含气率对长圆管内气液两相流流场特性的影响*

张 涛，方 舟，董 皓，张君安

(西安工业大学 机电工程学院，西安 710021)

管道流动是一种极为常见的流动形式，具有极强的随机性与非线性，尤其是广泛存在于核能、化工、石油和航天等工业设备中的管内气液两相流的流动。由于气液两相流流动过程中的不确定性，两相相间界面效应的存在，使得气液两相流流动过程变得十分复杂，而气液两相流中的含气率是影响气液两相流相间界面效应的关键因素，对揭示气液两相流流场形态的分布及流场特性具有重要的理论意义。

目前，国内外相关领域的专家学者们针对气液两相流的流场分布进行了研究，文献[1]对水平管气液两相流流型进行了图像信号分析，为进行两相流动力学特性分析提供有效辅助诊断工具；文献[2]采用实验研究的方法对气液两相流气相速度场的分布进行了研究，并利用数值模拟的方法对实验结论进行了验证；文献[3]论述了两相流泵的研究成果，并探讨了气液两相流领域中应进一步研究的问题；文献[4]对气液两相流流动特性进行了可视化的研究，得到了不同工况下的流型变化特点及影响因素；文献[5]采用阻力系数法对垂直管流的深度压力进行了计算，为解决油气井的优化设计提供了依据；文献[6]对水平管内气液两相流动的动态压降信号与空隙率的关系进行了研究，对气液两相流系统运行状态的在线监测具有实用价值；文献[7]采用数值计算的方法对气液两相流流动的动力学问题及两相湍流流动特性进行了预测；文献[8]通过构建气体体积分数测量模型，提高了对气液两相流中气体体积分数测量的准确度，并对其进行了验证；文献[9]对管道中润滑油的输送过程进行了数值计算，认为雷诺数是影响润滑系统中油的状态的关键因素；文献[10]研究了废热锅炉火管管束间的气液两相流流场、温度场的分布状态，得到了含气率的分布规律及计算公式。

本文根据长圆管的结构特点，通过改变气液两相流的混合比例，利用数值计算的方法，有针对性的研究含气率对长圆管内气液两相流流场特性的影响，其结果将有助于了解长圆管内气液两相流的流动机理。

1 长圆管内部气液两相流流场分析模型

1.1 物理模型

根据长圆管的结构特点及其工作原理，建立长圆管物理模型如图1所示。同时，根据数值计算的精度要求，建立长圆管的网格模型，如图2所示，其中图2(a)所示为长圆管工作状态位置的网格图，图2(b)所示为局部网格放大图，图2(c)所示为六面体网格单元图。

1-径向气浮支撑；2-长圆管

图2 长圆管网格模型

本文主要研究的是含气率对长圆管内气液两相流流场特性的影响，其中涉及的气液两相流是由纯水作为基本相，由空气作为第2相混合而成。为了提高数值计算的效率，保证数值计算的精度，假设气液两相流为连续流动的黏性不可压缩流体，且各流体组分的物性参数均为常量，在流动过程中不涉及热传递。

1.2 控制方程

气液两相流在流动过程中始终遵循质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律[11-13]，由于气液两相流在流动过程中不涉及热传递，故数值计算过程中不进行能量方程的求解。根据气液两相流在长圆管内的流动特点，当气液两相流的流动为湍流流动时，需要通过数值计算的方法求解气液两相流湍流流动的湍动能及湍流耗散率，从而实现对流体湍流流动的数值模拟，即

(1)

式中：t为时间；k为湍动能；ε为湍流耗散率；ρ为气液两相流密度；μl、μt分别为层流黏性系数与湍流黏性系数；σk为湍动能k的湍流普朗特数；Gk为层流速度梯度引起的湍流动能；Gb为浮力引起的湍流动能；σε为湍流耗散率ε的湍流普朗特数；C1,ε、C2,ε、C3,ε为经验常数；x为流场位置坐标。

由于气液两相流相间界面效应的影响，使得气液两相流流动过程中相间自由面形态的变化成为揭示气液两相流流动的关键，因此，需求解多相流方程实现对气液两相流自由面运动形态的追踪，即

(2)

2 长圆管内气液两相流的流场分布

基于流体力学基本理论与多相流基本理论[14-15]，采用有限体积法，定义气液两相流的平均流速为v=0.5 m·s-1，通过数值计算的方法分析不同含气率α的气液两相流流场分布状态，如图3所示，其中图3(a)所示为水平截面位置的流场分布状态，图3(b)所示为竖直截面位置的流场分布状态，图3(c)为圆周A-A截面位置的流场分布状态。

从长圆管不同截面的气液两相流流场分布状态可以看出，当长圆管内的流体为单一液相时，流体流动形态为均匀单相流体的湍流流动，随着气相流体的加入，含气率α=1%时，流体流动过程中会

图3 不同含气率的气液两相流流场分布状态

有一定量的气泡出现，流动形态表现为气泡流；含气率增大到α=10%时，受环境重力与气液两相相间界面效应的影响，两相分界面上出现波浪，形成波状流；当含气率进一步增大到α=50%时，气液两相流流动形态保持波浪状，相间界面效应明显；含气率增大到α≥80%时，气相流体对液相流体表面作用增强，液相流体的流动效应被削弱，波浪状逐渐消失，流动形态转变为层状流。

3 仿真实验结果与分析

根据长圆管内不同含气率的气液两相流流场分布规律，去除外界环境因素及系统自身因素的影响，通过数值计算得到不同含气率的气液两相流流场分布所引起的流场作用力，见表1。

表1 不同含气率的气液两相流流场作用力

通过对数据进行拟合处理，得到气液两相流中含气率的变化对气液两相流流场分布所引起的流场作用力的影响曲线，如图4所示。

图4 含气率对流场作用力的影响曲线

从图4中可以看出，气液两相流的平均流速为0.5 m·s-1时，气液两相流的流动为湍流流动，受湍流流动效应及流体物性参数的影响，含气率为0，即流体为单一液相时，流体流动产生的流场作用力最大。随着含气率的逐渐增大，气液两相相间界面效应对流场作用力产生影响，表现为含气率越大，气相流体对液相流体产生的相间界面效应越明显，液相流体作用减弱，导致流体作用于长圆管管壁的流场作用力减小。

4 结 论

1) 随着气相流体的加入，受含气率的影响，气液两相流在流动过程中呈现出不同的流动形态，表现为，含气率α<50%时，气液两相界面效应的存在使得两相分界面出现波浪状，含气率α>50%时，液相流体流动效应减弱，两相分界面呈分层状。

2) 气相流体加入液相流体中形成气液两相流时，由于气液两相流体各组成成分物性参数的差异，引起气液两相流相间界面效应的变化，随着气液两相流含气率的增大，液相流体流动效应被削弱，长圆管内壁受到的流场作用力减弱，且含气率越大，管壁所受的流场作用力越小。