水平漸變管內(nèi)油氣兩相流的數(shù)值模擬

＊王怡菲 潘瓊毅

（沈陽航空航天大學 國際工程師學院 遼寧 110136）

從基礎研究以及在流程工業(yè)中的應用來看，對多相流現(xiàn)象的認識非常重要。例如，化學反應器、發(fā)電廠和輸油管道，其中多相流行為影響著效率和安全問題[1-2]。本文主要針對氣液兩相流進行數(shù)值模擬與分析，由于水具有經(jīng)濟適用性與安全性，目前國內(nèi)外關于氣液兩相流的文獻仍以空氣/水的實驗為主，油的物理特性與水有較為明顯的區(qū)別，不再適用于水-氣兩相流的物理模型。在油氣運輸管道中漸變管道是典型的局部管道部件[3]，相較于等內(nèi)徑直管道，漸變管具有特殊管道結(jié)構(gòu)，由于漸變段存在造成的局部阻力損失。因此，對水平條件下漸變管內(nèi)油-氣兩相流的特性研究對降低能耗、優(yōu)化管道結(jié)構(gòu)和保障運輸安全具有積極意義。

氣液兩相流流動特性的研究一直是國內(nèi)外學者重點關注的問題，傳統(tǒng)氣液兩相流的研究多通過實驗方法[4]，隨著模擬仿真技術(shù)的發(fā)展，F(xiàn)luent作為一種可靠的仿真軟件被用于流動阻力管道科學研究中[5]。L.Szalinski等[6]將水氣兩相流和油氣兩相流在垂直管道中的流動狀態(tài)進行對比，得到了氣體體積分數(shù)曲線與氣泡尺寸分布。劉文紅和郭烈錦等[7]利用水平條件下的玻璃管對油氣兩相流進行了實驗研究，結(jié)果顯示理論計算值與實驗測量值吻合良好。李爽等[8]對上傾管內(nèi)高黏油氣兩相流的流型和壓降特性進行了實驗研究，驗證了OLGA模型和Zhang模型對于壓降的計算精度。葉青等[9]對滑油管道裝置內(nèi)進行試驗并利用CFX對實驗結(jié)果進行數(shù)值模擬，得到壓力脈動隨流量的變化關系。

本文基于數(shù)值模擬軟件Fluent進行漸變管道內(nèi)的油氣兩相流的三維穩(wěn)態(tài)模擬，分析兩相流沿管路的壓降規(guī)律，可為油氣兩相管流的研究提供借鑒。

1.數(shù)學模型

油氣兩相流在漸擴管中的流動遵守連續(xù)方程和動量守恒方程，流動過程中不會通過壁面向外界散失熱量，視為絕熱流動，故不考慮能量方程。

(1)控制方程

Mixture模型對于各相以相同速度運動的均勻多相流的求解精度較好，其控制方程如下：

連續(xù)方程為：

動量方程式為：

由第二相（p）的連續(xù)性方程，可得第二相的體積分數(shù)方程為：

湍流模型采用Realizable k-ε模型，該模型在有旋轉(zhuǎn)流動、強的逆壓梯度下的邊界層流動、分離流、回流以及有復雜二次流等情況下，均有更好的性能。

湍流方程式為：

(2)計算條件與求解方法

數(shù)值計算中，壁面為無滑移絕熱壁面邊界條件；入口邊界條件設置為速度入口邊界，大小為3.03m/s；出口邊界條件為壓力出口邊界，取值為大氣壓；選擇標準初始化，其中湍流強度設為5%；各項殘差均設為1.0×10-4。選用基于壓力求解器的穩(wěn)態(tài)模擬，求解方法采用SIMPLE壓力速度耦合算法。

文章中所研究的液體介質(zhì)為4010航空潤滑油。油箱中的氣體介質(zhì)近似為空氣。流動介質(zhì)的物性參數(shù)如表1所示。

表1 研究介質(zhì)的物性參數(shù)

2.幾何模型及網(wǎng)格劃分

二維幾何模型具體尺寸和網(wǎng)格劃分如圖1所示。針對三維管道立體結(jié)構(gòu)，選用O型網(wǎng)格和六面體結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格進行劃分，所有網(wǎng)格單元質(zhì)量均大于0.73，網(wǎng)格總數(shù)為405300。

圖1 幾何結(jié)構(gòu)與網(wǎng)格劃分

3.數(shù)值模擬與分析

本節(jié)利用數(shù)值仿真軟件對油氣兩相流在變含氣率條件下漸變管道中的流動情況進行了模擬與分析，為使模擬得到的數(shù)據(jù)更加可靠，在管道中建立了多個監(jiān)測面，用來觀察流體在管道中的真實流動情況，監(jiān)測面建立如圖2。

圖2 監(jiān)測面建立示意圖

(1)不同含氣率條件下氣液兩相分布情況分析

①漸擴管

圖3為漸擴管道的氣相分布云圖。漸擴管中在漸擴段最先開始發(fā)生氣液分離現(xiàn)象，隨著入口含氣率β的增加，氣液分離現(xiàn)象愈加明顯。在β=0.05時，僅漸擴段上壁面出現(xiàn)氣液分離現(xiàn)象，β=0.10開始，漸擴段四周管壁開始出現(xiàn)明顯氣液分離現(xiàn)象，得到入口含氣率的變化對漸擴段處的氣液分離有較大影響。隨著漸擴段處聚集氣體增多，由圖4水平漸擴管靜壓分布云圖可看出，漸擴段處低壓區(qū)范圍隨著入口含氣率的增大而增大，表明逸出的氣體會導致漸擴段處靜壓均值降低。

圖3 水平漸擴管內(nèi)氣液兩相分布云圖

圖4 水平漸擴管靜壓分布

渦旋是由速度方向改變使得黏性力與慣性力不一致引起的摩擦效應揉搓而成，漸擴段前尖角處的奇異點正滿足渦旋產(chǎn)生的曲率條件，而渦旋的產(chǎn)生會導致壓力急劇下降，故在漸擴段入口尖角處形成了由于渦旋導致的低壓區(qū)。β=0.05時該低壓區(qū)位于管道頂部，β=0.10和β=0.15時位于管道底部，可以發(fā)現(xiàn)低壓區(qū)的存在造成靜壓分布區(qū)軸向方向上的前移，即低壓區(qū)所在的一側(cè)后部靜壓到達高壓區(qū)的距離更短，可以看出渦旋的存在對漸擴管道內(nèi)的靜壓分布產(chǎn)生影響。

②漸縮管

圖5為漸縮管氣液分布云圖。漸縮管道中氣液分離現(xiàn)象較漸擴管道而言不甚明顯，氣液分離現(xiàn)象僅在管道頂部可以看出。流體在流經(jīng)漸縮段時，管道結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，對流體流動狀態(tài)產(chǎn)生擾動，使得氣體在漸縮段入口管道上壁面處聚集，這也是漸縮管道中氣液分離現(xiàn)象最明顯的區(qū)域。由連續(xù)方程可知，受到漸縮段的影響，速度增加靜壓降低，且在漸縮段后尖角處有低壓區(qū)的形成，原因同漸擴管一致，不在此贅述。

圖5 水平漸縮管氣液兩相分布

4.總結(jié)

（1）從管道結(jié)構(gòu)方面分析，相較于等內(nèi)徑直管道，水平條件下的漸變管中有特殊的管道結(jié)構(gòu)，由于特殊管道結(jié)構(gòu)的原因使得在漸變段處產(chǎn)生壓強的大幅度變化和氣體的大量逸流，其前后承接直管段中的流動狀態(tài)也會發(fā)生改變，如漸變管存在由于奇異點造成的低壓區(qū)，低壓區(qū)的存在會導致管道內(nèi)部靜壓分布的前移。

（2）從流動阻力與能量損失方面分析，漸變管內(nèi)存在局部阻力和渦旋產(chǎn)生的損失。漸擴管具有減速擴壓的作用，伴有逆壓梯度產(chǎn)生的阻力，故在實際應用中除特殊需要外應盡量避免使用漸擴管。受到速度改變與曲率的影響，漸變段處形成渦旋，渦旋的產(chǎn)生會導致壓力急劇下降，引起能量損失。