濟等優點。采用混合k-ε湍流模型與歐拉多相流模型對T形多分支管中的氣液兩相流動進行了模擬分析，考察了其結構參數的變化對分離性能的影響。結果表明，結構一定的T形多分支管，確定的進出口邊界條件決定了唯一的水力平衡系統，流體所具有的能量在管路中自由分配直至達到平衡，分流促進了氣液兩相的分離。分支管間距增大，能使氣液兩相分離效率得到顯著提高，但增幅逐漸降低；分支管高度、管徑增大時，分離效率均呈現先增大后減小的趨勢；分支管結構參數的變化促使流體流動方向發生改變，進而影響分離效率。

T形管； 結構參數； 氣液分離； CFD； 相分布

自20世紀60年代發現氣液兩相流經T形管時發生相分配不均現象之后，學者們對T形管用作預分離器的可行性進行了大量的研究[1]，研究工作主要集中在單個T形管的氣液兩相流動特征。T形管在分流應用過程中具有不同的放置位置，包括主管和分支管水平放置，主管水平放置、分支管垂直向上或向下放置，主管垂直放置、分支管水平放置等。T形管不同的放置位置將影響氣液兩相的流型及分流特性，進而影響氣液分離效率[2]。由于氣液兩相流型的復雜性以及T形管結構的多樣性，致使研究主要以實驗為主。理論模型由于缺少所要求的邊界條件和相界面傳遞關系式，其應用受到限制[3-4]。實驗研究主要集中在操作條件和T形管結構對氣液兩相流動與分離的影響。氣液兩相流型是影響T形管分流的主要參數之一，學者針對分層流、段塞流、環狀流等流型進行了大量的研究[5-14]，總體上可得出分層流有利于氣液兩相在T形管內的分離，而對于其他流型這種分離作用并不明顯的結論。除流型之外，氣液兩相物性也是影響分流的另一個重要因素[15]。T形管結構對氣液兩相分流的影響主要包括分支管間距、高度、管徑比、角度等。筆者采用基于CFD方法開發的商業軟件Fluent對分支管分流機理展開分析，研究分支管結構對氣液流動特性及相分布的影響，為T形多分支管氣液分離器的設計提供依據。

1 T形多分支管模型的建立

T形多分支管主要由主管、分支管、匯集管等組成，其示意圖如圖1所示(以3根分支管為例)。氣液兩相由入口1進入，經分支管2的分流和分支管間的沉降，氣相逐漸進入匯集管3由氣相出口4排出，液相則沿主管6由液相出口5流出。為了取得理想的分離效果，應調整入口流型使其處于分層流動條件下，根據Stokes沉降理論和氣流中夾帶液滴的沉降理論，經計算應在入口前加設長為50D的充分發展段，其中D為主管管徑。

圖1 T形多分支管示意圖Fig.1 Schematic diagram of the combined T-junctions1—Inlet; 2—Branch pipe; 3—Gather pipe; 4—Gas outlet; 5—Liquid outlet; 6—Main pipe

對流動區域進行網格離散，并分區劃分網格。分支點處流動復雜，為了更好地對流動及相分布進行捕捉，采用致密的四面體網格；其余部分采用Cooper方法生成規整的結構網格。入口邊界采用速度入口邊界，由于T形多分支管面向的處理對象多為分層流和混合分層流，因此從具有廣泛認可度的Mandhane流型圖[16]中選定合適的流速和氣液相流體性質。出口采用自由出流邊界，并設定氣液分流比與入口氣液體積分數一致，這是理想化完全分離的最佳分流比。計算域壁面邊界采用壁面無滑移條件。多相流模型選用歐拉模型，該模型將兩相視為相互穿透的連續介質，并充分考慮兩相之間的相互作用，可以模擬分散相體積分數高于10%時的流動工況。湍流模型選取混合湍流模型，可對分層流的湍流特性進行很好的捕捉。關于計算模型假設、網格無關性校驗以及算例驗證過程參見文獻[17]。

2 T形多分支管流動特性分析

假設主管與匯集管的管徑D為50 mm，采用3根分支管，管徑同為D；分支管高度為10D，間距為20D。從T形多分支管入口進入的氣液流體混合流速為0.5 m/s，氣相體積分數為0.2，氣液相出口的體積分流比為2/8，以此來對T形多分支管的相分離及分流機理進行分析。

圖2為T形多分支管充分發展段后(主管入口)的相分布和速度分布。由圖2可知，氣液混合流體經過充分發展段后形成典型的分層流型，氣液兩相分別沿管截面上部與下部流動，中間有較薄的氣液混合層。與液相流速相比，氣相流速相對較快。

圖2 T形多分支管充分發展段后的相分布和速度分布Fig.2 Phase distribution and velocity distribution after flow fully developed in T-junctions(a) Liquid phase distribution(φL); (b) Velocity distribution(v)

圖3為T形分支處流體的相分布圖。由圖3可以看出，在第1分支管處，主管截面上部的氣體以及氣液混合層分流進入分支管，這與Shoham等[3]提出的進入分支管的流體主要來自于主管和分支管相臨近區域相吻合。而液相具有較大的慣性力，沿主管繼續向前流動。在匯集管中，由于氣液密度差，液相中的小氣泡不斷上浮聚并形成連續氣層；氣相中的小液滴不斷沉降至液面。在第2、第3分支管與匯集管的交接處，在重力和壓力的共同作用下，位于匯集管底部以液相為主的流體沿分支管向下回流至主管。主管出口富含液相，僅有頂部積聚少量氣體；匯集管出口富含氣相，管截面底部積聚少量液相。

圖3 T形分支處流體相分布Fig.3 Phase distribution in T-junctions

T形多分支管內的流動直接影響主管與匯集管內的液相分布，其結果如圖4所示。由圖4可見，主管液相體積分數在第1分支管分流之后一直保持較高水平，在第3分流點后略有下降；而匯集管中的液相體積分數在2個分流點后均突降，這顯示了分支管具有良好的分流與分離作用。

圖4 T形多分支管內主管與匯集管內的液相分布Fig.4 Liquid distribution in the main pipe and the gather pipe in T-junctionsX is the distance from main pipe inlet.

圖5為主管沿軸線方向的靜壓分布。由圖5可以看出，主管靜壓沿著流動方向由于存在摩擦阻力而呈逐漸減小的趨勢，在分流點靜壓值發生向下階躍，這表示分流點的分流及匯集作用導致了壓能與動能的相互轉化。在第1分流點處，部分流體進入分支管，分流點后的流速降低，故此處的靜壓升高；后兩個分流點的情況恰恰相反，靜壓值有所降低。靜壓值的變化可以看作是分流的動力來源，其變化幅度與進入分支管內的流量有著直接關系，分支管內的流量大，則主管中的流速變化就大，靜壓值的變化也大。

圖5 T形多分支管內主管軸向靜壓分布Fig.5 Static pressure distribution of the main pipe in T-junctionsX is the distance from main pipe inlet.

3 T形多分支管結構參數對相分離的影響

影響T形多分支管相分離的因素很多，主要結構參數包括分支管間距、高度、管徑比、分支管數目和管路傾角等，筆者主要對分支管間距、高度和管徑比進行分析。

衡量T形多分支管的分離程度可由分支管中的各相分配比例來表示，但這種方式不能對分離效果進行定量分析。筆者采用楊利民[18]提出的分離效率(η)作為分離效果的評價指標，其定義式見式(1)。

η=|Fg-Fl|

(1)

式(1)中，Fg為氣相出口氣相質量流量與混合入口氣相質量流量之比；Fl為液相出口液相質量流量與混合入口液相質量流量之比。

通過式(1)可以看出，分離效率為兩相在匯集管中相分配比例的差值。當分離效率為1時氣液兩相完全分離，主管和匯集管出口均為單相流體。

3.1 分支管間距的影響

分支管間距是影響分離效果的重要因素，直接關系到流體流動的穩定及氣液兩相的分層效果。在基本模型的基礎上，改變分支管間距分別為5D、7D、10D、15D、20D、25D，考察在不同的進入T形多分支管入口的氣液流體混合流速工況下的分離效率，結果如圖6所示。

圖6 不同入口混合流速(vm)、不同分支管間距下T形多分支管的分離效率(η)Fig.6 Separation efficiency(η) of T-junctions with different branch pipe spacings at different mixture velocities(vm)

由圖6可見，在同一入口混合流速下，分離效率總體上隨分支管間距的增大而增大，但增長幅度逐漸減小。分支管間距從5D增至25D，分離效率可提高10%以上，且入口流速越高增幅越顯著。分支管間距較小時，分流造成的局部擾動影響較大，且沉降效果較差，混合流體未能重新形成穩定的分層，具有較厚的氣液混合層，導致后面的分支管回流至主管的流體中含有大量氣相。當分支管間距達到20D以上時，混合流體的停留時間增加，沉降分層較為徹底，在下一次分流時氣液間的相互攜帶較少，第2分支管中的液相體積分數可達0.95以上。繼續增大分支管間距，相分布特性沒有顯著差別，此時分支管間距的影響已經微乎其微。

由圖6還看到，在入口混合流速較低時，分離效率較高；隨著流速增大，分離效率顯著降低。入口流速對分離的影響主要體現在流型和停留時間上；流速較低時氣液兩相更易形成穩定的分層流，且有更充裕的緩沖時間進行沉降分離。流速增大后，氣液界面發生擾動，混合層變厚，分流時氣液兩相互相摻混，分離效率降低。另外，隨著流速增大，流體動量增大，將會改變分支管內的流動方向。

圖7為不同間距T形分支管內的體積流量和截面液相體積分數分布。體積流量為負說明在該分支管中伴隨液相的回流和氣泡的上升，其凈體積流量沿分支管向下流動，下同。由圖7(a)看到，在同一結構中，第1分支管中流量最大，第2分支管中流量最小，這是因為分支管內流體流動在重力和壓力的共同作用下進行，而在第2分支管處兩者合力最小。隨著分支管間距的增大，第1、3分支管內流量明顯增大，這意味著有更多流體參與到分流分離過程中。從圖7(b)可以看出，隨著分支管間距的增大，各分支管中的截面液相體積分數均有所提高，其中第2、3分支管中的流體回流至主管，液相體積分數的增大將對提高分離效果非常有利。

圖7 不同間距T形多分支管內的體積流量(Q)和截面液相體積分數(φL)Fig.7 Volume flow rate (Q) and liquid volume fraction (φL) in T-junctions with different branch pipe spacings(a) Q; (b) φL

3.2 分支管高度的影響

T形多分支管的間距為20D，改變分支管高度分別為5D、7D、10D、15D和20D，分析不同T形多分支管入口混合流速下的分離效率，結果如圖8所示。

分支管除分流作用外，還可利用氣液相密度差使混合流體在垂直流動過程中產生速度差，從而形成初步分離。分支管高度過低，不能充分利用流動中的分離效應；分支管高度過高，進入分支管的流量增大，回流的分支管內氣體體積分數將增加，分離效率降低。因此，分離效率隨著分支管高度的增加而先增大后減小。入口混合流速對不同分支管高度下分離效率的影響與改變分支管間距的影響相似。

圖9為不同高度分支管內的體積流量和截面液相體積分數分布。由圖9看到，隨著分支管高度的增加，第1分支管內的氣液分離程度增強，管截面右側出現富液區，分流處形成的漩渦減小，對匯集管內流體的擾動減弱。當入口流速較高且分支管高度較小時，在第2分支管處的流體動能足以將流體舉升至匯集管，分支管內呈現向上流動；但隨著分支管高度增加，流體具有的動能不足以克服高度差，在重力作用下向下流動。受流動方向的影響，第2分支管內的液相體積分數也先增大后減小。在第3分支管內，截面液相體積分數逐漸降低。這是由于分支管高度增大后，第2分支管內流量增長明顯且保持了較高的液相體積分數，故此處匯集管中液層很薄，更多的氣相進入了分支管。

圖9 不同高度T形分支管內的體積流量(Q)和截面液相體積分數(φL)Fig.9 Volume flow rate(Q) and liquid volume fraction (φL) in T-junctions with different branch pipe heights(a) Q; (b) φL

3.3 分支管與主管管徑比的影響

分支管間距為20D，高度為10D，改變分支管與主管管徑比分別為1、2/3、1/2和1/4，分析不同混合流速下的分離效率，結果如圖10所示。

由圖10看到，分離效率整體上呈先增大后減小的趨勢，增幅最大可達10%。當分支管管徑小于主管管徑時，流體進入分支管的阻力增加，液相相對于具有壓縮性的氣相所受影響更大，進入分支管的液量減少；流體進入匯集管后，流道驟然擴大，流速降低，有利于氣液分離；對于氣相而言，流道擴大壓力降低，氣泡上浮速度加快，因而效率有所提高。當分支管管徑為1/4D時，進入分支管的流量減小、流速增大，主管內殘余氣體較多，分離效率較差。

圖10 不同入口混合流速(vm)、不同管徑比下T形多分支管的分離效率(η)Fig.10 Separation efficiency(η) of T-junctions with different diameter ratios at different mixture velocities(vm)

圖11為不同管徑比下分支管內的體積流量、流速和截面液相體積分數分布。由圖11(a)可以看出，隨著分支管管徑減小，第2、3分支管先后出現向上流動；尤其當分支管管徑為1/4D時，分支管內流動方向均向上。圖11(b)中實線表示液相流速，虛線表示氣相流速。當分支管內流動方向向上時，虛線位于相應的實線之上，表明此時氣相流速大于液相流速；向下流動時，情況正好相反。同時可以看出，隨著分支管管徑的減小，氣液流速顯著增加；當流體向上流動時，管徑越小，速度差越大；流體向下流動時，速度差則變化不明顯。由圖11(c)看到，受分支管管徑和流動方向兩方面的影響，以第3分支管為例，分支管管徑為1/4D時，流動方向向上，管內主要為主管上部積聚的氣相和混合流體，液相體積分數較低(<0.4)；當分支管管徑為1/2D時，進入匯集管的液相可由第3分支管流回主管，分離效率達到最高。但隨著分支管管徑的增大，流量增大，攜帶的混合流體增多，截面液相體積分數略有下降，與Azzopardi等[9]的單個T形管相分配研究相一致。

圖11 不同管徑比T形多分支管內體積流量(Q)、流速(v)和截面液相體積分數(φL)Fig.11 Volume flow rate(Q), velocity(v) and liquid volume fraction(φL) in T-junctions with different diameter ratios(a) Q; (b) v; (c) φL

4 結 論

(1)對于結構一定的T形多分支管，確定的進出口邊界條件決定了唯一的水力平衡系統，流體所具有的能量在管路中自由分配直至達到平衡，分流促進了氣液兩相的分離。

(2)在影響分離效果的主要結構參數中，分支管間距的影響最大，隨著分支管間距的增大，能使氣液兩相分離效率得到顯著提高，但增幅逐漸降低，且對入口流速的依賴有所減小，分支管間距的設置對分離效果的好壞起著舉足輕重的作用。

(3)合理設置分支管高度和分支管管徑能有效提高分離效率，隨著兩者的增大，分離效率均呈現先增大后減小的趨勢，存在最優值。分支管結構參數的變化促使流體流動方向發生改變，進而影響分離效率。

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Impact of Structural Parameters on the Separation Characteristics ofGas-Liquid Two-Phase Mixture in Combined T Junctions

LUO Xiaoming1， DU Xuelin2， XUE Zhenxing3， HE Limin1

(1.CollegeofPipelineandCivilEngineering，ChinaUniversityofPetroleum，Qingdao266580，China;2.West-EastGasTransmissionPipelineCompany，CNPC，Shanghai200122，China;3.ChinaPetroleumPipelineEngineeringCorporation，Shanghai200120，China)

The combined T junctions used for gas-liquid separation have the advantage of compactness, consistency and economy. The mixturek-εturbulence model and the Eulerian multi-fluid model were used to simulate the flow and phase distribution in the combined T junctions. Flow separation mechanism of combined T junctions and the impact of the variety of the branch pipe spacing, height and diameter were analyzed. The results of simulation showed that the fixed inlet and outlet boundary of certain multi-T junctions determined a single hydraulic balance system, and the fluid energy distributed freely until it achieved a balance. The split of the flow promoted gas-liquid two-phase separation. Separation efficiency improved with increasing branch pipe spacing, but the rate of increase slowed down at the late stage. As the height and the diameter of branch pipe changed, the separative efficiency showed at first an increasing and then a decreasing trend. Branch pipe spacing was the most important parameter among the three. The variety of branch pipe structures could alter the flow direction of branched pipes, and guide the design of combined T junctions.

T-junctions; structural parameters; gas-liquid separation; CFD; phase distribution

2016-06-13

國家科技重大專項(2016ZX05026-004-003)、中央高?；究蒲袠I務費專項資金(15CX05006A)資助

羅小明，男，副教授，博士，從事多相流與多相分離技術研究；Tel：0532-86981223-315；E-mail：lxm@upc.edu.cn

1001-8719(2017)03-0556-07

TQ051.8

A

10.3969/j.issn.1001-8719.2017.03.022