水平漸變管內(nèi)油氣兩相流的數(shù)值模擬

＊王怡菲 潘瓊毅

（沈陽(yáng)航空航天大學(xué) 國(guó)際工程師學(xué)院 遼寧 110136）

從基礎(chǔ)研究以及在流程工業(yè)中的應(yīng)用來(lái)看，對(duì)多相流現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)非常重要。例如，化學(xué)反應(yīng)器、發(fā)電廠和輸油管道，其中多相流行為影響著效率和安全問(wèn)題[1-2]。本文主要針對(duì)氣液兩相流進(jìn)行數(shù)值模擬與分析，由于水具有經(jīng)濟(jì)適用性與安全性，目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于氣液兩相流的文獻(xiàn)仍以空氣/水的實(shí)驗(yàn)為主，油的物理特性與水有較為明顯的區(qū)別，不再適用于水-氣兩相流的物理模型。在油氣運(yùn)輸管道中漸變管道是典型的局部管道部件[3]，相較于等內(nèi)徑直管道，漸變管具有特殊管道結(jié)構(gòu)，由于漸變段存在造成的局部阻力損失。因此，對(duì)水平條件下漸變管內(nèi)油-氣兩相流的特性研究對(duì)降低能耗、優(yōu)化管道結(jié)構(gòu)和保障運(yùn)輸安全具有積極意義。

氣液兩相流流動(dòng)特性的研究一直是國(guó)內(nèi)外學(xué)者重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題，傳統(tǒng)氣液兩相流的研究多通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法[4]，隨著模擬仿真技術(shù)的發(fā)展，F(xiàn)luent作為一種可靠的仿真軟件被用于流動(dòng)阻力管道科學(xué)研究中[5]。L.Szalinski等[6]將水氣兩相流和油氣兩相流在垂直管道中的流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行對(duì)比，得到了氣體體積分?jǐn)?shù)曲線與氣泡尺寸分布。劉文紅和郭烈錦等[7]利用水平條件下的玻璃管對(duì)油氣兩相流進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果顯示理論計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)測(cè)量值吻合良好。李爽等[8]對(duì)上傾管內(nèi)高黏油氣兩相流的流型和壓降特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，驗(yàn)證了OLGA模型和Zhang模型對(duì)于壓降的計(jì)算精度。葉青等[9]對(duì)滑油管道裝置內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)并利用CFX對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行數(shù)值模擬，得到壓力脈動(dòng)隨流量的變化關(guān)系。

本文基于數(shù)值模擬軟件Fluent進(jìn)行漸變管道內(nèi)的油氣兩相流的三維穩(wěn)態(tài)模擬，分析兩相流沿管路的壓降規(guī)律，可為油氣兩相管流的研究提供借鑒。

1.數(shù)學(xué)模型

油氣兩相流在漸擴(kuò)管中的流動(dòng)遵守連續(xù)方程和動(dòng)量守恒方程，流動(dòng)過(guò)程中不會(huì)通過(guò)壁面向外界散失熱量，視為絕熱流動(dòng)，故不考慮能量方程。

(1)控制方程

Mixture模型對(duì)于各相以相同速度運(yùn)動(dòng)的均勻多相流的求解精度較好，其控制方程如下：

連續(xù)方程為：

動(dòng)量方程式為：

由第二相（p）的連續(xù)性方程，可得第二相的體積分?jǐn)?shù)方程為：

湍流模型采用Realizable k-ε模型，該模型在有旋轉(zhuǎn)流動(dòng)、強(qiáng)的逆壓梯度下的邊界層流動(dòng)、分離流、回流以及有復(fù)雜二次流等情況下，均有更好的性能。

湍流方程式為：

(2)計(jì)算條件與求解方法

數(shù)值計(jì)算中，壁面為無(wú)滑移絕熱壁面邊界條件；入口邊界條件設(shè)置為速度入口邊界，大小為3.03m/s；出口邊界條件為壓力出口邊界，取值為大氣壓；選擇標(biāo)準(zhǔn)初始化，其中湍流強(qiáng)度設(shè)為5%；各項(xiàng)殘差均設(shè)為1.0×10-4。選用基于壓力求解器的穩(wěn)態(tài)模擬，求解方法采用SIMPLE壓力速度耦合算法。

文章中所研究的液體介質(zhì)為4010航空潤(rùn)滑油。油箱中的氣體介質(zhì)近似為空氣。流動(dòng)介質(zhì)的物性參數(shù)如表1所示。

表1 研究介質(zhì)的物性參數(shù)

2.幾何模型及網(wǎng)格劃分

二維幾何模型具體尺寸和網(wǎng)格劃分如圖1所示。針對(duì)三維管道立體結(jié)構(gòu)，選用O型網(wǎng)格和六面體結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格進(jìn)行劃分，所有網(wǎng)格單元質(zhì)量均大于0.73，網(wǎng)格總數(shù)為405300。

圖1 幾何結(jié)構(gòu)與網(wǎng)格劃分

3.數(shù)值模擬與分析

本節(jié)利用數(shù)值仿真軟件對(duì)油氣兩相流在變含氣率條件下漸變管道中的流動(dòng)情況進(jìn)行了模擬與分析，為使模擬得到的數(shù)據(jù)更加可靠，在管道中建立了多個(gè)監(jiān)測(cè)面，用來(lái)觀察流體在管道中的真實(shí)流動(dòng)情況，監(jiān)測(cè)面建立如圖2。

圖2 監(jiān)測(cè)面建立示意圖

(1)不同含氣率條件下氣液兩相分布情況分析

①漸擴(kuò)管

圖3為漸擴(kuò)管道的氣相分布云圖。漸擴(kuò)管中在漸擴(kuò)段最先開(kāi)始發(fā)生氣液分離現(xiàn)象，隨著入口含氣率β的增加，氣液分離現(xiàn)象愈加明顯。在β=0.05時(shí)，僅漸擴(kuò)段上壁面出現(xiàn)氣液分離現(xiàn)象，β=0.10開(kāi)始，漸擴(kuò)段四周管壁開(kāi)始出現(xiàn)明顯氣液分離現(xiàn)象，得到入口含氣率的變化對(duì)漸擴(kuò)段處的氣液分離有較大影響。隨著漸擴(kuò)段處聚集氣體增多，由圖4水平漸擴(kuò)管靜壓分布云圖可看出，漸擴(kuò)段處低壓區(qū)范圍隨著入口含氣率的增大而增大，表明逸出的氣體會(huì)導(dǎo)致漸擴(kuò)段處?kù)o壓均值降低。

圖3 水平漸擴(kuò)管內(nèi)氣液兩相分布云圖

圖4 水平漸擴(kuò)管靜壓分布

渦旋是由速度方向改變使得黏性力與慣性力不一致引起的摩擦效應(yīng)揉搓而成，漸擴(kuò)段前尖角處的奇異點(diǎn)正滿足渦旋產(chǎn)生的曲率條件，而渦旋的產(chǎn)生會(huì)導(dǎo)致壓力急劇下降，故在漸擴(kuò)段入口尖角處形成了由于渦旋導(dǎo)致的低壓區(qū)。β=0.05時(shí)該低壓區(qū)位于管道頂部，β=0.10和β=0.15時(shí)位于管道底部，可以發(fā)現(xiàn)低壓區(qū)的存在造成靜壓分布區(qū)軸向方向上的前移，即低壓區(qū)所在的一側(cè)后部靜壓到達(dá)高壓區(qū)的距離更短，可以看出渦旋的存在對(duì)漸擴(kuò)管道內(nèi)的靜壓分布產(chǎn)生影響。

②漸縮管

圖5為漸縮管氣液分布云圖。漸縮管道中氣液分離現(xiàn)象較漸擴(kuò)管道而言不甚明顯，氣液分離現(xiàn)象僅在管道頂部可以看出。流體在流經(jīng)漸縮段時(shí)，管道結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，對(duì)流體流動(dòng)狀態(tài)產(chǎn)生擾動(dòng)，使得氣體在漸縮段入口管道上壁面處聚集，這也是漸縮管道中氣液分離現(xiàn)象最明顯的區(qū)域。由連續(xù)方程可知，受到漸縮段的影響，速度增加靜壓降低，且在漸縮段后尖角處有低壓區(qū)的形成，原因同漸擴(kuò)管一致，不在此贅述。

圖5 水平漸縮管氣液兩相分布

4.總結(jié)

（1）從管道結(jié)構(gòu)方面分析，相較于等內(nèi)徑直管道，水平條件下的漸變管中有特殊的管道結(jié)構(gòu)，由于特殊管道結(jié)構(gòu)的原因使得在漸變段處產(chǎn)生壓強(qiáng)的大幅度變化和氣體的大量逸流，其前后承接直管段中的流動(dòng)狀態(tài)也會(huì)發(fā)生改變，如漸變管存在由于奇異點(diǎn)造成的低壓區(qū)，低壓區(qū)的存在會(huì)導(dǎo)致管道內(nèi)部靜壓分布的前移。

（2）從流動(dòng)阻力與能量損失方面分析，漸變管內(nèi)存在局部阻力和渦旋產(chǎn)生的損失。漸擴(kuò)管具有減速擴(kuò)壓的作用，伴有逆壓梯度產(chǎn)生的阻力，故在實(shí)際應(yīng)用中除特殊需要外應(yīng)盡量避免使用漸擴(kuò)管。受到速度改變與曲率的影響，漸變段處形成渦旋，渦旋的產(chǎn)生會(huì)導(dǎo)致壓力急劇下降，引起能量損失。