基于計算流體力學的90° 彎管氣液兩相流數值模擬及流型演化

氣液兩相流在化學工程、核能工程、低溫工程及油氣輸送工程等領域廣泛存在，在實際工程應用中，管道輸送一般具有不同方向的流動通道，需要通過彎管來改變氣液兩相流流動方向，其中90° 彎管應用最為廣泛.與單相流相比，兩相流在氣相上引入了液體浮力，流過90° 彎管時，在重力、離心力和浮力的綜合作用下會產生復雜的流動特性，如逆轉流、溢流及二次流等現象，對于管道完整性造成潛在威脅.

有研究表明采用針對性護理能夠有效的提高患兒的治療效果,改善其臨床癥狀。其通過對患兒進行心理護理,緩解不良情緒的發生;消毒隔離護理,為患兒提供一個良好的治療環境;病情觀察,時刻關注患兒病情的發展,預防不良情況的發生;飲食指導,指導患兒健康飲食,加快患兒的恢復速度;臀部護理,指導其家屬做好相應的清潔工作,避免并發癥的發生。本研究分析護理干預對小兒秋季腹瀉治療及預后的影響,結果顯示,觀察組治療總有效率明顯高于對照組,且止吐時間、止瀉時間以及退熱時間均短于對照組(P<0.05)。

目前，氣液兩相流流經 90° 彎管的研究主要采用試驗及數值模擬，Kim等研究了90° 和45° 彎管對于氣液兩相流局部參數及輸運特性的影響，結果表明，彎管的存在可以導致氣泡破裂，進而改變截面含氣率的變化，研究主要為豎直管內的單一泡狀流型.Saidj等通過電導探針方法測量了彎管處的截面含氣率變化，表明通過彎頭后截面空隙率有所增加.Vieira等通過相關試驗研究了90° 彎管對于水平管內分層流及環狀流的影響，結果表明，經過彎頭后，氣液相位分布及截面速度發生顯著變化.Yadav等采用傳感器監測流經彎管的空隙率分布，開發了耗散長度模型來量化彎管影響區域的長度.Liu等針對氣液兩相流流經彎管開展了相關試驗，結果表明，氣液兩相流通過 90° 彎管會產生一定的脈沖力，彎管可以抑制離心力的高頻波動分量.綜上所述，目前的研究成果主要集中于 90° 彎管處的流動特性，而沒有綜合考慮氣液兩相流通過彎管后的流型發展特性，并且相關研究主要集中于單一流型，但是在實際工程應用中，含氣率的差異會導致在豎直上升管內形成泡狀流、段塞流、攪動流及環狀流等不同氣液兩相流型.不同氣液兩相流型流經 90° 彎管是一個復雜多變的過程，因此需要考慮更大范圍的氣液混合速度，可以包括豎直管內不同氣液兩相流型，探究彎管對于不同氣液兩相流型的影響.

為補充目前研究內容的空缺，本文以豎直上升 90° 彎管為研究對象，基于Fluent軟件，分別采用流體體積(VOF)多相流模型以及Realizable-湍流模型進行數值模擬，針對豎直上升管內特定氣液兩相流流型，對比實驗結果，驗證了數值模型的有效性.利用計算流體力學(CFD)數值模型進行大范圍氣液混合入口速度的數值模擬，重點探究 90° 彎管對于不同氣液兩相流流型演化、壓力分布、速度分布以及截面含氣率的影響規律.研究 90° 彎管對流動特性影響的數值模擬方法以及流動特性演化，對后續流固耦合研究及工程設計等具有一定參考意義.

1 數值模型

1.1 控制方程

VOF模型通過求解單一的動量方程并跟蹤區域內單相流體的體積分數來模擬兩種或兩種以上的非混溶流體，能精確地追蹤氣液相界面的運動變化.在本文研究中，不考慮氣液間相變傳遞過程，其控制方程如下.

式中：、為各坐標分量；為黏性系數分量；為湍流黏性系數；和分別為湍動能()和耗散率()的湍流普朗特數；為速度梯度引起的湍流動能項；為由浮力引起的湍流動能項；為脈動擴張項；和為自定義源項.湍流模型常數定義如下：

總是，高中物理在整個高中階段是十分重要的，但是其中涉及到的知識比較抽閑且難以理解，需要學生不斷通過進行問題的解決來鞏固知識并且在知識鞏固的過程中提升自身的解題能力.

(1)

式中：為第相流體的體積分數；為第相的密度；為時間；為第相的速度.

尾礦在資源特征上與傳統的建筑材料基本相近,主要化學成分為硅、鋁、鈣和鎂氧化物，還有少量堿金屬、鈦、鐵、硫氧化物，因此可以考慮進行整體利用。尾礦用作傳統建筑材料，如水泥、混凝土砂石料、免燒磚、空心磚和加氣砌塊等，其市場需求量巨大，是尾礦的減量化、規模化消納的主要手段。

(2)

動量方程:

(3)

式中：為體積加權平均密度;為混合速度；為壓力；為體積加權平均黏度；為重力加速度；為表面張力.

=+

(4)

=+

(5)

根據青秀山景區的旅游廁所現狀，提出適用于旅游景區旅游廁所優化的相關建議。首先，提高廁所設計的科學性，考察景區內部景點交通情況，合理設置旅游廁所的位置，做到間距合適，廁所建筑一目了然，滿足游客的如廁需求；然后，提升旅游廁所的服務能力，從以人為本的角度出發，加強廁所文明宣傳教育、衛生和管理工作，提升服務質量；最后，重視旅游廁所在建設管理方面的創新工作，推動管理經驗和先進技術的交流與推廣。

采用連續表面力(CSF)模型模擬氣液相界面表面張力，并且將表面張力視為源項添加至式 (3) 中，有

式中：、分別為液相、氣相體積分數；、分別為液相、氣相密度；、分別為液相、氣相黏度.

(6)

(7)

式中：為表面張力系數；為表面曲率；為界面處的表面法向量；為單位法向量.

Realizable-模型由湍流動能方程(方程)和湍流耗散率方程(方程)組成，在計算過程中保持雷諾應力與真實湍流一致，在含有二次流的復雜流動計算中具有一定優勢，輸運方程如下：

+--+

(8)

(9)

連續性方程：

=045,1=144,=19,

=10,=12

1.2 物理模型及網格劃分

本文主要研究豎直上升 90° 彎管對于氣液兩相流流動演化特性的影響，物理模型取自于文獻[10].物理模型包括 90° 彎管、豎直上升管段及水平管段，垂直上升管段長2.5 m，水平管段長4.5 m，直管段內徑0.0525 m，彎管半徑為 0.076 2 m，如圖1所示.氣相采用空氣，液相采用水，模擬溫度為20 ℃，操作壓力為 101 325 Pa，水和空氣的物理參數如表1所示.

在CFD數值仿真中，網格質量、網格樣式及網格數量決定數值仿真的精度，相關研究表明結構化網格更適合兩相流數值模擬，因此采用ICEM軟件對計算區域進行O型網格劃分，并且對管道壁面網格進行加密處理，生成的計算網格如圖1所示.

為了進一步定量分析氣液兩相流流型的演化特性，分別在垂直管段和水平管段設置截面1與截面2，監測截面平均含氣率的演化特性，如圖6所示.對于泡狀流流型，經過彎管后，受氣液兩相流流型轉化影響，截面含氣率減小并且出現周期性波動，這是由于在水平管內，液相受重力作用分布于管壁下端，氣相在管壁上端不斷拉長，導致截面含氣率減小.對于段塞流，流過彎管后，在水平管內存在段塞流型的過渡，所以截面含氣率仍然存在一定的周期性波動，并且在水平管內，截面含氣率的周期變長、數值變化較小.對于攪動流和環狀流，由于氣體含量較高，流動型態較為穩定， 90° 彎管對于流型演化影響較小，但是在重力和液體浮力的作用下導致氣液分層，截面含氣率略有減小.

在數值模擬中，入口采用氣相混合速度入口邊界條件，出口采用壓力出口邊界條件，壁面采用無滑移壁面邊界條件，采用PISO算法進行非穩態離散求解，壓力采用PRESTO格式.動量方程、雷諾應力方程及能量方程均采用二階迎風格式，容積比方程采用Geo-Reconstruct格式，管道入口速度邊界條件的數學表達如下：

為了進一步驗證4 min還原得到的還原氧化石墨烯的循環穩定性，對該材料在1 A·g-1電流密度下進行了10 000次的長循環恒流充放電測試(圖5)。如圖， 10 000次循環后，容量保持率高達94%，且庫倫效率約為98%，這充分說明僅需遠紅外光波處理氧化石墨烯4 min，得到的還原氧化石墨烯電極就有優異的循環壽命，適合用作超級電容器的電極材料[26]。

(10)

式中：為氣相折算速度；為液相折算速度；,g為氣相體積流量；,l為液相體積流量；為管道截面積.

2 數值模型驗證

2.1 網格無關性驗證

總而言之，寫作是一項綜合技能，離不開遣詞造句、謀篇布局，每個環節都很重要。英語寫作能力的提高也不可能一蹴而就，是一個長期積累、逐步提高的過程，需要平時大量的練習。只要我們循序漸進、持之以恒，我們的英語寫作水平就一定會不斷提高。

2.2 模型驗證

利用Saidj等的流型實驗結果驗證CFD模型的有效性，數值模擬的邊界條件參考實驗設置.圖3所示為實驗與數值模擬的流型對比圖，圖中α為氣相(空氣)體積分數，當混合相中含氣量較低時，氣相在液相中以小而分散的氣泡分布，管道中心氣泡分布較多，為泡狀流流型.當較小的氣泡連接在一起，氣體塞在管道中形成，細長氣泡的直徑小于管道的直徑，并且占據了管道的中心部分，此時為段塞流.當細長氣泡開始坍塌并形成不穩定流動，此時為攪拌流.因此，文中選用的CFD模型可以明確區分豎直上升管內的不同氣液兩相流流型，并且與實驗結果相吻合.

為了進一步定量分析CFD模型的有效性，將數值模擬得到的截面空隙率與文獻[10]中的實驗數據進行對比，如圖4所示，圖中為界面空隙率均值.由圖4(a)可知，截面空隙率的波動特性與實驗結果基本一致.將不同氣液流流型下的空隙率的波動曲線進行均值化，氣泡流、段塞流、攪拌流及環狀流的平均空隙率分別為 0.128 2、0.426 5、0.834 2 及 0.895 32，實驗測量均值分別為0.134、0.427、0.823及0.86，如圖4(b)所示，仿真結果均在誤差范圍內.通過定性分析與定量分析相結合，進一步驗證了本文CFD數值模型的可行性.

各相體積分數在VOF中滿足:

3 結果與討論

3.1 流型演化特性

圖5所示為 90° 彎管對于不同氣液兩相流流型演化特性的影響規律.對于泡狀流，流過彎管后氣泡在液相浮力的作用下不斷向管壁上端移動，液相占據管壁下端.由于氣相速度較低，在液相附帶作用下，小氣泡管壁上端形成細長的氣泡段塞，隨著流動充分發展，在水平管內演變成特殊的細長段塞流.豎直上升管內的氣體段塞通過 90° 彎管后沒有出現明顯的結構破裂，進入水平管后，在液體浮力作用下氣體段塞上移，導致水平管內存在短暫的段塞流型的過渡.隨著流動充分發展，在水平管內部發展成為分層-波浪流.攪動流與環狀流中含氣率較高，豎直上升管內的氣柱在經過 90° 彎管后，在液相浮力和重力的作用下氣體逐漸向管壁上端移動，而少量液體集中于管壁下端，最終在水平管道演化成為以氣相為主的分層-波浪流.

溝通上的障礙，往往會給工作開展帶來不必要的麻煩。通過學習哈佛管理課程，我對如何進行有效的溝通有了更加深刻的認識。下面是我的一個案例，案例中的我沒有進行有效溝通，給自己帶來了不小的麻煩。

在相同工況條件下，選取網格總數分別為553 328 (網格1)、668 008 (網格2)和 782 688 (網格3)的3種網格進行網格無關性驗證.圖2(a)顯示了3種網格在水平管道上游=0.5 m處的混合速度()分布(為截面中軸線)，對于網格2和網格3，截面軸線處的速度分布逐漸吻合.圖2(b) 為網格數量對截面空隙率的影響，并且與文獻[10]中的實驗結果進行了對比.從圖中可以看出，基于截面空隙率時間曲線的網格獨立性驗證具有一定的挑戰性.因此，將截面空隙率的波動根據標準差及均值進行量化，如表2所示.網格2的標準差和均值與實驗數據更吻合.因此，根據速度分布以及空隙率的標準差和均值，將數量為 668 008 的網格視為網格無關， 用于后續的數值模擬.

3.2 壓力分布特性

圖7所示為不同氣液兩相流流型下截面壓力分布圖(包括截面和截面)，圖中為內徑.對于泡狀流，由于入口混合速度較低，受彎管離心力作用較小，在彎管段壓力分布均勻.流經彎管后，水平管內不同截面處絕對壓力呈規則分布，管壁下端壓力較高.對于段塞流來說，流體在離心力作用下被甩到曲率半徑較大的外側壁面，導致內側壓力較小而外側壓力值較大.隨著流動充分發展，最大壓力分布于管壁下端.對于攪拌流和環狀流，由于入口混合速度較大，流經彎管段時，受離心力作用更加明顯，外側壁面壓力明顯大于內側壁面壓力.流出彎管后，壓力呈現不規則分布，隨著流動充分發展，最大壓力位于管道下端.因此，隨著氣液兩相流入口速度的增加，受離心力的作用更加明顯，彎管外壁面所受的壓力越大.同時，氣相的引入增加了管道內部壓力分布的不規則性.

圖8所示為 90° 彎管內不同氣液兩相流工況下的軸線總壓()分布，其中橫坐標表示沿垂直管段與水平管段的軸線位置.泡狀流與段塞流具有相同的變化趨勢，這是由于較大的液體流量會產生較大的摩擦壓力損失， 所以在豎直上升管段壓力下降趨勢明顯.進入水平管后，由于水平管內只有摩擦壓降，而在豎直上升管內同時受到摩擦壓降和流體靜壓頭的作用，所以水平管段壓力變化趨于平緩.對于高含氣率的攪拌流與環狀流，沿軸線壓力變化梯度較小.因此，在氣液兩相流流動中壓降損失主要由液相含量決定.

3.3 速度分布特性

當氣液兩相流通過彎管段時，在離心力、浮升力及重力的作用下，壓力分布與流速發生急劇變化，以彎管出口截面為研究對象，截面上壓力分布與流速′(切向速度)如圖9所示.壓差是驅動二次流形成的主要原因，對于泡狀流來說，彎管出口截面壓力呈現上下對稱分布，在壓差的作用下出現對稱的一對旋渦，標志著二次流的形成.對于段塞流型，由于彎管出口截面壓力分布，導致流體由高壓區向低壓區流動，呈現單一旋渦，此時沒有形成明顯的二次流現象.對于攪拌流與環狀流，由于氣相速度較高，彎管出口截面壓力分布沒有明顯的規律，但是在壓差的作用下，會形成無規則的二次流現象，并且強度更大.因此，氣相的加入使得流過彎管的二次流現象更為復雜.

圖10所示為環狀流型下切向速度沿水平管的演化特性.由圖可知，在彎管出口處為雙峰分布，隨著流動的進行，雙峰逐漸耗散，在沿軸方向的長度為24處，渦量的影響基本消失.因此可以通過切向速度的分布演化表示二次流強度的大小，耗散所需時間越長代表二次流的強度越大.

（2）為滿足市場的各種需求，現代機械制造工藝不斷創新尋求各種降低成本、提高效率的工藝，在激烈的市場競爭中，唯有抓住市場這個大機遇，才能取得更大效益。

4 結論

以 90° 豎直上升彎管為研究對象，采用CFD方法針對豎直管內不同氣液兩相流流型通過 90° 彎管后的流動演化特性進行數值模擬，得到不同氣液兩相流流型通過彎管后的流型轉換規律、壓力分布、速度分布及截面含氣率等流動演化特性，主要結論如下：

墾區集團化、農場企業化改革進一步深化。16個整建制轉為省級農墾集團的墾區加大直屬企業和資源資產整合重組力度，共組建二級公司700余家，以資本為紐帶的母子公司管理體制和現代企業制度更加完善。全國農墾有450多家國有農場基本完成公司化改造。國有農場歸屬市縣管理的墾區積極爭取地方政府支持，努力整合區域內各類國有資源資產，壯大國有農業經濟實力，共組建區域集團公司55家、專業化農業產業公司202家，比上年末分別增加23家、95家。

(1) 基于VOF模型和Realizable-湍流模型的CFD數值模型可明確區分豎直上升管內氣液兩相流中的泡狀流、段塞流及攪動流等流型，并且與實驗結果相吻合.

(2) 不同氣液兩相流流型通過 90° 彎管后會產生不同程度的二次流現象，在彎管出口處切向速度呈現雙峰分布，隨著流動發展最終耗散成為單峰分布.通過切向速度的耗散時間可以定性判斷二次流的強度.氣液兩相流通過彎管時，由于離心力的作用，彎管外壁所受面壓力高于內壁面，并且隨入口混合速度的增加，外壁面所受壓力逐漸增加.

(3) 泡狀流通過 90° 彎管后在水平管內演化成為細長段塞流，截面含氣率減小并且呈現周期性波動.段塞流通過彎管后在水平管內存在段塞流流型的過渡，最終演化成為分層-波浪流，截面含氣率整體變化較小.攪動流及環狀流由于含氣率較高，彎管對于流型的影響較小，流經彎管后演化成為氣相為主的分層-波浪流.通過全面的氣液兩相流流型演化特性研究，為豎直上升 90° 彎管氣液兩相流誘導應力預測提供必要的理論依據和計算參數.