基于CFD仿真下多相流檢測精度影響因素研究

韓思奇 王濤 朱少鋒 邵欣

摘? ?要：在石油、天然氣等化工領域的流體運送過程中經常會遇到多相流檢測問題，有效并精確地對多相流流量進行測量能夠有效降低運營成本、提高裝置運行的可靠性。通過設計V錐流量計結構，結合多相流測量修正模型進行多相流流動實驗，并利用CFD仿真的方法分析多相流測量精度的影響因素，為工業流體輸送技術的改進提供了參考。

關鍵詞：V錐流量計;數學模型;CFD模擬仿真;多相流模型

1? ? 多相流檢測介紹

石化能源企業的發展迅速，多相流量越來越成為目前國際上專家關注的焦點技術。多相流常用在提煉貴重金屬、石化能源、化學工業區、長距離管道傳輸及制藥制冷等方面，不管是在輕工業還是重工業生產中都具有重大意義。但是在工業生產時也會出現很多經濟方面的問題與技術人員的人身安全問題，所以，對兩相或者是多相流流動機理和傳輸狀態的描述以及測量所得相關參數的準確性的研究具有非常重要的實際意義[1]。

V錐流量計是在20世紀80年代出現在人們視線的，由于其特殊的構造使得物質在流過它時局部收縮并向著管道內壁擠壓，形成流體截面積漸漸縮小的環狀壓縮，流動物質在此壓縮進程中被加速[2]。在一個沒有阻礙流體通過的管道中，物質的速度趨勢呈現凸形。處在上方的器件會干擾流體速度的分布。V形錐體的形狀可以讓流動物質的凸性速度分布、分散，從而使速度更均勻?？傮w而言，V錐流量計的優點有很多，如測量程度寬、無須清潔、壓力損失小、需要的直管道距離小等[3]。

本篇文章模擬了直徑為0.55的V錐流量計的實驗及過程，且對近幾年使用較為廣泛的多相流模型進行校正，同時結合計算流體動力學（Computational Fluid Dynamics，CFD）軟件仿真模擬的方式對管道內流動介質的情況進行模擬測試，以驗證V錐流量計的可靠性。

2? ? 物理模型

2.1? 幾何模型建立

利用geometry軟件建立長0.3 m、內徑0.04 m的直管模型，V錐流量計是利用同軸安裝在管道中的“V”形尖圓錐將流體逐漸地節流收縮到管道的內邊壁，通過測量“V”形內錐體前后的差壓來實現測量流量[4]。V錐處于管道中間位置，錐體前后管道長度均為5D以上。模型建立后利用Workbench中的meshing軟件進行網格劃分，網格類型為混合網格，V錐區域進行局部網格加密處理，劃分成功后網格數量約為85 000，隨后進行網格無關性驗證。

2.2? CFD參數設置

本研究采用CFD系列中的Fluent進行數值模擬，采用雙精度求解器，Mixture多相流模型，湍流模型為k-ε模型，油性材料選擇液態辛烷（C8H18），主相為水，辛烷體積分數為10%，邊界條件設置為速度入口和壓力出口，初始流體入口速度為0.2 m/s，湍流參數設置采用湍流強度和水力直徑[5]。

2.3? 多相流數學模型

對與油水兩相流的測量最常用的方式是用差壓法測量得到相對應的差壓和流量的信息，在油水兩相流測量中，此方式測量流量的模型通常稱為壓降模型。壓降模型分為兩種：分離模型和均質模型。分層模型指在管道中流動的油水會有分層狀的現象，并且有明顯的分層界限，隨著新的技術和需求不斷發展，一開始的分離模型已不能得到想要的效果，三層分離模型和四層分離模型便在此基礎上被設計成型。均質模型是一個相對先進的模型，在現實中應用得到的效果較好[6]。均質模型是觀察和解決油水兩相流動最簡單的方式，當流動速度高時，油和水兩相在管道內充分攪拌混合，形成分散流型。只要混合的黏度可知，可以使用均質模型，但其關鍵是油水混合物有效黏度的計算。因為均相流模型的分析方便，且均相流的理論已經有了很可觀的基礎，所以此次文章中的油水實驗以均相流為研究基礎，進行油水兩相流流量的測量和研究。

在利用差壓信號測量均相兩相流流量的模型中，假定油水兩相流在管道中的流動是均勻的，兩相介質已達到熱力學平衡，按絕熱膨脹過程得到油水兩相流流量為[7]：

其中，G為油水總質量流量，C為V內錐的流出系數，β為V內錐的等效直徑比，A為V型內錐的流通截面積，Δp為V錐上下游的差壓，ρm為流過管道的油水混合物的密度。

3? ? 結果分析

3.1? 影響因素分析

多相流的壓降特性與管截面上兩種流體的相分布有很大關系，而流態在很大程度上又取決于含水體積分數，同時還受混合物流速、流體密度、粘度、管壁粗糙度等因素的影響。

實驗開始時管路中流動的全部為水，逐漸向水中增加油的體積分數，但保持混合物的流速或流量不變，即可得出流型、多相流摩擦壓降隨含水體積分數的變化情況。當管路中油的體積分數較小時，通過仿真可以觀察到，細小的油珠均勻分散在連續的水中，管壁上也可能粘有少量細小的油滴，此時油水二相間無明顯的相對滑移，即為典型的水包油流型，同時由于管路水平布置，密度較小的油滴受浮力作用而偏于在管截面的上部分布。繼續增加油的體積分數，連續水相中的油滴越來越多，小油滴相互碰撞合并成較大油滴的概率也升高，連續水相中開始出現了許多大油滴。隨著含水體積分數的進一步減小，大油滴又相互合并形成更大連續的油塊，與此同時，在二相湍動下，部分水被破碎成小水滴分散在大的油塊中。

3.2? 物理云圖分析

圖1給出了等效直徑比0.55、流速0.3 m/s、油水體積比0.1時的各物理場云圖。分析可知：當多相流過錐體時，由于錐體的節流作用使流場中低壓區出現在錐后，下游距錐體一定位置壓力開始迅速回升，距錐體0.425 m處壓力逐漸趨于某一定值。由速度場云圖可以看出，最大速度出現在節流面積最小及偏后區域，速度可達5.5 m/s，且錐后一定位置出現了渦流，從計算的數據可知：下游管路中軸線速度與同一截面相比較低，越靠近管壁速度相對越大。而湍動能最大值則出現在錐體下游渦流上部靠近管壁處，此處由于速度梯度差異較大，流體脈動強烈，故湍動能最大。從水相體積分數云圖可以看出：體積分數最小的區域與壓力最低的區域相一致，可見壓力是引起水相分布的主要因素，且隨著下游壓力的迅速恢復，水相介質分布逐漸均勻。

3.3? 修正模型分析

影響修正系數θ的最主要因素是氣液密度比，它是二相流動中最主要的特征參數之一。因此，在一定的壓力下，修正系數是多相流密度比的函數。在本研究中，模擬條件均是在標準大氣壓下進行的。在同一密度比條件下，設置不同的油相流量和液相流量即可獲得一組壓差值。根據實驗及仿真結果可以發現，除個別點外，直徑比為0.55的V錐流量計總質量流量測量相對誤差在±3%之內，與前人研究相比，所建多相流修正模型測量誤差較為穩定，流量計流量測量模型精度得到了很大的提升。

4? ? 結語

本研究結合當今石油化工領域多相流測量這一研究熱點，通過實驗及CFD仿真的方法，設計V錐流量計結構，結合修正后的多相流測量模型，分析多相流測量精度的影響因素。根據實驗結果分析，多相流體積比、初始流速、管道粗糙度、等效直徑比等都會對管道內流體壓力及速度等造成影響。

[參考文獻]

[1]徐帥，張振庭，杜明俊，等.基于V錐流量計的油水兩相流數值研究[J].節能技術，2011（4）：306-310.

[2]賀登輝，魯斌，李星，等.雙差壓式濕氣流量在線測量新方法研究[J].工程熱物理學報，2013（5）：878-882.

[3]付玉紅，曲明藝，盧日新，等.油氣水多相流在線測量技術的研究和現場應用[J].儀器儀表學報，2002（Z1）：42-43.

[4]賀登輝，柳海，張鋒，等.V錐流量計濕氣流量測量新模型[J].西安交通大學學報，2013（1）：32-36.

[5]譚超，董峰.多相流過程參數檢測技術綜述[J].自動化學報，2013（11）：1923-1932.

[6]陳滿堂，姜渭宇，劉偉光，等.用于航空燃油流量測量的V錐流量計的研究[J].電子測量與儀器學報，2016（8）：1167-1174.

[7]徐英，陳吳曉，張濤，等.湍流模型對雙支撐型V錐流量計的適用性研究[J].儀器儀表學報，2015（2）：459-465.