氣液速度對智能傾斜管道內段塞流影響的數值模擬研究

邱子涵，蘇永剛

（長慶油田分公司第二輸油處，陜西 咸陽 712000）

目前，全球能源格局正在發生深刻地變化，世界能源貿易重心正從大西洋盆地向亞太地區轉移。“一帶一路”的實施將基于沿線國家的油氣管網形成多條經濟與文化交流的走廊。根據國家發改委2017年7月發布的 《中長期油氣管網規劃》，到2025年全國油氣管網將發展至24×104km［1］。為此，中國油氣管道行業提出了以 “信息化和工業化深度融合”為核心的 “智能管道”“智慧管網”發展理念。

國內外在管道智能化建設方面仍處于數字化建設的初級階段，尚無法為油氣管道提供全面的智能決策理論和技術支持。2005年雙蘭線［2］首次將施工數據納入十字管道數據庫。2009年［3］基于川氣東送管道建設，中石化開始數字管道建設技術的研究并建設了3D管道GIS系統。2014年［4］中石化總部正式啟動了 “中國石化智能化管道管理系統”項目，并在試點企業已經正式上線運行。2016年［5］中國石油管道公司以中俄東線為試點，初步開展了智能化管道建設的探索。

長慶油田作為中國第一大油氣田于2019年也開始大力推行智能管道的建設。長慶油田分公司第二輸油處圍繞 “數字長慶、智慧油田”整體部署要求，加快構建管道信息化智慧管理新模式，實現長輸管道生產運行科學化整體水平。洪德輸油站隸屬于長慶油田分公司第二輸油處，所轄洪德、山城、甜水、惠安堡四個站點。其中馬惠線跨越大型黃土沖溝兩處，在日常生產運行條件下，如停輸、清管、流量變化等常規行為，都會引發段塞流，段塞流的間隙性引起整個管線系統的振動，可能造成管道彎頭、補償器、換熱器等疲勞失效，嚴重縮短這些零部件的使用壽命，為原油的安全輸送埋下巨大安全隱患。本文將智能管道與傾斜管段塞流模型算法相結合，對管道的風險識別、運行控制、優化調度等方面提供參考。

1 傾斜管段塞流的數值模擬

1.1 物理模型的建立

傾斜管段塞流數值模型以圖1中的水平與傾斜管組合系統作為數值模擬對象，對段塞流的形成機理和流動特性進行研究，并將其定義為傾斜管系統。

圖1 水平-傾斜管物理模型

傾斜角度α為15°。其中，水平段為氣液兩相入口，傾斜段為氣液兩相出口。本模擬中，以空氣為分散相，水為連續相。

1.2 網格劃分

利用ICEM CFD網絡生成軟件導入幾何文件，進行幾何檢查及修復，根據幾何特征，如圖2所示。

圖2 傾斜管道C-C剖面網格拓撲結構

分別采用O、C、H、J拓撲結構的組合，生成分塊六面體貼體網絡。計算域內網格的總數為5.805×106，并且在管道內壁設置了5層邊界層，邊界層高度按冪函數增長，使壁面y+值滿足湍流模型和壁面函數的條件。管道軸向 （液體流動方向）的網格采取均勻分布的形式，其厚度為0.0196 m。此外，因為流體在氣液進口與出口的流動狀況較為復雜，所以對這部分網格進行了局部加密。

1.3 邊界條件

邊界條件確定了物理模型邊界的流動變量，這是數值模擬的關鍵。本傾斜管段塞流模型的邊界類型主要包括：進流邊界條件、出流邊界條和固壁邊界條件。1）進流邊界條件：管道右端入口設置為氣液兩相相速度入口 （velocity inlet）；2）管道左端出口設置為壓力 （pressure outlet）出口；3）由于管道內壁是固定不動的，在壁面上采用無滑移條件，依然采用壁面函數法。文中的管道系統為絕熱系統，不與內流場發生熱交換。

本算例的工況設置為一個大氣壓，垂直方向設置重力加速度-9.81 m／s2。

2 混合相速度對傾斜管內段塞流的影響

以圖1中的水平-傾斜立管系統為對象，根據段塞流各個階段的氣液流動過程，建立其三維瞬態分相理論預測模型。算例分別選取水為液體介質，空氣為氣體介質，組合成四個算例，分別定義為Case1-Case4，具體的物性參數組合工況如表1所示。

表1 物性參數組合工況

2.1 傾斜管段塞流三維結構相圖

以Case1-Case4為例，采用數值模擬方法，對段塞流的形成機理進行歸納和探索。通過三維結構相分布圖3看出：

1）在角度和含氣率一定時，當氣液相通過右端入口進入水平管道之后，隨著速度的增加，氣液兩相流在入口處已完全分層，在水平管段處液面保持不變。氣相 （藍色）在液相 （紅色）上方，氣液兩相間具有明顯的分界面。

2）當混合相折算速度為u＝0.50 m／s和u＝1.00 m／s時，由于傾斜段已形成氣塞，接近拐彎處水平液位緩慢升高。當液面靠近于管道上壁面時，說明液相已經逐漸產生液塞并且開始向傾斜管路內延長，由于實際情況中段塞流中段塞的運動速度較快，難以觀測，在數值模擬中可以清晰地看出氣流吹起的液波高達管頂，阻礙管道流通面積，形成液塞，流型由分層流轉變為段塞流。

3）運動過程中液塞側邊界因受到邊界層的擾動而呈現明顯的波動形態，波動沿著管路法線方向流動，波動的幅度由氣相和液相之間的相對速度和其性質來決定，如密度和表面張力。而尾部由于邊界層液體的返混而收窄。

4）當混合相折算速度為 u＝1.44 m／s和u＝2.00 m／s時，通過相分布云圖可以看出，在傾斜角角度和含氣率一定的情況下，水平-傾斜管內呈現分層流狀態。這是由于在給定的氣液相折算速度下，連續波速低于動力波速，分層流保持穩定。

由上述氣液流動過程的數值模擬可知，對于水平-傾斜立管系統，由于傾斜管中流動方向和理想氣液界面非平行導致氣液相界面不穩定，導致液塞和氣塞的形成，所以液塞或者氣塞的形態主要受流動矢量本身和其與理想氣液界面夾角兩者共同作用的影響。

圖3 三維結構相分布圖

2.2 混合相速度對段塞流特征參數的影響

2.2.1 混合相速度對液塞頻率的影響

多相流混合物在水平-傾斜管路系統內流動時，流體流量和壓力壓差等動力學特征參數隨著流體流動產生波動。多相流混合物流體形態不同，壓力壓差等參數的波動特性也隨之不同，特征參數的波動過程包括了流體流動系統等方面的復雜信號，可以將流量波動做快速傅里葉變換，獲得液塞的波動功率譜密度曲線 （PSD），以對速度對段塞流特征參數的影響進行詳盡的研究。如圖4所示。由圖4看出：

圖4 段塞流液塞頻率的PSD特征

1）在混合氣液相速度u＝0.50 m／s時，液塞頻率在0.7 Hz附近達到峰值，幅值為9.0×10-4kg2／s2。當速度為u＝1.00 m／s時，液塞頻率在1.0 Hz附近達到峰值，幅值為1.65×10-3kg2／s2。在速度為u＝1.44 m／s時，液塞頻率在0.3 Hz附近達到峰值，幅值為1.3×10-2kg2／s2。當速度為u＝2.00 m／s時，液塞頻率在3.0 Hz附近達到峰值，幅值為1.8×10-2kg2／s2。

2）在圖4（a） ～圖4（d）中，液塞頻率隨著混合氣液相速度的增加而增大。這是因為速度增加時，管道內截面持液率增大，液位較高，被氣流吹起的液波可能高達管頂，阻礙管道流通面積，形成液橋，進而更容易發展為液塞。

2.2.2 混合相速度對液塞長度的影響

液塞長度和混合速度之間的關系如圖5所示。

圖5 液塞長度和混合速度之間的關系

由圖5可知：

1）在氣液相混合速度為0.50 m／s時，液塞長度為0.04 cm。在混合速度為1.00 m／s時，液塞長度為0.23 cm。在混合速度為1.44 m／s時，液塞長度為1.75 cm。在混合速度為2.00 m／s時，液塞長度為3.15 cm。可以看出，隨著氣液相混合速度的增大，液塞長度隨之增加。在混合速度較小時，液塞平均長度較小。

2）當混合速度從1.00 m／s增大至1.44 m／s時，液塞長度增大幅度最為明顯。這是由于隨著混合速度增大，氣液界面波動更為劇烈，形成的液塞將前端液膜內的液體卷吸進自身體內，此時液塞的長度增大。由動量守恒定理可得，液塞增長到一定長度后液塞尾端就會有一部分液體脫落至液塞后端的液膜中。

3）隨著液塞在管路中運動，液塞前端卷吸液膜中的液體使長度增大，部分液塞尾端又脫落至后端的液膜中，這樣令液塞的長度保持了動態平衡的狀態。液塞長度與使氣相加速的液體量密切相關。可以得出，混合速度的增大導致液塞長度的增大。

3 結論

流體流型和氣液相界面特性的研究對智慧管道和油田中對段塞流的抑制具有非常重要的指導意義。本文對傾斜管內氣液兩相段塞流進行了模擬，通過模擬多工況下的段塞流的特征，利用模擬中段塞流特征流型出現的過程以及后續液體結構的循環，分析了監測面處速度矢量的變化規律。主要結論有：

1）含氣率和傾斜角度一定時，隨著氣液混合相速度增大，段塞流氣液界面擾動越明顯。

2）隨著氣液相混合速度的增大使得液塞峰值頻率越高，流量震蕩強度增大。

3）根據液塞頻率峰值經過計算得出液塞長度，在含氣率和傾斜角度一定時，液塞長度隨著

混合速度的增大而增大。

基于考慮氣液混合速度對傾斜管內段塞流影響的研究成果，可為后續智慧管道建設提供工程參考，同時智慧管道建設中加強對傾斜管路系統段塞流相關數據的監測，做好短板分析、逐步實現管道智能應用，完善并優化現有管理模式，適應未來智能管道、智慧油田發展需求。