气液速度对智能倾斜管道内段塞流影响的数值模拟研究

邱子涵，苏永刚

（长庆油田分公司第二输油处，陕西 咸阳 712000）

目前，全球能源格局正在发生深刻地变化，世界能源贸易重心正从大西洋盆地向亚太地区转移。“一带一路”的实施将基于沿线国家的油气管网形成多条经济与文化交流的走廊。根据国家发改委2017年7月发布的 《中长期油气管网规划》，到2025年全国油气管网将发展至24×104km［1］。为此，中国油气管道行业提出了以 “信息化和工业化深度融合”为核心的 “智能管道”“智慧管网”发展理念。

国内外在管道智能化建设方面仍处于数字化建设的初级阶段，尚无法为油气管道提供全面的智能决策理论和技术支持。2005年双兰线［2］首次将施工数据纳入十字管道数据库。2009年［3］基于川气东送管道建设，中石化开始数字管道建设技术的研究并建设了3D管道GIS系统。2014年［4］中石化总部正式启动了 “中国石化智能化管道管理系统”项目，并在试点企业已经正式上线运行。2016年［5］中国石油管道公司以中俄东线为试点，初步开展了智能化管道建设的探索。

长庆油田作为中国第一大油气田于2019年也开始大力推行智能管道的建设。长庆油田分公司第二输油处围绕 “数字长庆、智慧油田”整体部署要求，加快构建管道信息化智慧管理新模式，实现长输管道生产运行科学化整体水平。洪德输油站隶属于长庆油田分公司第二输油处，所辖洪德、山城、甜水、惠安堡四个站点。其中马惠线跨越大型黄土冲沟两处，在日常生产运行条件下，如停输、清管、流量变化等常规行为，都会引发段塞流，段塞流的间隙性引起整个管线系统的振动，可能造成管道弯头、补偿器、换热器等疲劳失效，严重缩短这些零部件的使用寿命，为原油的安全输送埋下巨大安全隐患。本文将智能管道与倾斜管段塞流模型算法相结合，对管道的风险识别、运行控制、优化调度等方面提供参考。

1 倾斜管段塞流的数值模拟

1.1 物理模型的建立

倾斜管段塞流数值模型以图1中的水平与倾斜管组合系统作为数值模拟对象，对段塞流的形成机理和流动特性进行研究，并将其定义为倾斜管系统。

图1 水平-倾斜管物理模型

倾斜角度α为15°。其中，水平段为气液两相入口，倾斜段为气液两相出口。本模拟中，以空气为分散相，水为连续相。

1.2 网格划分

利用ICEM CFD网络生成软件导入几何文件，进行几何检查及修复，根据几何特征，如图2所示。

图2 倾斜管道C-C剖面网格拓扑结构

分别采用O、C、H、J拓扑结构的组合，生成分块六面体贴体网络。计算域内网格的总数为5.805×106，并且在管道内壁设置了5层边界层，边界层高度按幂函数增长，使壁面y+值满足湍流模型和壁面函数的条件。管道轴向 （液体流动方向）的网格采取均匀分布的形式，其厚度为0.0196 m。此外，因为流体在气液进口与出口的流动状况较为复杂，所以对这部分网格进行了局部加密。

1.3 边界条件

边界条件确定了物理模型边界的流动变量，这是数值模拟的关键。本倾斜管段塞流模型的边界类型主要包括：进流边界条件、出流边界条和固壁边界条件。1）进流边界条件：管道右端入口设置为气液两相相速度入口 （velocity inlet）；2）管道左端出口设置为压力 （pressure outlet）出口；3）由于管道内壁是固定不动的，在壁面上采用无滑移条件，依然采用壁面函数法。文中的管道系统为绝热系统，不与内流场发生热交换。

本算例的工况设置为一个大气压，垂直方向设置重力加速度-9.81 m／s2。

2 混合相速度对倾斜管内段塞流的影响

以图1中的水平-倾斜立管系统为对象，根据段塞流各个阶段的气液流动过程，建立其三维瞬态分相理论预测模型。算例分别选取水为液体介质，空气为气体介质，组合成四个算例，分别定义为Case1-Case4，具体的物性参数组合工况如表1所示。

表1 物性参数组合工况

2.1 倾斜管段塞流三维结构相图

以Case1-Case4为例，采用数值模拟方法，对段塞流的形成机理进行归纳和探索。通过三维结构相分布图3看出：

1）在角度和含气率一定时，当气液相通过右端入口进入水平管道之后，随着速度的增加，气液两相流在入口处已完全分层，在水平管段处液面保持不变。气相 （蓝色）在液相 （红色）上方，气液两相间具有明显的分界面。

2）当混合相折算速度为u＝0.50 m／s和u＝1.00 m／s时，由于倾斜段已形成气塞，接近拐弯处水平液位缓慢升高。当液面靠近于管道上壁面时，说明液相已经逐渐产生液塞并且开始向倾斜管路内延长，由于实际情况中段塞流中段塞的运动速度较快，难以观测，在数值模拟中可以清晰地看出气流吹起的液波高达管顶，阻碍管道流通面积，形成液塞，流型由分层流转变为段塞流。

3）运动过程中液塞侧边界因受到边界层的扰动而呈现明显的波动形态，波动沿着管路法线方向流动，波动的幅度由气相和液相之间的相对速度和其性质来决定，如密度和表面张力。而尾部由于边界层液体的返混而收窄。

4）当混合相折算速度为 u＝1.44 m／s和u＝2.00 m／s时，通过相分布云图可以看出，在倾斜角角度和含气率一定的情况下，水平-倾斜管内呈现分层流状态。这是由于在给定的气液相折算速度下，连续波速低于动力波速，分层流保持稳定。

由上述气液流动过程的数值模拟可知，对于水平-倾斜立管系统，由于倾斜管中流动方向和理想气液界面非平行导致气液相界面不稳定，导致液塞和气塞的形成，所以液塞或者气塞的形态主要受流动矢量本身和其与理想气液界面夹角两者共同作用的影响。

图3 三维结构相分布图

2.2 混合相速度对段塞流特征参数的影响

2.2.1 混合相速度对液塞频率的影响

多相流混合物在水平-倾斜管路系统内流动时，流体流量和压力压差等动力学特征参数随着流体流动产生波动。多相流混合物流体形态不同，压力压差等参数的波动特性也随之不同，特征参数的波动过程包括了流体流动系统等方面的复杂信号，可以将流量波动做快速傅里叶变换，获得液塞的波动功率谱密度曲线 （PSD），以对速度对段塞流特征参数的影响进行详尽的研究。如图4所示。由图4看出：

图4 段塞流液塞频率的PSD特征

1）在混合气液相速度u＝0.50 m／s时，液塞频率在0.7 Hz附近达到峰值，幅值为9.0×10-4kg2／s2。当速度为u＝1.00 m／s时，液塞频率在1.0 Hz附近达到峰值，幅值为1.65×10-3kg2／s2。在速度为u＝1.44 m／s时，液塞频率在0.3 Hz附近达到峰值，幅值为1.3×10-2kg2／s2。当速度为u＝2.00 m／s时，液塞频率在3.0 Hz附近达到峰值，幅值为1.8×10-2kg2／s2。

2）在图4（a） ～图4（d）中，液塞频率随着混合气液相速度的增加而增大。这是因为速度增加时，管道内截面持液率增大，液位较高，被气流吹起的液波可能高达管顶，阻碍管道流通面积，形成液桥，进而更容易发展为液塞。

2.2.2 混合相速度对液塞长度的影响

液塞长度和混合速度之间的关系如图5所示。

图5 液塞长度和混合速度之间的关系

由图5可知：

1）在气液相混合速度为0.50 m／s时，液塞长度为0.04 cm。在混合速度为1.00 m／s时，液塞长度为0.23 cm。在混合速度为1.44 m／s时，液塞长度为1.75 cm。在混合速度为2.00 m／s时，液塞长度为3.15 cm。可以看出，随着气液相混合速度的增大，液塞长度随之增加。在混合速度较小时，液塞平均长度较小。

2）当混合速度从1.00 m／s增大至1.44 m／s时，液塞长度增大幅度最为明显。这是由于随着混合速度增大，气液界面波动更为剧烈，形成的液塞将前端液膜内的液体卷吸进自身体内，此时液塞的长度增大。由动量守恒定理可得，液塞增长到一定长度后液塞尾端就会有一部分液体脱落至液塞后端的液膜中。

3）随着液塞在管路中运动，液塞前端卷吸液膜中的液体使长度增大，部分液塞尾端又脱落至后端的液膜中，这样令液塞的长度保持了动态平衡的状态。液塞长度与使气相加速的液体量密切相关。可以得出，混合速度的增大导致液塞长度的增大。

3 结论

流体流型和气液相界面特性的研究对智慧管道和油田中对段塞流的抑制具有非常重要的指导意义。本文对倾斜管内气液两相段塞流进行了模拟，通过模拟多工况下的段塞流的特征，利用模拟中段塞流特征流型出现的过程以及后续液体结构的循环，分析了监测面处速度矢量的变化规律。主要结论有：

1）含气率和倾斜角度一定时，随着气液混合相速度增大，段塞流气液界面扰动越明显。

2）随着气液相混合速度的增大使得液塞峰值频率越高，流量震荡强度增大。

3）根据液塞频率峰值经过计算得出液塞长度，在含气率和倾斜角度一定时，液塞长度随着

混合速度的增大而增大。

基于考虑气液混合速度对倾斜管内段塞流影响的研究成果，可为后续智慧管道建设提供工程参考，同时智慧管道建设中加强对倾斜管路系统段塞流相关数据的监测，做好短板分析、逐步实现管道智能应用，完善并优化现有管理模式，适应未来智能管道、智慧油田发展需求。