起伏振動狀態下水平管內氣液兩相流研究

周云龍， 常 赫， 趙 盤

(東北電力大學 能源與動力工程學院，吉林 吉林 132012)

近年來隨著科學技術向水下潛艇、漂浮式核能設備以及航天領域的深入研究，國內外關于動態條件下管道內流動特性的研究正在逐步開展[1-4]。受海洋等自然條件的影響，設備元件會發生傾斜、搖擺、起伏振動、水平振動等情況，這些附加運動會影響氣液兩相流動狀態，相應也會影響設備的壽命和安全運行[5-6]。相反，充分利用振動也能強化傳熱[7-8]。

目前，關于搖擺與傾斜狀態下管內兩相流動方面的研究已有明顯的成效，如搖擺引起的附加慣性力可以改變管內氣液兩相流型及摩擦阻力[9-11]。工程應用中，李金輝等[12]通過研究液體晃動對槽罐車前輪擺振系統的影響，提出了減小槽罐車擺振的措施。與之相比，對于氣液兩相流流經振動狀態下管道的研究則鮮有報道。而在一些實際工程中如道路施工時地下管道的振動以及海底管道油氣的運輸，其動力運輸裝置均會發生振動，相應影響了氣液兩相流動情況。由此可見，動態條件下管道內氣液兩相流動情況有很大研究價值。

現有研究表明氣液兩相在振動通道內的流動情況與穩態下有一定差異。Pendyala等[13-14]研究了低頻振動下垂直通道內氣液兩相流動，得出振動增大了兩相流速以及壓降的結論，同時發現在層流領域內，振動可以增大傳熱系數。Chen等[15]通過對低頻振動下氣水兩相進行實驗研究，發現流動結構和界面濃度發生了明顯改變。然而，國內外學者對于振動情況下流型及流型轉變界限的研究尚未得出統一的結論。

隨著計算機技術的發展，數值模擬作為一種重要手段廣泛應用于各類研究中。由于氣液兩相界面密度及壓力等存在巨大差異，關于氣液兩相流的數值模擬一直是流動模擬的熱點，其研究重點是運動界面的追蹤以及邊界條件的構造[16]。由于通道結構與流體間流固耦合作用的復雜性，對于振動通道內氣液兩相流動的數值模擬則是少之又少。

基于上述原因，本文依據工程實例中車輛顛簸行駛引起管道產生的高頻低幅式振動以及船舶航行時所引起的低頻高幅式振動等因素，通過實驗的方法研究了起伏振動狀態下氣液兩相流型及流型轉換界限。同時，利用FLUENT軟件模擬了各種不同振動狀態下管道內流體流動情況，對比了不同工況下流型轉換界限的差異性，為后續動態條件下管內傳熱以及兩相流動的數學模型奠定了基礎，以期對振動狀態下設備管道的安全運行起到一定的指導作用。

1 實驗裝置及原理

本實驗在兩相流實驗回路基礎上與振動裝置相連接，如圖1所示。實驗段直徑為35 mm的有機玻璃管，且水平固定于振動臺上，振動裝置如圖2所示，實驗段與振動裝置同步做水平正弦運動。實驗原理參考文獻[17]。

圖1 實驗系統流程圖Fig.1 Schematic diagram of experimental apparatus

圖2 振動裝置示意圖Fig.2 Vibration experimental apparatus

2 數值計算

2.1 物理模型及網格劃分

本文依照實驗數據使用PRO.E進行幾何造型，進口管徑r0為27 mm，壁厚w0為5 mm，通道直徑r1為35 mm，管長L為2 m。利用ICEM進行網格劃分，對通道壁面附近網格進行邊界層細化處理，然后將網格導入ANSYS FLUENT 15.0進行三維計算。模擬工況之前，對網格進行無關性驗證，研究發現網格數對壁面壓力幾乎沒有影響，與Lim等[18]得出的結論一致。因此，通過比較不同網格劃分時穩態工況下通道內彈狀流的氣泡長度，最終確定本文采用網格數為396 000的非結構化四面體網格進行計算。幾何模型及網格分布，如圖3所示。

圖3 幾何模型及網格劃分Fig.3 Geometric model and mesh geometry

2.2 控制方程及邊界條件

本文基于FLUENT平臺，采用CLSVOF模型進行計算追蹤流體界面變化情況，其控制方程及邊界條件設置詳見參考文獻[19]。同時利用UDF編程手段，在動網格模型下實現起伏振動工況下的模擬。每次模擬過程中，為保證收斂，需適當調整時間步長和松弛因子。在動網格模型中，任一控制體V內，其邊界是運動的，動量方程[20]為：

(1)

式中:vx和vy分別為控制體沿x軸及y軸方向的運動速度，m/s;a為控制體加速度，m/s；f為作用在單位質量流體上的質量力，N。

3 結果與討論

3.1 實驗結果及模型驗證

管內氣液兩相流動情況隨實驗段的起伏振動不斷發生變化，借助高速成像系統觀察實驗段內流體流動情況，可發現振動狀態下水平通道內氣液兩相流型主要有：珠狀流、泡彈流、沸騰波狀流、波狀流以及環狀流。

為驗證本文所采用數值方法的可靠性，以振幅為5 mm、振動頻率為5 Hz的振動工況為例，對數學模型進行驗證，其中氣相表觀速度jG的變化范圍為0.015～12 m/s，液相表觀速度jL變化范圍為0.02～2.5 m/s。計算結果如圖4所示，可以發現數值模擬與實驗得出

(a) 沸騰波狀流(jG=0.14 m/s, jL=1 m/s)

(b)波狀流(jG=0.29 m/s, jL=0.2 m/s)

(c)環狀流(jG=10.14 m/s, jL=0.1 m/s) 圖4 實驗結果和模擬結果Fig.4 Comparison of flow regime between numerical simulation and experiment

的流型特征基本一致。同時，為定量驗證，本文根據大量實驗和模擬結果，繪制了如圖5所示的流型圖。由此可見該方法可以很好的模擬起伏振動工況下管道內氣液兩相流動情況。

圖5 流型轉換界限Fig.5 Comparison of transition line

與此同時，當雷諾數逐漸增大時，本文測量與計算了起伏振動狀態下氣液兩相流動的平均壓降，結果如圖6所示。進一步證明本文所選取的求解算法可以正確反應振動工況下管內氣液兩相的流動情況。

圖6 平均壓降結果比較Fig.6 Comparison of mean pressure drop

3.2 振動對壓降的影響

Catalina等[21]通過對振動工況下垂直管內氣液兩相流動進行實驗研究，得出壓力是流體流動情況改變的關鍵因素。為此，本文將不同振動狀態下管內氣液兩相流平均壓降進行了實驗與模擬計算。由于實驗的局限性，當振動頻率為16 Hz，振幅大于5 mm時，壓降值通過模擬給出。結果如圖7所示。

圖7 不同工況下壓降變化Fig.7 Mean pressure drop under different conditions

如圖7所示，對比穩態與動態工況下管內氣液兩相流動壓降可看出，振動狀態下平均壓降值明顯高于穩態。同時可看出，壓降隨振動頻率及振幅的增大而增加。但當Re>5 600時，無論是振動頻率還是振動幅度對壓降均沒有很大影響。為探討振動頻率與振動幅度對壓降影響的差異性，本文將Re數分為三組進行比對，結果如表1所示。

表1 壓降變化斜率Tab.1 slope of mean pressure drop

由表1可計算出，當振動頻率保持穩定、振動幅度改變時，壓降以7.435%的速度增長；當振動幅度保持穩定，振動頻率改變時，壓降以9.66%的速度增長。由表中數據可發現，高振動頻率及振動幅度下，壓降變化更快，當雷諾數超過一定范圍時，振動幾乎不改變壓降，與上文所得結論一致。由此可以發現振動頻率對氣液相流的壓降影響更大，分析如下：

在靜止穩定狀態下，影響壓降的主要因素包括Re數和通道壁面性質等，而Re數又受到通道幾何結構、流體速度及流體性質等。對于起伏振動工況下的管內兩相流動，還需考慮振動的變化所引起通道做正弦運動時加速度的變化，從而導致通道內兩相流體所受到的附加力發生改變，進而影響壓降。同時，流體的對流效應受振動頻率、振動幅度、流體黏度等參數的影響。當通道做起伏振動時，在通道壁面很薄的區域內會產生瞬時脈動渦流，同時產生巨大的脈沖速度，由于這一區域內的非線性作用，這些脈動渦流在邊界層內引起的振幅傳遞到流體內部，進而影響流場結構，振幅和頻率的增加均使得通道內壓降迅速增大。振動幅度和振動頻率越大，對原有流場結構影響越大，致使流動更加紊亂，流線偏離原方向的程度也越大。小振幅低振動頻率時，大尺度旋渦變成小尺度旋渦，進而發生破碎，隨主流流動；大振幅高頻率時，大尺度旋渦也發生破碎，流入主流。因此，高頻率和高振幅下壓降變化更加明顯。然而隨著氣液流速的增大，慣性力逐漸削弱振動所帶來的影響，壓降隨之穩定。

3.3 黏度對流型及壓降的影響

由上文可知，通道內氣液兩相分布情況不僅與外部因素有關，流體性質也會對壓降及Re數產生一定的影響。因此，為探討黏度對流動情況產生的影響，該部分采用三種不同質量分數的甘油作為液相，其物性參數見表2。當甘油溶液質量分數增大時，其表面張力及密度變化很小，可近似認為恒定，但黏度變化相對較大，因而本文采用該種溶液來衡量液相黏度對振動狀態下管內氣液兩相流型及壓降的變化。壓降變化規律和流型轉換界限分別如圖8和圖9所示。

表2 液相物性參數(20℃，101.325 kPa)Tab.2 s physical properties of liquid phase

圖8 黏度對流體平均壓降的影響Fig.8 Comparison of mean pressure drop under different liquid viscosity

如圖8所示，振動對氣液兩相流壓降的影響隨流體黏度的增大而逐漸削弱。當流體黏度達到0.046時，振動工況下氣液兩相流壓降和穩態工況下大體一致。對此，我們做如下分析：

通道做起伏振動時引起流體的振動強度可通過瑞納德數衡量，

(2)

流體黏度增大時，流體內部黏滯阻力會變大，氣液兩相流體微團之間的相對運動會相對困難。由式(2)可看出，當振動頻率和振動幅度相同時，振動在高黏度流體中引起的對流效應相對較小，因而削弱了振動對

圖9 黏度對流型裝換界限的影響Fig.9 Comparison of transition line under different liquid viscosity

壓降的影響。這也與Chen等[22]所得出的結論一致，他們發現流體黏度和通道直徑可以減小動態工況對于壓降的影響。

由圖9可以看出，當流體黏度相對較小時，沸騰波狀流向波狀流轉換需要更高的氣相速度，波狀流向環狀流轉換相對容易。整體來看，流體黏度對流型轉換界限影響不大。這與穩態情況氣液兩相流型轉換變化趨勢大體一致。

周期性起伏振動情況下，流體中的速度可分為平動速度和脈動速度。流體流動速度隨流體黏度的增加而減小，當流體黏度較小時，流體速度隨黏度增大下降較快；而當流體處于高黏度狀態時，流體速度隨黏度增大緩慢下降。氣液兩相在通道內流動過程中，表面張力影響珠狀流的形成，慣性力影響環狀流的形成[23]。而沸騰波狀流和波狀流的形成由二者共同作用形成。

F=ρvDh/σ

(3)

式中:F為慣性力;ρ為流體密度；v為流體速度;Dh為通道當量直徑;σ為表面張力。與液相黏度關系不大，因而流體黏度對起伏振動工況下通道內氣液兩相流型轉換界限影響不大。

3.4 振動工況對流型轉換界限的影響

Gang等[24]通過對起伏振動工況下矩形通道內氣泡流動特性進行實驗研究得出結論：隨振動頻率增大，氣泡密度以及尺寸等特性隨之增大。因此，為探討振動頻率及振動幅度對管內氣液兩相流動流型轉換界限的影響，該部分結合實驗方法與模擬計算進行研究，結果如圖10和圖11所示。

如圖10和圖11所示，振動工況改變所引起的流型轉換界限的變化主要表現在以下幾個方面：

(1) 流體具有相同氣相折算速度時，振動頻率和振動幅度的增大使珠狀流轉換邊界右移。當振動頻率為2 Hz時，并未發現珠狀流。振動頻率以及振動幅度的增加均使管道的起伏振動更加劇烈，從而引起了更大的振動附加力。管內氣液兩相也會因此產生更強烈的對流作用，氣泡間的碰撞更加劇烈，氣泡更容易聚合。由于珠狀流的形成受液相速度影響，因而需要更大的液相流量產生湍動力維持氣泡的存在，即需要更高的液相折算速度，從而增大了沸騰波狀流的區域。

(2) 振動頻率和振動幅度的增加使沸騰波狀流的轉換界限上移。振動工況下，管內氣液兩相流型中沸騰波狀流的表現較為穩定，振動工況的改變影響流體流動劇烈程度，基本不發生流型轉變。隨著管道振動劇烈程度的增加，液相波動程度加劇，下層液相流動對上層氣相的擾動增大，氣相更容易被分裂，即更易形成沸騰波狀流，減小了波狀流區域。

(3) 當通道內氣液相流速均較大時，振動工況對沸騰波狀流及環狀流間的轉換界限幾乎沒有影響。如上文所述，當氣液相流速較大時，流場所具有能量較大，由于振動能量的輸入，進一步迅速增大流場本身能量，等同于振動對流場起到了做功的效果，而這些功則轉化為流場自身的能量，從而削弱了振動頻率或者振動幅度增大對其產生的影響，保證了流體流動的穩定，從而使得流型轉換更加困難。

(4) 振動頻率及振動幅度的增大使得環狀流的轉換界限右移。隨振動頻率的增大，高速氣流周圍的液膜波動更加劇烈，液膜穩定性遭到破壞，增加了氣相在管道內的流動阻力，形成充分發展的環狀流需更大的氣相流量，相對減小了環狀流區域。同時，當振動幅度增大時，意味著增大了管道在時間段內的平均振動速度以及加速度，不利于液膜在通道內的軸向鋪展，對液膜沿管壁穩定流動形成了阻礙，維持環狀流的形成則需更大的氣相流速。

圖10 振動頻率對流型轉換界限的影響Fig.10 Influence of vibration frequency on flow pattern transition line

圖11 振動幅度對流型轉換界限的影響Fig.11 Influence of vibration amplitude on flow pattern transition line

整體觀察圖10和圖11可發現，隨著振動頻率或振動幅度的增大，各流型轉換界限均有向外擴張的趨勢。相對擴大了沸騰波狀流及波狀流的區域，環狀流區域變化相對較小。振動頻率和振動幅度對流型影響近乎相同。同時通過對比圖10和圖11流型轉換界限的疏密程度，可以發現與改變振動頻率相比，振動幅度的強弱對流型改變影響更小。

4 結 論

本文通過將實驗與數值模擬結合的方式，得出如下結論：

(1) 基于FLUENT平臺，利用動網格模型和UDF編程可以實現振動工況下氣液兩相流動的模擬，為進一步研究傳熱等問題提供了新的方法和途徑。

(2) 常溫常壓條件下，起伏振動工況下水平管內氣液兩相流型與穩態時有所不同，主要流型有珠狀流、泡彈流、沸騰波狀流、波狀流以及環狀流。

(3) 起伏振動對管內氣液兩相流動平均壓降有很大影響。振動狀態下管內平均壓降明顯高于穩態。當振動頻率保持穩定、振動幅度改變時，壓降以7.435%的速度增長；當振動幅度保持穩定，振動頻率改變時，壓降以9.66%的速度增長。振動頻率對氣液相流的壓降影響更大

(4) 改變流體黏度時，振動對氣液兩相流壓降的影響隨流體黏度的增大而逐漸削弱。與穩態工況類似，黏度幾乎不改變振動工況下的流型轉換界限。

(5) 振動工況的改變對流型轉換界限有所影響。隨振動頻率或振動幅度的增大，各流型轉換界限均有向外擴張的趨勢。振動頻率對流型轉換界限的影響高于振動幅度。