T形管內(nèi)霧狀氣液兩相流相分離特性研究*

敬加強(qiáng) 尹曉云 Boris N. Mastobaev Anvar R. Valeev 孫杰 劉力華

(1.西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院 2. 油氣消防四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 3. Department of Transport and Storage of Oil and Gas, Ufa State Petroleum Technological University4. 西安交通大學(xué)動力工程多相流國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 5.中國石油天然氣股份有限公司西南油氣田分公司通信與信息技術(shù)中心)

0 引 言

管匯具有收集流體并同時(shí)進(jìn)行流體分配的雙重功能[1]，被廣泛應(yīng)用于油氣田生產(chǎn)工藝系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)。但管匯系統(tǒng)中普遍存在并聯(lián)引出管內(nèi)氣液兩相流量分配不均(偏流)及氣液比例不同(相分離)的現(xiàn)象，以及由此引起的油水分離器溢油冒頂或分離紊亂[2]，稠油開采中高溫高壓水蒸氣不能等干度分配[3]，海上平臺氣液分離器冗余能力設(shè)計(jì)過大[4]等問題，不僅影響下游生產(chǎn)單元工作效率和運(yùn)行安全性，而且增加了總投資成本。

管匯系統(tǒng)中并聯(lián)引出管內(nèi)兩相流動分配不均的原因在于兩相流在構(gòu)成管匯的基本結(jié)構(gòu)T形管內(nèi)的分布不均。目前，國內(nèi)外研究者已針對T形管內(nèi)氣液兩相組成的分層流[5-7]、波狀流[8-10]、彈狀流[11-13]及環(huán)狀流[14-16]等特定常見流型的流動特性、壓降規(guī)律及相分離特征開展了大量的研究工作，但很少有關(guān)于T形管內(nèi)泡狀流[17-18]和霧狀流[19]相分離的研究報(bào)道。

本文以T形管作為研究對象，應(yīng)用計(jì)算流體力學(xué)ANSYSY Fluent軟件，結(jié)合氣液兩相流的基本理論，對水平主管內(nèi)的空氣-水霧狀兩相流工況進(jìn)行三維數(shù)值模擬，分析其在T形管中的流動特征、壓降特性及相分離規(guī)律，探究造成霧狀流相分離的根本原因。研究結(jié)果對確保下游設(shè)備的安全、經(jīng)濟(jì)和可靠運(yùn)行具有現(xiàn)實(shí)意義，并可為實(shí)際工程中的管匯設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供理論依據(jù)。

1 物理模型

水平T形管的三維實(shí)體模型如圖1所示。主管管徑0.10 m，長9.00 m，側(cè)支管與水平主管垂直連接，其管徑0.08 m，長4.20 m。主管內(nèi)兩相流從左至右流動，流速為25 m/s，混合物在分支處分流，以一定的分流比分別經(jīng)過直流支管和側(cè)支管流出。為了兼顧計(jì)算精度和計(jì)算效率，同時(shí)考慮到T形管的簡單結(jié)構(gòu)，本文采用非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格劃分方法對圖1所示的模擬計(jì)算區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并使用網(wǎng)格加密技術(shù)對管路近壁面的黏性底層內(nèi)和流動情況較為復(fù)雜的分流結(jié)構(gòu)處網(wǎng)格進(jìn)行局部細(xì)化。劃分好的網(wǎng)格及其局部放大圖如圖2所示。

圖2 T形管網(wǎng)格劃分示意圖Fig.2 Schematic diagram for grid division of T-pipe

2 數(shù)學(xué)模型

由于本文模擬采用含液率較低、液相以液滴狀態(tài)存在的霧狀兩相流為基本流型，所以選用Mixture模型求解T形管內(nèi)氣液兩相流動過程相關(guān)問題。它是歐拉模型的簡化，可用于模擬具有不同速度的兩相或多相流體或顆粒流，允許有速度滑移和相間穿插[20]。T形管中空氣-水霧狀兩相流動的穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬要遵守包括連續(xù)性方程、動量方程、能量方程、次相體積分?jǐn)?shù)方程和速度計(jì)算方程在內(nèi)的流體力學(xué)控制方程。由于本文所涉及T形管的主管和各支管長度都較短，且計(jì)算域內(nèi)未設(shè)有節(jié)流裝置，可忽略氣液兩相流在該T形管內(nèi)流動時(shí)的溫度變化，故本研究不考慮能量方程。

2.1 基本假設(shè)與簡化

(1)流體為不可壓縮牛頓流體。

(2)T形管內(nèi)氣液兩相在飽和溫度、壓力下保持常物性：空氣的密度為1.225 kg/m3，黏度為1.789 4×10-5Pa·s；水的密度為998.2 kg/m3，黏度為100.3×10-5Pa·s。

(3)不考慮重力和浮升力的影響，忽略黏性耗散作用產(chǎn)生的熱效應(yīng)。

2.2 多相流模型

連續(xù)性方程為：

(1)

其中：

(2)

(3)

動量方程為：

(4)

其中：

(5)

(6)

次相體積分?jǐn)?shù)方程為：

(7)

滑移速度計(jì)算方程為：

(8)

漂移速度計(jì)算方程為：

(9)

2.3 湍流模型

湍流輸運(yùn)模型包括標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型、重整化k-ε模型及可實(shí)現(xiàn)k-ε模型3種[21]。本文模擬過程中采用比較成熟且廣泛應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，其輸運(yùn)方程如下：

(10)

(11)

(12)

式中：k為湍動能，m2/s2；ε為湍流耗散率，m2/s3；σk、σε分別為湍動能和耗散率對應(yīng)的普朗特?cái)?shù)，σk=1.0、σε=1.3；μ、μt分別為動力黏度與湍動黏度，Pa·s；G為湍動能產(chǎn)生項(xiàng)；C1ε、C2ε和Cμ均為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，其值分別為1.44、1.92和0.09。

3 模型設(shè)置及邊界條件

3.1 求解模型設(shè)置

采用基于壓力法的求解器對空氣-水霧狀兩相流在T形管內(nèi)的流動特性進(jìn)行穩(wěn)態(tài)模擬。壓力速度耦合采用SIMPLE算法，壓力方程采用PRESTO模式離散[22-23]，適當(dāng)調(diào)小壓力和湍流的松弛因子以促進(jìn)和保證收斂性。當(dāng)輸運(yùn)方程中不同變量的殘差低于10-5且進(jìn)、出口管道質(zhì)量流量相等時(shí)，數(shù)值計(jì)算達(dá)到收斂。

3.2 邊界條件

以空氣-水為工作介質(zhì)，其在入口處以25 m/s的速度混合后進(jìn)入水平主管，進(jìn)口處氣相和水相體積分?jǐn)?shù)分別為97.7%和0.3%，液滴粒徑為5 μm。出口處為自由出流邊界，側(cè)支管和直流支管的分流率均為50%，管壁為無滑移壁面。

4 數(shù)值模擬結(jié)果分析

4.1 壓力場分布

圖3為空氣-水霧狀兩相流在T形管中截面的壓力分布云圖。由圖3可知，直流支管內(nèi)靜壓整體高于主管，而側(cè)支管靜壓明顯低于主管及直流支管，并且水平主管和各支管在分流后的各管段內(nèi)壓力變化不大，在分流處壓力急劇變化。進(jìn)一步對分流處的壓力分布進(jìn)行分析可知：在直流支管下側(cè)壁面處產(chǎn)生一個(gè)高壓區(qū)，這是因?yàn)閭?cè)支管的分流作用使直流支管內(nèi)流量減少，導(dǎo)致此處流速降低而壓力產(chǎn)生急劇增大；在側(cè)支管左側(cè)壁面處形成一個(gè)負(fù)壓回流區(qū)，這主要是因?yàn)榫植孔枇p失和動壓損失的作用，隨后流體穩(wěn)定流出，主要克服沿程摩擦阻力的影響。

圖3 T形管中截面壓力分布云圖Fig.3 Cloud chart for sectional pressure distribution in T-pipe

在分流結(jié)構(gòu)處，兩相流體同時(shí)受到巨大壓差所產(chǎn)生的“吸力”作用[17]，但由于空氣和水密度差的存在，兩相間的慣性力相差很大，致使氣液兩相產(chǎn)生了不同的運(yùn)動結(jié)果。密度較小的氣相容易發(fā)生速度方向的改變，從而更易進(jìn)入側(cè)支管，而密度較大的液相則能保持原來的速度方向繼續(xù)向前流動。由此可知，壓力分布會間接影響氣液兩相在T形管內(nèi)的相分離特性。

4.2 速度場分布

圖4為T形管內(nèi)空氣-水霧狀兩相流在中截面上的速度分析結(jié)果。由圖4可見，兩相流體在水平主管內(nèi)充分混合發(fā)展，流速分布比較均勻且保持穩(wěn)定流動，流經(jīng)分流處時(shí)，速度發(fā)生急劇變化。在直流支管中，一方面受側(cè)支管分流作用影響，其管內(nèi)流量下降，導(dǎo)致流速急劇減小；另一方面受側(cè)支管入口流體攜帶和漩渦區(qū)“吸力”共同影響，其管內(nèi)流體自上管壁向下管壁流動，導(dǎo)致下管壁附近區(qū)域的流速明顯大于上側(cè)管壁處，經(jīng)過分流處一段時(shí)間后，管內(nèi)流動又逐漸恢復(fù)至充分混合發(fā)展?fàn)顟B(tài)。在側(cè)支管中，受慣性作用影響，在其左側(cè)管壁產(chǎn)生漩渦，導(dǎo)致管內(nèi)流通截面積縮小，使從漩渦右側(cè)流過的流體流速急劇增大，而左側(cè)流速減小，出現(xiàn)明顯的高、低流速區(qū)，隨著流動的繼續(xù)發(fā)展及漩渦的消失，兩相流動逐漸恢復(fù)平順，再次達(dá)到穩(wěn)定流動狀態(tài)。

圖4 T形管中截面速度分析結(jié)果Fig.4 Sectional velocity analysis result of T-pipe

4.3 氣液相分布

空氣-水霧狀兩相流在T形管中截面的氣相和液相體積分?jǐn)?shù)分布云圖如圖5所示。

由圖5可知，氣液兩相在主管內(nèi)整體混合均勻，而在分流處受流體分流擾動影響出現(xiàn)明顯的氣液分布不均現(xiàn)象，并且在此范圍內(nèi)，側(cè)支管中氣相和液相分布不均現(xiàn)象較直流支管中更為明顯。由圖5a可見，氣相大部分分布在側(cè)支管左側(cè)漩渦區(qū)中。由圖5b可見，液相主要占據(jù)側(cè)支管右側(cè)和直流支管下側(cè)的壁面區(qū)域。這主要是因?yàn)闅庀嗝芏容^小，慣性力較小，容易發(fā)生速度方向的改變從而更易進(jìn)入側(cè)支管，并且受“吸力”作用更大，而液相密度較大，慣性力較大，流動方向不易改變，但仍有少量液滴受氣相攜帶作用進(jìn)入側(cè)支管的漩渦區(qū)中。在分流處經(jīng)過一段時(shí)間后，各支管內(nèi)氣液兩相又逐漸趨于均勻分布。

圖5 T形管中截面氣液兩相體積分?jǐn)?shù)分布云圖Fig.5 Cloud chart for sectional gas-liquid volume fraction distribution in T-pipe

4.4 壓降分析

空氣-水霧狀兩相流沿T形管水平主管和側(cè)支管軸向的靜壓、動壓及總壓變化曲線分別如圖6、圖7和圖8所示。由圖6a可知：水平主管在分流前，沿主管軸線方向的截面靜壓呈線性衰減趨勢，這與正常管輸壓降規(guī)律相符；經(jīng)過分流處后，由于受側(cè)支管分流作用影響，直流支管內(nèi)流量減小，致使管內(nèi)壓力先在短距離內(nèi)急劇上升，然后隨著直流支管在軸向的延伸而再次呈線性下降規(guī)律。由圖6b可知：側(cè)支管內(nèi)壓力先急劇下降，這是由于流體受離心力作用，靜壓能轉(zhuǎn)化為速度能；隨后在較短距離內(nèi)壓力呈上升趨勢，這是因?yàn)榱黧w流動受阻并在此處堆積，使得部分速度能又重新轉(zhuǎn)化為壓力能；最后隨著流體流動趨于穩(wěn)定，靜壓在管輸阻力的作用下呈線性下降規(guī)律。

圖6 沿主管和側(cè)支管軸向的靜壓變化曲線Fig.6 Axial static pressure variation curve along main pipe and lateral branch pipe

由圖7a可見：水平主管在分流前，沿主管軸線方向的截面動壓先逐漸上升后趨于穩(wěn)定；在分流結(jié)構(gòu)處，主管內(nèi)流體由于受分流擾動影響，致使動壓減小，隨后經(jīng)分流處進(jìn)入直流支管的兩相流體又重新發(fā)展至穩(wěn)定流動狀態(tài)，其截面動壓又逐漸趨于穩(wěn)定。由圖7b可見，在側(cè)支管入口處，流體因受離心力作用，靜壓能轉(zhuǎn)化為速度能，導(dǎo)致動壓升高，隨后流體流過渦流區(qū)，流動截面積增大，流速降低直至流動穩(wěn)定，故動壓先減小，最后逐漸趨于穩(wěn)定。

圖7 沿主管和側(cè)支管軸向的動壓變化曲線Fig.7 Axial dynamic pressure variation curve along main pipe and lateral branch pipe

由于流體的總壓取決于靜壓與動壓之和[24]，所以總壓曲線的變化規(guī)律由靜壓曲線和動壓曲線兩者的變化趨勢共同決定。從圖8可知，主管及各支管內(nèi)的平滑直線段表示克服沿程阻力所產(chǎn)生的壓降，而急劇變化的曲線段表示克服分流結(jié)構(gòu)處的局部阻力所產(chǎn)生的壓降。

圖8 沿主管和側(cè)支管軸向的總壓變化曲線Fig.8 Axial total pressure variation curve along main pipe and lateral branch pipe

綜合分析T形管中截面的壓力、速度及氣液相分布云圖，并結(jié)合水平主管和側(cè)支管軸向的壓降變化曲線可知，在不考慮重力影響的條件下，氣液兩相慣性力差異、兩相相互作用及流道結(jié)構(gòu)變化產(chǎn)生的流體擾動是造成霧狀兩相流在T形管中分配不均的根本原因，且其對相分離的影響程度不同。已有研究表明，氣液兩相慣性力差異越大，相分配不均現(xiàn)象越明顯，而氣液兩相相互作用越強(qiáng)，相分離趨勢明顯減弱[19]。由此可知，當(dāng)流體擾動劇烈，即慣性力起決定作用時(shí)，氣液相分離程度增強(qiáng)；而當(dāng)流體擾動微弱，即兩相相互作用起主導(dǎo)作用時(shí)，氣液相分離程度減弱。

5 結(jié)論與建議

(1)水平T形管內(nèi)空氣-水霧狀流在水平主管分流處的流速與壓力急劇變化、相分離現(xiàn)象顯著，而在遠(yuǎn)離分流處，流速保持穩(wěn)定、壓力變化緩慢、氣液兩相分布均勻。

(2)水平T形管內(nèi)空氣-水霧狀流沿水平主管和側(cè)支管軸向的壓降(靜壓、動壓及總壓)在分流處大幅變化，而在遠(yuǎn)離分流處，壓降變化規(guī)律與正常管輸壓降變化規(guī)律一致。

(3)流體擾動、氣液兩相慣性力差異及其相互作用是霧狀兩相流在T形管內(nèi)相分配不均的根本原因。

(4)隨著我國海洋混輸管網(wǎng)的不斷應(yīng)用和稠油油藏的開發(fā)，本文模擬分析能夠?yàn)榈秃郝熟F狀兩相流管匯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)和指導(dǎo)，可大量節(jié)省地面工程運(yùn)行管理費(fèi)用，同時(shí)對流動安全保障也具有重要作用。但本文僅對某一特定工況霧狀兩相流在特定結(jié)構(gòu)T形管內(nèi)的流動過程進(jìn)行了數(shù)值模型研究，在今后的研究中，建議進(jìn)一步分析不同流動工況和T形管幾何結(jié)構(gòu)對霧狀兩相流相分離的影響，可考慮引入重力和能量方程，并開展對低含液率兩相流其他常見流型的研究。