T型小通道氣液兩相流動特性的數值研究

雷 麗，黃楠燕

(山東大學 能源與動力工程學院，山東 濟南 250061)

氣液兩相流及其流動特性對化學、石油等工業有著重要的影響。這是一種復雜的現象，它將單相流體流動(粘性力、慣性力和壓力)與兩相流(界面力、接觸角、傳熱傳質和動量等)的特性結合在一起。兩相流的產生可以歸因于不同相的變化或混合。因此，研究不同工況下小通道內氣液兩相流動很有必要。然而，氣液兩相流動與單相流動相比很復雜，因此，為了更好地理解氣液兩相流動，人們進行了大量的研究[1-3]。

在常規管道中，實驗比較常見的流型有：泡狀流、彈狀流、層流、環狀流和霧狀流[4-7]。Weisman等[7]研究了內徑為11.5 mm至127 mm的水平圓管的兩相流動。結果表明，管徑和流體性質(表面張力、粘度和密度)對流型轉變的影響在該管徑范圍內不顯著。然而，隨著管徑的減小，重力的影響逐漸減小，在小通道中，表面張力起主導作用。正如Coleman和Garimella[8]所述，管徑對流動狀態轉變有顯著影響。Triplett[9]等人在直徑為1.09～1.45 mm的圓形和三角形微通道中進行了實驗研究，證實了這一結論。他們發現現有的常規通道的相關模型與小通道的實驗數據吻合較差。Deendarlianto[10]等人利用VOF方法對26 mm水平管內塞狀流流動進行了CFD模擬研究。數值模擬的流型和含氣率與實驗結果吻合良好。利用矢量云圖觀測了氣塞內部的流動循環。Parvareh等人[11]比較了VOF方法計算的數值氣液界面與采用電阻層析重建的實驗結果。數值計算結果與實驗結果在水平和垂直管道上吻合較好。López[12]等人利用高速攝像法和數值模擬對14 mm直徑水平管道內的氣液兩相流動進行了綜合研究。數值計算結果與實驗結果吻合較好。

國內外學者對常規通道進行了大量研究，對小通道的研究相對較少。并且，與實驗方法相比，數值方法能以更低的代價獲得更詳細的兩相流流動特性。因此采用數值模擬方法研究小通道氣液兩相流具有重要意義。本文建立了三維T型小通道的物理模型，并利用CFD方法對其進行數值模擬，以獲得管內的氣液兩相流動特性參數。通過與實驗流型的對比驗證了該模擬的可靠性，并對該通道所觀測到的泡狀流、彈狀流和環狀流的流型、壓力和壓降以及間歇流的氣泡生成和氣泡長度進行了數值分析。

1 T型通道的模型化

1.1 控制方程

采用VOF方法對水平小通道內的兩相流動進行了數值模擬。該模型可以追蹤自由邊界，氣液相的相互作用是由表面張力驅動的。在該模型中，兩相體積分數之和為1。在VOF模型中，如果網格單元中全是氣相，則該單元網格中氣相的體積分數為1，如果充滿了液相，則體積分數為0，多相流體網格單元中體積分數介于0和1之間。

此外，VOF模型還同時使用了不可壓縮的Navier-Stokes方程。在計算中，輸運守恒和動量的控制方程在計算域內連續求解。VOF方法中的控制方程有以下三個：

連續性方程：

(1)

動量方程：

(2)

體積分數方程：

(3)

利用體積分數加權平均法得到了上述方程的參數。關于計算方法的具體信息可以在小通道兩相流的相關研究中找到[13-14]。

1.2 物理模型及網格劃分

計算域的幾何形狀、邊界條件和計算網格的截面如圖1所示。該T型管的內徑為5.16 mm。由圖1(a)可知，氣液兩相入口設置為速度入口，流體出口設置為壓力出口。空氣為主相，水為次相，采用無滑移壁面對管壁進行建模。空氣和水的物理性質參數如表1所示。

表1 流體的物理性質參數

計算域采用結構化網格進行劃分。為了正確求解邊界層，對壁面附近進行加密，如圖1(b)所示。為了進行網格獨立性驗證，采用341,263 ～ 1,020,564不同網格數對幾何圖形進行網格劃分，發現這些網格數對流型的發展影響很小，但是對氣液界面的影響很大。綜合考慮，選擇網格數為800,040進行數值模擬。

(a)計算域，(b)幾何截面的正交網格圖1 計算模型

1.3 數值求解方法

仿真采用了基于壓力的求解方法，利用非迭代分布法計算連續性方程、動量方程、和體積分數方程的時間步長，利用一階逆風格式對動量方程和能量方程進行離散化，采用分段線性界面方程來計算體積分數方程。每次計算的時間步長采用變時間步長來確定，并且庫朗數為0.25。由于流動的不穩定性，計算模型選擇瞬態模型。

2 結果與討論

2.1 模擬的流型與實驗結果的對比

為了驗證模擬水平管內氣液兩相流流態的真實性，對選定的實驗工況進行了模擬。在實驗和模擬過程中，我們發現了三種流型：泡狀流、彈狀流和環狀流。高速攝像機拍攝的照片和CFD模擬結果的對比圖如圖2所示。泡狀流、彈狀流和環狀流的氣速分別為0.12、0.12、3.42 m/s。對應的水的表觀速度分別為0.588、0.17和0.92 m/s。因此，泡狀流、彈狀流和環狀流的氣液流速比分別為0.204、0.706和3.717。氣液流速比對流型的轉變有很大影響，不同流型有不同范圍的氣液流速比。

如圖2所示，實驗所捕捉的照片與模擬的相云圖吻合較好。其中，相云圖用紅色來表示氣體體積分數，藍色表示液體體積分數。這三種流型的不同是由于氣液流速比的變化而產生的。泡狀流的氣相是分散的，液相是連續的。此外，由于重力的作用，氣泡在管道上部流動。隨著氣液流速比的增大，氣泡所受到的剪切力增大，氣泡的形成時間變長，氣泡長度變長，形成彈狀流。在該流態下，空氣為離散相，水為連續相，如圖2(b)所示。這兩種流型以受到表面張力為主導。環狀流的氣相和液相是連續的。空氣從管中流過，將液體推向管壁形成液膜。環狀流的氣液流速比最大，因此受到慣性力為主。

圖2 實驗流型與數值模擬結果的比較

上述實驗流型與模擬流型的比較結果顯示，模擬的泡狀流、彈狀流和環狀流流型與實驗結果吻合，說明本文所用的CFD方法可較為準確地反映水平小通道氣液兩相流的實際流動情況。

2.2 間歇流氣泡的形成過程

如圖3所示，以彈狀流為例，研究T 型小通道間歇流氣泡的形成過程。初始時刻，通道中全部是水，空氣從入口處開始進入通道。隨著時間的推移，空氣到達T型管混合區，由圖3(a)可知，只有部分通道被氣泡占據。隨著液相和氣相的持續流動，氣泡逐漸變大變長并且向下游流動，氣泡尾部變薄，如圖3(b)所示。最后氣泡尾部被剪斷，形成彈狀流氣泡，如圖3(c)所示。T型小通道氣泡的形成是氣液兩相在慣性力、重力和剪切力作用下克服表面張力的結果。

圖3 小通道內彈狀流氣泡的形成過程

為了進一步研究氣液流速對兩相流流型的影響，保持氣相流速為0.12 m/s不變，逐漸增加液相流速進行模擬。液速的變化范圍是0.17～0.588 m/s，一共模擬了5種工況。由圖4可知，氣相流速不變，隨著液相流速的增加，氣泡長度逐漸減小。這是因為氣相流速一定，液相流速越大，氣泡受到的剪切力越大，氣泡形成的時間變短，因此氣泡長度變小。

圖4 氣泡長度隨液相速度的變化

2.3 流體的壓力分布

圖5展示了水平小通道內氣液兩相流泡狀流、彈狀流和環狀流三種流型的壓力云圖。如圖5(a)和(b)所示，充分發展的氣泡沿管道從左向右流動，由于表面張力的影響，氣液兩相界面出現明顯的壓降，氣泡內部壓力遠大于周圍液相壓力。同時，氣彈的壓力大于相鄰的液彈的壓力，并且沿著流動方向，氣彈和液彈壓力都逐漸減小。另外，由于泡狀流和彈狀流的表面張力大小一樣，但是泡狀流受到的剪切力更大，因此泡狀流氣泡內的壓力大于彈狀流氣泡內的壓力。

圖5 泡狀流、彈狀流和環狀流的壓力云圖

對于環狀流來說，由于上下壁面液膜厚度較小，垂直方向的壓力分布沒有明顯的變化；由于沿程損失的影響，水平方向的壓力值逐漸遞減。此外，環狀流的氣液界面有較大波動時，會形成很大的壓降。如圖5(c)所示，氣芯也經常與液滴混合，液滴是通過撕裂管壁的液膜而形成的，因此液滴內部壓力與周圍流體壓力相比較大。

2.4 流體的壓降分析

在一般的壓降分析中，壓降分為摩擦壓降、重力壓降和加速度壓降。在水平小通道的空氣-水兩相流動中，不存在重力壓降。研究發現，由加速度引起的壓降的貢獻通常小于當前工作中總壓降的2%。圖6展示了氣液兩相流典型工況的泡狀流、彈狀流和環狀流三種流型的模擬壓降結果，與圖2工況一致。

從圖6(a)和(b)可以看出，泡狀流和彈狀流的壓降分布是周期性波動的。壓降信號有高有低，這取決于通過截面的是氣泡還是液彈。此外，由于彈狀流的氣液流速比大于泡狀流，彈狀流氣彈的長度更大，因此彈狀流的壓降曲線相比于泡狀流具有更小的振動頻率。由于泡狀流受到更大的剪切力影響，泡狀流的壓降曲線有更大的峰值和低值。

從圖6(c)可以看出，環狀流的壓降與間歇流相比變化更不規則。氣液兩相的流量對氣液兩相的分布有很大影響，與間歇流相比，環狀流具有較大的氣液流速比，氣液兩相間波動劇烈。因此，環狀流的壓降更加無序，在50～200 Pa范圍內變化較大。

圖6 泡狀流、彈狀流和環狀流壓降隨時間的變化

3 結論

本文對水平T型小通道進行了數值模擬，通過與實驗流型的對比，驗證了該模擬的可靠性，并對該通道所觀測到的泡狀流、彈狀流和環狀流的流型、壓力和壓降以及間歇流的氣泡生成和氣泡長度進行了數值分析，結論如下：

(1)氣液流速比是影響流型的一個重要因素。不同的氣液流速比會得到不同流型，環狀流的氣液流速比最大，因此受到慣性力為主。氣相速度一定，液體速度增大時，氣泡長度變小。T型小通道氣泡的形成是氣液兩相在慣性力、重力和剪切力作用下克服表面張力的結果。

(2)間歇流以表面張力為主導，因此其氣泡內的壓力遠高于周圍液相的壓力。環狀流垂直方向壓力分布沒有明顯變化，水平方向的壓力沿著流動方向逐漸減小。間歇流中氣相是離散相，液相是連續相，因此其壓降隨時間的變化呈周期性分布。峰值的變化取決于通過截面的是氣彈還是液彈。環狀流的氣液界面波動相比于間歇流沒有明顯規律，當氣液界面波動較大時，壓降增大。