濕天然氣在上傾管道的氣液兩相流動特性研究

邢 鵬

（西安石油大學，陜西 西安 710065）

1 研究背景

傾斜管內ZNLF條件下的流動實驗，是由Gregory等[1]人最早進行研究的，實驗過程是先向管內注入一定量的液體，接著逐漸增加氣體流量，直到管內的液體被全部排出。Gregory等給出了一系列結論：當初始液相體積不變時，持液率會相應增大，但當管徑增大到一定程度，管徑對持液率的影響將減小；當初始液相體積增大時，壓降會相應增大。

Kokal和Stanislav[2]用 Gregory的實驗數據結合Dukler和Nicholson等人的模型，提出了一種壓降與持液率隨臨界攜液流速變化較好的模型。

M Birvalski和 G B Koren（2014）[3]的實驗方法建立在Amaravadi[4]上。但是，由于他們比較關注管道上傾段的液層，即臨界狀態下的液層，因此擴展了設置和實驗方法來收集這些條件下的所有相關數據。

2 模型建立與網格劃分

起伏地形濕氣管道示意圖如圖1所示。該管道包含下傾段和上傾段，其中上下管道與水平方向夾角分別為θ2、θ1。液相（積液） 為水，氣相為空氣。管道上傾段與下傾段長度均為15D。

圖1 起伏地形濕氣管道示意圖

本文使用ANSYS Workbench中自帶的Mesh模塊對計算域進行網格劃分，本文使用六面體網格來提升網格質量。在對網格進行無關性驗證之后，最終網格數確定為35萬。

3 結果與討論

圖2 液體在管道上傾段的平鋪過程

如圖2所示，當入口氣速在4m/s左右，氣液界面上并未產生較為明顯的波動，只能夠觀察到在氣液界面上產生細微的波動，此時的流型屬于光滑分層流；當氣體的入口速度提升至5m/s左右，液層起始處將會產生明顯的波動；當氣體入口流速增大到7m/s左右，液層起始處就會產生較大的波動，此時流型將轉換為波浪分層流；隨著氣體入口流速的不斷增加，上傾管段液層平鋪長度增加，厚度變?。划斎肟谒俣仍黾拥?m/s左右，管道中的積液將全部被帶離彎頭并平鋪于上傾管段[5]。

如圖3所示，由于初始入口氣速過低，氣體無法攜帶液體向管道上傾段移動，因此上傾段液層長度為積液在上傾段的初始平鋪長度。當入口氣速低于5m/s時，氣體流速對流動幾乎沒有影響。當入口氣速大于5m/s，管道上傾段液層長度明顯增大。當入口氣速達到9m/s時，液層已經完全平鋪于管道上傾段。

圖3 入口氣速對液體向管道上傾段移動的影響

4 結語

為了描述這一現象，首先需要將力的方向作以下定義：與氣體流動方向相同的力為動力，與氣體流動方向相反的力為阻力。氣液界面上的剪切應力為動力；液體受到管道方向的重力分力為阻力。當動力大于阻力時，液體會朝著管道上傾段加速流動，管道彎頭處的持液率會下降；當動力小于阻力時，液體會朝著管道上傾段相反的方向加速流動，管道彎頭處的持液率會上升，液體會朝著管道彎頭處積聚。