氣液兩相管道清管液塞頭形狀數值模擬與實驗

（中國石油大學（北京）城市油氣輸配技術北京市重點實驗室，油氣管道輸送安全國家工程實驗室，北京102249）

氣液兩相管道清管液塞頭形狀數值模擬與實驗

李立婉, 萬宇飛

（中國石油大學（北京）城市油氣輸配技術北京市重點實驗室，油氣管道輸送安全國家工程實驗室，北京102249）

使用CFX軟件對清管過程液塞頭進行數值模擬，水和氣體作為連續相，采用VOF方法計算及歐拉-歐拉類方法中的均相模型。模擬了管道中無液膜，以及不同厚度、不同流速液膜兩種情況。并將CFX軟件模擬結果與清管實驗結果，文獻中的實驗結果進行對比分析，模擬結果與實驗結果和文獻中的數據吻合較好。清管液塞頭部的形狀呈拋物線，管道中的液膜能夠顯著減小清管液塞的長度。

兩相流動；清管實驗；CFX模擬；液塞頭長度

在氣液兩相管道中，清管作業可以清除管道中的積液，提高管道輸送能力，保障管道的流動安全。國內外學者對氣液兩相管道中的清管過程進行了大量的實驗與理論研究，但在研究中并未考慮清管液塞頭的形狀，液塞頭的形狀會影響清管液塞的長度以及阻力，因此有必要對其進行研究。本研究使用CFD軟件建立清管模型,對不同入口液速下的流動過程進行模擬,分析清管過程，根據持液率隨時間的變化情況得到清管液塞頭長度,并通過清管實驗對軟件模擬結果進行驗證，對清管模擬的理論完善、清管過程實驗分析以及現場清管操作指導具有較大意義。

1 CFD模擬

1.1 數值方法

假定實驗中的水和氣體都是連續相，采用歐拉-歐拉類方法中的均相模型進行計算，即兩相間無質量傳輸和動量傳輸。湍流模型采用標準k-ε模型。

1.2 建模與網格劃分

利用UG軟件進行建模，模型結構為直徑50 mm，長10 m的三維管道。采用非結構網格，用軟件ICEM進行網格劃分。

1.3 設置物性參數

域內流體為兩相流，分別為水和25 ℃時的空氣，標定了兩種物質都為具有常數物理屬性的物質，熱力學屬性及傳輸屬性中的相關參數均設定為CFX12.1系統默認值。

1.4 設置邊界條件

（1）入口設為速度進口，來流速度方向與進口邊垂直；入口湍流取值為中等湍流密度（5%）。

（2）出口條件設定為平均靜態壓強，取值為0 Pa。

（3）采用無滑移壁面，以壁面函數法確定固壁附近流動。

1.5 設置初始條件

使用笛卡爾坐標系進行初始條件的設定，通過U,V,W方向加速度值的確定來定義管道傾斜度。初始分兩種情況，一種為空管進水，定義初始空氣體積分數為1，水體積分數為0；另一種為初始管內有液膜情形，使用CCL語言定義液膜厚度。

2 清管實驗

本實驗環路為水平氣-水兩相實驗環路（圖1），包含實驗管段以及配套的供水、供氣以及回水管線與設備。實驗管段為長22 m，內徑為50 mm的有機玻璃管。檢測管段采用透明有機玻璃管，可以清晰的觀察清管過程中管道內的流動。在檢測段安裝有7部紅外線檢測裝置，能夠檢測出液塞頭到達以及液體充滿管段的時刻。紅外檢測裝置將管道分成6個檢測段，根據液塞通過兩個檢測器的時間差Δt以及檢測器之間的距離ΔL可以計算出液塞的速度v=ΔL/Δt。根據清管液塞通過一個檢測器的t以及速度v可以計算出液塞的長度L=v×t。采樣頻率為200 Hz。檢測信號通過數據采集板卡在計算機上顯示、存儲。并在沿線布置3臺攝像機，實時拍攝、記錄管道中的流動情況，拍攝速度為30幀/s。實驗分為兩類，有液膜與無液膜實驗，有液膜即為在開泵向管道中充水之前，管道底部有一層液膜，無液膜即管道為空管（管道底部目測無液體）。實驗中液體速度共7組，分別為0.3、0.5、0.7、0.9、1.1、1.3、1.5 m/s，進行了一系列液膜高度下的實驗。在實驗中檢測了液塞頭的速度，長度以及管道中的液位。

在實驗中液塞頭的速度基本保持穩定，在管道各處的平均速度基本保持不變，液塞頭的長度在管道各處基本相同。無液膜時，受實驗條件的限制，液速最大為1.5 m/s，在有液膜存在時，由于液膜占據了一部分管道截面積，故液塞頭的速度范圍較大，最大可以接近3.0 m/s。在管道中有無液膜時，液塞頭長度的變化趨勢有較大的不同，在液塞頭速度相同時，無液膜情況下液塞頭長度大于有液膜的情況，這主要是由于管道中的液膜對液塞頭的增長有阻礙作用。在管道中無液膜存在時，在速度較小時，液塞頭速度較長，但是隨著液速的增長，液塞頭長度迅速下降。不同液速以及液膜高度下的實驗結果見圖2。在液速為0.3 m/s時，液塞頭長度約為400 d，液速增加到0.5 m/s時，長度迅速下降到大約138 d。在管道中有液膜時，在液塞頭的速度為0.44 m/s時，液塞頭長度大約為108 d，在速度增加到1.0 m/s以上時，液塞頭長度基本在1～2 D之間。液塞頭長度主要受液塞頭速度的影響，液膜高度影響不大。

圖2 實驗液塞頭長度Fig.2 Liquid slug head length

3 模擬與實驗結果對比分析

3.1 模擬計算結果及分析

在模擬中，輸出了不同計算條件下管道截面上的平均持液率，根據持液率的變化可以分析液體充滿管道截面的過程。圖3為液速1.5 m/s時管沿線的截面持液率，從圖中可以看出，在靠近管道的入口處，持液率曲線變化較快，在靠近管道出口處，最終持液率未達到1。這是由于在靠近管道入口與出口處，管道中的流動不穩定。在管道4、5、6 m處流動基本達到穩定，三處的截面持液率變化趨勢基本相同，因此選用這三個位置處的截面持液率數據分析管道中的液塞頭長度。

圖3 1.5 m/s速度下管道沿線截面持液率Fig.3 Liquid holdup of cross section along pipeline

在3個位置，液塞速度達到穩定的1.5 m/s，與管道入口流速相同。根據持液率的變化可以計算出液塞長度，無液膜情況下的計算結果見圖4，在液體速度較小時，液塞頭長度較長，隨著液體速度的增長，液塞頭長度迅速下降，且長度隨速度的變化趨于平緩。在液速為0.5 m/s時，液塞頭長度為104 D，而在液速增加到0.7 m/s時，液塞頭長度為104 D，液塞頭長度銳減為62 d，而在液速為2 m/s以及2.5 m/s時，液塞頭長度變化不大，在20 D左右。

圖4 液塞長度模擬結果Fig.4 Simulation results of liquid slug length

圖5 管道中無液膜時模擬結果Fig.5 simulation results without liquid membrane

3.2 水平管道無液膜結果對比

為驗證模擬結果的正確性，將模擬結果與實驗結果進行了對比分析。從圖5中可以看出，CFX模擬結果與實驗結果變化趨勢相同。在液速較小時，模擬的結果偏小，在液速為0.9、1.1、1.3、1.5 m/s四個液速下，模擬結果與實驗結果基本相同。受實驗條件的限制，實驗中最大液速為1.5 m/s，對更高的速度，采用文獻中的實驗數據對比。經過對比可以發現，模擬結果與實驗結果吻合較好，CFX能夠較好的反映管道中的流動情況。

3.3 傾斜管道無液膜結果對比

在實際的管道中，很多時候管道中存在一定的傾角，為此在水平管道的模擬基礎上進行了兩種傾角下的液塞頭分析。使用CFX模擬了傾角為-2°，+2°兩種情況下液塞頭的長度，由于本實驗環路無法進行傾斜管路的實驗，因此對實驗結果與文獻中的實驗數據進行了對比。兩組結果之間的對比見圖6。兩種傾角下模擬得到的結果與實驗數據變化趨勢相同，隨著液速的增加，液塞頭長度變短，兩個傾角下液塞頭長度的差異增大。在液速較小時，模擬的結果與實驗結果接近，但在液速較大時，模擬得到的結果偏大。原因可能是模擬中管道的特性比較理想，與實際管道之間有一定的差異，隨著液速的增加，差異逐漸增大。

圖6 管道中無液膜時模擬結果Fig.6 the results in simulation compared with it of the literature with different inclination

圖7 液位高度10 mm時沿線持液率Fig.7 Liquid holdup along pipeline with liquid level of 10 mm

3.4 水平管有液膜結果對比

在實際的氣液兩相管道中均有液膜存在，為此使用CFX軟件模擬了管道中有液膜存在的情況。模擬了管道中液位高度為10，20 mm兩種情況下液塞頭的情況，并模擬分析了液膜速度為0、0.5、1.0 m/s時液塞頭的特點。

3.4.1 液膜速度為0液塞頭運動情況

模擬了10 m管道，管道中的液位高度為10 mm，入口流速為1.5 m/s下管道中流動情況。從圖7中可以看出，在管道中不同截面處，管道中持液率變化趨勢基本相同。在管道中第5 m處截面上的持液率來說明問題。從圖8可以看出，在管道中的液位高度為20 mm時，管道中開始充水時，管道沿線持液率開始變化較大，這是由于液體的進入導致流動的不穩定，使液位產生波動。在實驗觀察也發現，僅在液塞頭到達時管液位有輕微的波動。在管道中液位高度為10 mm時，變化較小。

圖8 5 m處截面不同液位高度下持液率變化對比Fig.8 The liquid holdup change with different liquid level in section of 5 m

圖9 液膜速度0.5 m/s時管道沿線持液率Fig.9 Liquid holdup along pipeline with speed of liquid film of 1.5 m/s

圖10 管道中6 m處不同速度下持液率變化Fig.10 The liquid holdup change with different velocity in section of 6 m

3.4.2 不同液膜初始速度下液塞頭運動情況

模擬了管道中液位高度為20 mm，液膜初始速度為0.5、1.0 m/s兩種情況下液塞頭的運動情況。在液膜初始速度為0.5 m/s時，不同截面上持液率的變化見圖9。在液體進入管道后，管道中截面持液率發生產生波動，這是由于流動中氣液界面上有擾動。在持液率達到較高的值以后，持液率下降，然后上升逐漸穩定。不同速度下管道6 m處持液率的變化情況見圖10, 液膜速度0.5 m/s與1 m/s的情況基本相同。1 m/s時持液率增長速度更快，這是由于液膜速度較快時，液膜對管道中充入液體的阻力較小，故液塞頭液塞頭速度較快。通過模擬結果發現，管道中液膜速度對液塞頭長度影響不大。

4 結 論

CFX水平管道計算模型得到的結果與實驗值非常接近，但是在管道有傾角時得到的結果有一定的偏差。CFX模型對管道的邊界條件要求較高。CFX在管流模擬中對網格以及所設置參數要求較高，改變模擬的參數可能會導致最終的結果出現問題，因此在使用CFX模擬時，除對CFX建立的模型進行詳細的理論分析以外，還需要根據實驗數據進行修正。CFX方法能夠在短時間內得到多種工況下的計算結果，能夠彌補環道實驗受外界影響因素較多且管徑以及傾角難以改變的缺陷。實驗與CFX模擬結合能夠較迅速的得到大量正確的結果。由于目前的液塞頭還僅在水平管路上進行，還需要對不同傾角以及液速下的清管液塞頭進行分析，以完善對不同地形下清管液塞頭形狀的分析，并增強對管道中有液膜情況下清管液塞頭的分析。

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Numerical Simulation and Experiment of Pigging Liquid Slug Head Shape in Gas-liquid Two-phase Pipeline

LI Li-wan, WAN Yu-fei
（National Engineering Laboratory for Pipeline Safety，Beijing Key Laboratory of Urban Oil and Gas Distribution Technology，China University of Petroleum, Beijing 102249）

Based on the software of CFX, numerical simulation on liquid slug head in pigging progress was conducted with VOF method and homogeneous model in Euler-Euler method. Water and gas were seen as the continuous phase. Two cases of no liquid membrane and liquid membrane with different thickness and velocity were simulated. And the simulation result, pigging experimental result and result in literature were compared and analyzed. The results show that the simulation result can be identical to experimental result and result in literature well; Pigging liquid slug head is like parabolic shape; Liquid membrane can significantly decrease the pigging liquid slug length.

Two-phase flow; Pigging experiment; CFX simulation; Liquid slug head length

TQ 018

： A

： 1671-0460（2014）04-0659-04

2013-10-14

李立婉，中國石油大學（北京）油氣儲運工程專業在讀碩士。