螺旋槽管内气液两相流型的数值模拟

2018-08-03潘瑜琰李维

建筑热能通风空调 2018年6期

潘瑜琰李维

南京工业大学城市建设学院

螺旋槽管由于具有制造简单，强化传热性能好及机械强度高等优点受到了许多学者的关注。目前已有大量的学者对螺旋槽管换热与阻力特性做了实验或者数值模拟的研究[1-5]。但迄今为止，大多数以单一的介质比如水、空气、油及盐溶液作为研究对象，对于管内的无相变气液两相流却鲜有研究。而实际上，在石油天然气等运输系统中，随着流动气体温度等发生变化，经常会导致管道下部出现液相，由于液相的迟滞作用，造成较大的输送压降，不利于确定管道动力系统的输送功率[6]。因而气液两相流的研究对于石油管路输送有着重要的意义。从De Scheepper[7]应用Fluent软件第一次对管道流型的汇总模拟，模拟涵盖水平管内空气-水和油-气两相的六种流型（层状流、波状流、段塞流、团状流、环状流、泡状流），模拟结果与流型图预测的流型相吻合以来。数值模拟方式目前已经广泛应用于管内气液两相流动的研究，周云龙等采用VOF模型对微重力环境下水平方管[8]和矩形截面蛇形微通道内[9]空气-水以及制冷剂蒸汽-液体的两相流动进行数值模拟，得到了泡状流、弹状流、搅混流和环状流4种典型流型下压降分布，但数值模拟的报道集中于光滑微通道[10]、微重力、T型管道[11]内的气液两相流动流型的研究以及弹状流中气泡生成过程[12]，对于螺旋槽管内气液两相流动的流型目前还未见到报道。本文采用数值模拟方法，通过建立水平螺旋槽管和光管内空气-水两相流三维非稳态模型，对其内部流动特性进行数值研究。

1 管内气液两相流的基本流型及压降计算方法

在水平管道中，由于重力的作用气体一般在管道上部液相流体沉积在管道下部，形成分层流动，随着流速的增大，两相之间相互掺混，掺混程度的不同又可分为波状流，冲击流和环状流等，一般水平管道的流型一般分为五种，如表1所示。

表1 水平管内气液两相流型划分

2 计算模型与模拟方法

2.1 物理模型

本文研究的管道为水平放置的光滑圆管和螺旋槽管，左端为混输流体进口，右端为混输流体出口。管道内径19 mm，厚度为3 mm，长400 mm。螺旋槽管为半圆形槽，槽深1 mm，槽宽2 mm，槽距10 mm，螺旋槽管的具体结构如图1。

图1 螺旋槽管结构图

2.2 两相流模型

Fluent中的欧拉-欧拉多相流模型遵循欧拉欧拉方法，不同的相被处理成互相贯穿的连续介质,且某一体积不能同时被两个或两个以上的相占有，引入了体积率的概念，定义体积率是时间和空间函数，并且是连续的，此外在任一空间内，各相的体积率之和为1。各相都具有自己独立的守恒方程组。

VOF模型是在流场中引入一个标量函数，值为0到1之间，当网格单元内只包含一种流相时，该流相对应的标量函数的值为1，另一种流相对应的函数值为0，当网格单元中包含两种流相时，则两种流相的标量函数值之和为1。它其实是一种在固定的网格下的界面跟踪法，求解一个体积分数的输运方程而得到两相的分布情况。VOF模型比较适合工程计算，如分层流、自由面流动以及大气泡流的液-气分界面的稳态或瞬态分界面的计算。

本文主要研究长水平管道内空气和水的两相流，在流动中各种流型中气液相间存在明显的分界面，针对本文研究的问题选定VOF来模拟计算各流型的速度、压降及界面的气液两相分布情况。

2.3 控制方程

VOF模型中每个控制容积内所有相的体积分数之和为1，对于每一相都有其体积分数连续性方程：气相：

液相：

式中：α为体积分数；u为速度，m/s；下标v表示气相，下标l表示液相。

质量守恒方程：

式中：ρ为气液两相平均密度，kg/m3，满足 ρ=αvρv+αlρl。

动量守恒方程：

式中：p 为压强，Pa；μ 为动力粘度，N·s/m2，满足μ=α1μv+α2μl；F 为表面张力的等价体积力，N，满足F=2σknρ/ρv+ρl。

标准k-ε模型的k方程：

式中：σk为湍动能k的湍流普朗特数，取σk=1；Gk便是由于平均速度梯度引起的湍动能k的产生项；Gb表示由于浮力影响引起的湍动能k的产生项；YM表示可压缩湍流脉动膨胀对总的耗散率的影响；G1ε、G2ε和 G3ε为经验常数；Sk为用户定义的源项；μt为湍流粘性系数，满足 μt=ρCμ(k2/ε)；Cμ为经验常数，取 0.09。

ε方程：

式中：σε耗散率ε对应的湍流普朗特数，取σε=1.3；G1ε、G2ε和 G3ε为经验常数；Sε是用户定义的源项。

2.4 网格建立及数值求解

2.4.1 网格的建立

在本研究中，数值模拟研究关注的是管内流动的相界面的变化，所以采用ICEM CFD对管道建立三维模型，进行结构化的六面体网格划分。在本文的研究的光滑管道和螺旋槽管中都采用了O型网格，使得靠近壁面的边界层网格更加规范。在螺旋槽管的网格创建过程中使用了周期网格技术，先创建10 mm也就是一圈的螺旋槽管网格，再对网格进行周期性生成得到所需的管道长度。其网格划分的结果如图2。

图2 网格结构图

2.4.2 网格无关性检验

在网格的建立中对比了网格数量为14万、41万、72万、208万模型计算结果，发现当网格数大于72万时计算结果不再随网格数的增加发生明显变化。综合考虑计算精度与花费时间，在本文中选择了72万网格的模型为计算模型进行研究。

2.4.3 数值求解

多相流模型采用VOF模型，湍流模型采用标准的 k-ε 模型，湍流方程系数取 G1ε=1.44，G2ε=1.92，G3ε=0.99，壁面函数采用标准壁面函数。本文以常温下的空气为气体相，常温下的水为气体相，第一相设置为液态水，第二项设置为空气。将两相流视为不可压缩流体，选择压力基求解器，由于流型发展变化是一个非稳态的过程，因此选用非稳态求解器进行求解，时间步长设置为10-5s，计算时长为0.4 s，以残差全部小于10-6作为收敛标准。壁面选择无滑移静止壁面，操作压力为大气压，重力方向为Y轴负向，大小为9.81 m/s2。空气与水的物性参数采用Fluent材料库中空气与液态水的属性，不考虑压力和温度的变化。在本文中选择垂直于进口速度入口边界，湍流强度由公式I=0.016(Re)-0.125的确定，计算中发现在本研究涉及的工况范围内的湍流强度均接近0.05，所以设置湍流强度为5%，水力直径为管道直径0.019 mm。并在入口空气体积分数中设置所需的空气体积率。出口采用自由出流出口。

选用基于Piso算法的压力-速度耦合方式，迭代格式采用高斯格林迭代格式。采用几何重构方案求解各相的容积比率方程来提高相界面的清晰度。压力选择交错压力差分格式，动量和湍动能采用一阶迎风离散格式。

3 模拟结果与分析

管内气液两相流动的数值模拟工况取自曼汉德流型图，模拟包括光滑圆管和螺旋槽管内64个工况，将所有模拟工况在曼汉德流型图标出，如图3所示。

图3 模拟工况在曼汉德流型图中的分布

3.1 不同液相折算速度模拟

图4给出了气体流量不变，气相折算速度VSG=1 m/s液相折算速度VSL分别为0.1，0.2，0.3，0.5，0.8，1.2，1.5，1.75，2 m/s时管内气液相体积分布正面图。由图可以看出，液相流速较小时（VSL<0.5 m/s），除入口一小段不稳定之外，光管气液两相上下分层流动，随着气相流速的增大，液相流体占据的空间向上延伸，当液相流速达到1.2 m/s时，液相流体已经向上延伸至上管壁，气体则以气泡气团的形式分布在管道中。而螺旋槽管则是在气液流速较小时（VSL<0.5 m/s）呈现气液两相呈现上下分层流动的基本形态，但液相的分布不像光管集中于管道下部而是有少部分的液体附着在管壁上，正面呈现波状分层流的形态，随着液相流速的继续增大，当VSL=0.8 m/s时，液相流体液向上延伸至上管壁，随着液相流速的继续增大到VSL>1.2 m/s时，气液两相的流动呈现分段式的气泡气团流的流动状态。

图4 不同液相折算速度时管内气相体积分布

图5给出了气体流量不变，气相折算速度VSG=1 m/s液相折算速度VSL分别为0.1，0.2，0.3，0.5，0.8，1.2，1.5，1.75，2 m/s时管内气液相体积出口分布图。由图可以看出液相流速较小时（VSL<0.5m/s），相界面是水平的，随着气相流速的增大，液相流体开始沿着管壁向上攀升，当液相流速达到1.2 m/s时，气体则以环状气泡气团的形式分布在管道中。而螺旋槽管则是在气液流速较小时（VSL<0.5 m/s）时，液相的分布不像光管集中于管道下部且具有水平的相界面，而是有少部分的液体附着在下部管壁上呈现类似于液膜的方式流动，随着液相流速的继续增大，液相流体液向上延伸至上管壁（VSL=0.8 m/s），随着液相流速的继续增大（VSL>1.2 m/s），气液两相呈现气泡气团流动，在螺旋槽附近都出现了液相或气相的聚集。

图5 不同液相折算速度时管道出口气相体积分布

由光管的气相体积分布可以看出随着液相流量的增大，流型发生了从分层流到气泡流与气团流的转变，转变区间为液相流速0.5～1.2 m/s之间，这基本能够反映曼汉德流型图的流型划分情况。而对于螺旋槽管，在液相折算速度较小时，气相两相也有分层流动的基本形态，但是由于螺旋槽管的特殊结构，径向的剪切力使得液相流体在折算流速较小时就对管壁有攀升作用，气液相界面不像光管中呈现水平面，而是出现了类似液膜的管道下部液体层，并且在螺旋槽的周围出现了液相流体的聚集现象，破坏了本来应该有的边界层。随着液相折算流速的继续增大，气液两相掺混更加明显，与光管不同的是由于螺旋槽的特殊结构，气液两相流动出现了与螺旋槽管结构相适应的特殊形状分段式的气泡气团流动，且在螺旋槽附近有液相或气相的聚集，转变区间为液相流速0.5～0.8 m/s之间。

3.2 不同气相折算速度模拟

图6给出了液体流量不变，液相折算速度VSL=0.1 m/s，气相折算速度VSG分别为1，2，3，5，8，12，15，17.5，20 m/s时管内气液相体积分布正面图。由图可以看出，光管中当气液流速较小时（VSG<3 m/s），气液两相呈明显的上下分层流动，但在VSG=3 m/s时，气液两相分层流动是有波浪的；随着气相流速的增大，当气相流速VSG>5 m/s气液两相不再是分层流动，液相流体以液滴的形式分布在管道中随着气相流速的增大，液滴越来越小，分布也越来却稀疏。而对于螺旋槽管，由于其结构的影响在液相流速较小时表现为分层波状流，随着气相流速的增大，这些流量较小的液体在螺旋槽附近聚集，形成与螺旋槽结构相似的分段流。随着气相流量的进一步增大，局部的液膜也被破坏，形成了分段液滴流。

图7给出了液体流量不变，液相折算速度VSL=0.1 m/s，气相折算速度VSG分别为1，2，3，5，8，12，15，17.5，20 m/s时管内气液相体积出口分布图。由图可以看出，在光管中，当气相流速小于2 m/s时，气液两相分层流动且具有水平相界面，当气相流速增大到3 m/s时，气液两相分层的界面则不再水平出现了波浪，随着气相流速的继续增大，当气相流速大于8 m/s时，气液两相不再分层流动，由于此时液相流速很小，液量小，液体被较大的气流速度冲散，以液滴的形式被气相流体夹带到管道中流动，随着气相流体的继续增大，液滴被冲散得越来越小。而对于螺旋槽管，在气相流速较小时（VSG=1 m/s），液相流体以半环状液膜的形式附着在管道下壁面，随着气相流速的增大，这些流量较小的液体在螺旋槽附近聚集，形成与螺旋槽结构相似的局部环状流。随着气相流量的进一步增大，局部的环状液膜也被破坏，形成了液滴环状流。

图6 不同气相折算速度时管内气相体积分布

图7 不同气相折算速度时管道出口气相体积分布

由光管的气相体积分布可以看出随着气相流量的增大，流型发生了从分层流到波浪流再到液滴夹带流的转变,转变区间为气相流速5 m/s～12 m/s之间。而对于螺旋槽管，在液相流速较小时，螺旋槽结构对两相流的影响主要表现在其影响了界面形状，与光管不同形成波浪流。当气相流速较大时，螺旋槽结构对两相流的影响主要表现在附加局部阻力，使得仅有的少量液相流体在螺旋槽附近聚集，而且这种聚集的效果是与螺旋槽结构相适应，也是周期性的，所以与光管中不同螺旋槽管中的两相流呈现出一种分段式液滴环状流的流态，转变区间为气相流速5～8 m/s之间。