節流對立管內流型及壓降變化影響的數值研究

楊 洋

（中海油能源發展裝備技術有限公司設計研發中心，天津 300452）

海底管道作為“海洋油氣生命線”，其運行狀態直接關乎著整個深海油氣系統的安全運行。Yocum[1]最早發現嚴重段塞流是存在于集輸-立管系統中的一種有害流型，嚴重段塞流形成時，直接影響海管系統的平穩運行，所以消除嚴重段塞流的危害是降低海管運行風險的關鍵。

國內外眾多學者通過實驗對嚴重段塞流的消除方法進行了深入研究，Schmidt[3]等最早提出了采用立管頂部節流方法增加系統背壓來抑制和消除嚴重段塞流；Jansen等提出氣舉法來減緩或消除嚴重段塞流，足夠多的注氣量也可以使立管中流型轉變為環狀流；本文采用數值模擬技術，針對立管嚴重段塞流的節流控制進行三維數值模擬，研究了不同節流度對段塞流流型及壓降變化規律的影響。分析入口流速和出口壓力對段塞流流型變化的影響。所得成果可為實驗及理論研究提供一定的指導。

1 模型的建立

1.1 物理模型

本文采用氣水兩相作為研究對象，立管內徑26mm，節流下端管長1 000mm，節流上端管長500mm；節流段內徑12mm，長40mm，結構化網格單元劃分：2，305，800，計算步長0.01s，整個三維計算模型采用結構化網格進行單元劃分。

1.2 數學模型

采用CLSVOF耦合算法來求解氣水兩相流動問題。CLSVOF算法是Level Set方法與VOF方法的一種耦合算法，在求解表面張力為主導的問題上，能夠得到更精確的相界面曲率值，可有效提高計算精度。氣水兩相流動控制方程如下：

2 數值模擬及結果分析

Schmidt（1980），Taitel（1986），王鑫（2006）等 國內外學者研究表明，嚴重段塞流常發生于氣液流速相對較低的集輸-立管中，完整的嚴重段塞流包括液塞生長、液體流出、進入立管、噴發與回落四個階段，為了分析節流部件對嚴重段塞流及立管壓力分布規律的影響，計算初期，節流部件內充滿水，再以空氣速度為0.5m/s進入研究對象，使其在立管底部形成彈狀氣柱（段塞氣柱），用來模擬嚴重段塞流發生時，立管頂端液體流出和大氣泡進入立管底端階段，通入空氣0.5s后管道內氣液兩相分布云圖如圖2所示。

如圖1所示，當通入空氣0.5s，立管管道底端已經形成了長度約0.25m的段塞氣柱，模擬大氣泡進入立管底端形成段塞氣柱，0.5s后，立管底部入口開始注入水相，節流部件下端形成氣液段塞間歇式流動，不同時刻，立管與節流部件管內氣液兩相三維空間分布流型顯示，當段塞氣泡前端運移到節流部件時，在壓力快速變化的擾動下，大團氣泡逐漸開始破裂，部分小氣泡在通過節流部件后，又開始重新聚并，形成泡狀流。從計算的結果來看，節流部件可減小甚至消除嚴重段塞流與之產生的危害，但是節流度的設置及節流級數還需要根據實際工況進行優化。

圖1 管道內氣水兩相分布圖（混相、剖面）

圖2給出了段塞流發生前，管內液相流動壓降曲線。通過曲線可知：當液相流體流經節流部件時，由于阻力突然增大，流速加快，壓力降低，節流前后出現負壓，形成空化。圖3給出了段塞流運移過程，不同時刻立管軸向壓降的變化曲線。由圖3不難看出，氣塞在流經節流部件前，氣塞段壓力較高，且隨著氣塞不斷前移，高壓端也隨之前移，這也是段塞流危害的主要表現，當氣塞流經節流部件時，由于流道突然變窄，氣速過快，壓力迅速降低，且波及范圍較廣，此時節流前端整個管段均處于負壓區。

圖2 不同時刻管道軸向壓降曲線

圖3 不同時刻管道軸向壓降曲線

3 段塞流影響因素分析

3.1 節流度

表1-2給出了不同節流孔徑在不同位置的壓力變化，從計算數據可知，隨著節流孔徑的減小，節流部件前節點壓力升高，不同位置壓降差值增大，最終出口壓力降到0。由此可見，增加節流部件，在不同節流孔徑的作用下，會提高管內背壓，抑制氣團向上運動，節流孔徑越小，背壓越大，氣團上升的速度越慢。

表1 節流孔徑12mm不同位置的壓力變化

表2 節流孔徑10mm不同位置的壓力變化

由表1-2可知，不同節流孔徑在不同位置的壓力波動規律一致，隨著節流孔徑的減小，介質通過節流孔徑的阻力增加，節流部件入口處壓力急速下降，通過節流部件的流速增加，導致氣團以彌散小氣泡的形式通過節流孔徑，形成穩定的泡狀流，這樣的泡狀流在管道內并非均勻分布，氣泡長度減小，消除了嚴重段塞流現象。

3.2 出口壓力

表3-4給出了節流口徑10mm，不同出口壓力條件下的管內不同位置的壓力變化。從計算的數據發現，隨著出口壓力的提高，整個管道壓力均升高。從不同位置的壓力與出口壓力的差值看出，在節流孔徑不變的情況下，隨著出口壓力的升高，節流部件前端管內不同位置的相對壓力基本相同，這符合不可壓縮流體的基本特性。當氣塞流經節流部件時（120s），壓力隨之變化，整體表現為節流前端，隨著出口壓力的升高，管內不同位置的壓力隨之增大，節流后端，隨著出口壓力的升高，管內壓力隨之降低。

表3 出口總壓力0Pa不同位置的壓力變化

表4 出口總壓力0.2MPa不同位置的壓力變化

圖4給出了不同出口壓力條件下的管內氣泡運行規律及流型變化，對于低壓系統來說氣相可認為不可壓縮，從得到的氣相分布云圖來看，相同孔徑不同出口壓力，節流前端氣相分布規律基本相同，受系統壓力的影響較小。

圖4 不同出口壓力不同時刻管內流型圖

4 結論及建議

本文采用FLUENT軟件建立立管節流部件模型，對氣團進入純液立管發生嚴重段塞流進行模擬：

1）節流部件可以減緩或消除立管嚴重段塞流，將嚴重段塞流轉變為泡狀流，且節流孔徑越小，阻力越大，氣團上升的速率越慢，節流前端整個管段均處于負壓區。

2）同一孔徑不同出口壓力條件下，節流前端氣相分布規律基本相同，受系統壓力的影響較小，對立管內流型轉變影響較小。

3）位于立管旁通處安裝多級節流部件或單多級節流部件+閥門操作，對嚴重段塞流的抑制和消除效果有待進一步研究。

4）考慮節流部件截面結構、管道長度，油氣水三相介質等更多因素，將三維數值模擬簡化二維，提高計算速率，增加進出口條件工況點，進一步研究對集輸管線壓降的影響規律。