水平管氣液段塞流流動特征模擬

吳 曉，王兆婷，史 瑤

（1.中國石油大學(xué)勝利學(xué)院，山東東營257061；2.中國石油大學(xué)（華東）儲運與建筑工程學(xué)院，山東青島266580；3.中國石油新疆油田分公司工程技術(shù)研究院，新疆克拉瑪依834000）

水平管氣液兩相段塞流廣泛存在于石油、化工和核能等領(lǐng)域。段塞流流動帶來的壓力和流量波動對一些生產(chǎn)設(shè)備的設(shè)計具有重要影響，所以深入研究水平管段塞流的流動特性具有重要的學(xué)術(shù)意義和應(yīng)用價值。由于段塞流流動的復(fù)雜性，對其流動特性的研究多采用實驗平均測量的手段，其只能給出宏觀規(guī)律特征，而CFD更能細(xì)致地捕捉到瞬態(tài)流動特征、起塞機(jī)理及氣液段塞流相界面結(jié)構(gòu)特征，選取準(zhǔn)確的模型能夠保障多相流管道的安全設(shè)計和操作。

目前已有的氣液段塞流的計算模型可以分為穩(wěn)態(tài)模型和瞬態(tài)模型兩類。段塞流的穩(wěn)態(tài)模型使用較為廣泛但存在一些缺陷，使用段塞流穩(wěn)態(tài)模型前需要進(jìn)行流型判斷，段塞流穩(wěn)態(tài)模型只能給出段塞流的平均特征參數(shù)；同時Y.Taitel等[1]研究表明，穩(wěn)態(tài)模型在計算下傾管段塞流時常出現(xiàn)非物理解。

段塞流瞬態(tài)模型大致可以分為一維雙流體模型、液塞跟蹤模型和界面捕捉模型。一維雙流體模型一般都基于M.Ishii[2]推導(dǎo)的一維雙流體模型框架基礎(chǔ)上建立的。但針對不同流型建立的守恒方程和方程的本構(gòu)關(guān)系卻有很大的差異。M.Lu[3]通過實驗和模擬相結(jié)合方法對水平管段塞流的起塞、成長及合并的過程進(jìn)行研究，并對六種CFD軟件進(jìn)行對比分析，發(fā)現(xiàn)TRIOMPH下的一維雙流體模型對段塞流瞬態(tài)特征的模擬存在以下問題：只能捕捉由K‐H模型不穩(wěn)定產(chǎn)生的長波，不能考慮到界面擾動帶來的短波影響。……