T型管内两相流数值模拟探析

门嘉铖

（西安石油大学，陕西 西安710000）

现阶段，通过对T型管的应用经验总结与研究结果分析，发现不同的结构能够产生差异化的局部损失：一方面，会增加运输费用；另一方面，会对油气产生一定的浪费。以大庆油田为例，在油田油水混输过程中，其中的含水量已经大于80%[1]。不仅提高了油田开采成本，也不利于节能目标的实现。当前，在T型管内油水两相流数值模拟方面的工作开展相对较好，已经积累了一些数据，有利于为后续的管路结构优化提供参考依据。另外，在两相流动数值模拟过程中，模拟软件的使用，也提高了数值模型的精准性与模拟的高效性。因此，总体上的研究成果较大。具体分析如下。

1 两相流理论与实验技术概述

当并联配管内的两相流动出现分配差异现象时，在根本上是由T型管内两相流分配差异所致。因而在现代核能发电、石油开采行业中对于T型管内两相流分的研究相对较多。以石油开采为例，当管网中通过高温高压水蒸汽时，于闷井操作条件下易出现油井水蒸汽干度高、充满高温热水的现象，此时容易导致原油开采量下降、闷井操作效率下降等情况[2]。同时在U型、Z型配管中，汇流、分流T型管应用较多，且存在组合形式，所以，在两相流物性相关因素影响之下，容易发生复杂变化。所以，需要对其进行专项化的研讨。

1.1 两相流理论

自20世纪中叶以来，两相流理论研究逐渐增多，其中分相模型、均相模型一直占据着主流地位。下面分别从共性、差异性、适用性三个方面展开说明。

从共性因素看，两种模型均假定了在热力学平衡状态下的气相与液相，且当平均流速一样时，两种模型之间的差异将消失。从差异性看，在均相模型理论应用时，通常需要假定3个基本条件：一是气流两相混合均匀，无速度滑移现象发生；二是两相处于热力平衡状态，确保液体与蒸汽在温度方面具有一致性，在状态方面始终保持在饱和状态；三是采用科学方法精准定位单相摩擦系数。在该模型下可以进一步创建漂移流模型。与均相模型相比，分相模型主要是假定两相处于分离状态，然后从单独流动的角度，结合相间作用等进行计算。从适用性看，均相模型在雾状流、泡沫流中的应用相对较好，并且有利于在高压大流速情况下增强计算的精准性；而分相模型则在环状流、分层流中的应用较好，尤其在气流分界面可以产生较好的计算效果。

1.2 两相流实验技术

两相流流动特性具有多变性、复杂性等特征，因此在两相流实验时难度也随之增大。根据现阶段的实践经验看，在两相流实验、参数测量方面可以应用传统方法，也可以采用现代信息处理技术，或者进行联合应用，并进行相互印证。以传统方法为例，在测量时通常采用单相流仪表和多相流参数测量模型相结合的方式进行操作。该实验技术的优势体现在装置简单、操作便利、适用范围广等方面。以现代信息处理技术为例，前期以过程层析成像、超声、光纤、辐射线、激光等进行非接触、实时化操作。后期伴随着AI技术的发展及应用，模式化的识别增多，主要借助三维信息评估两相流状态、辨识过程参数。如人工神经网络技术的应用等，既可以提高实验的可视化程度，也能够进一步增强数学模型描述方面的精准性，从而起到化解两相流流动的复杂变化情况等[3]。需要说明的是，在数值研究方面应用的CFD-计算流体动力学等，均可以采用ANSYSFLUENT之类的软件进行具体操作，并利用拉格朗日离散相模型，以及遵循欧拉-欧拉方法的欧拉模型、VOF-流体体积模型模型、Mixture-混合物模型，实现对不同类型两相流模型的模拟操作等。

2 创建T型管内两相流数值模拟模型

在T型管内两相流数值模拟研究中，包括了冲蚀磨损、振动特性、油水分离特性等多种内容。在实际的模拟实验中，不同模型既具有独立性，各模型之间也存在一定的关联性。例如，在油水分离特性CFD-PBM数值模拟中，通常也会配套的对其振动特性、冲蚀磨损情况等进行同步研究，进而在保障T型管内两相流数值模拟精准性的同时，全面地解析流体对管道本身的影响，最终达到提升T型管利用效率与延长其使用寿命的目标等。下面分别从物理模型、数学模型创建两个方面展开具体说明。

2.1 建立物理模型

本次模拟中，以T型内油水两相流动情况为准，重点放在主流管路、支流管路交汇位置。因而在模型建立环节，主要根据T型管路结构层面，对其不同管径比数值进行模拟，旨在分析结构与局部阻力损失之间的影响关系。首先，根据研究意图，排除对管道径向压力变化情况的分析，仅对管道轴向压力变化情况进行分析。因此，按照不同管径比、局部阻力损失、管道轴向压力变化构建T型管路二维模型。其次，本次模拟中采用的T型管，水平主管总长度为10.00 m，管径为0.10 m。水平主管油水流动方向由左至右，流速以2.00 m/s为准；垂直支管总长度为4.95 m，管径0.10 m。垂直支管油水流动方向从下到上，流速以1.00m/s为准[4]。

2.2 建立数学模型

在T型管路结构中，水平主管、垂直支管交汇位置的油水两相流动的情况及变化相对复杂。为了有效化解此类复杂情况造成的模拟干扰，通常会选择有限体积法。本次模拟中以该方法为准，建立T型管内油水两相流动数学模型。在基本控制方程方面，排除了相间能量交换问题、传热问题，因而无须选择能量控制方程。因此，仅在满足质量守恒与动量守恒方程的前提下，完成数学模型建立工作。具体如下。

2.2.1 质量连续方程

设：x方向的流体速度为u，m/s；y方向的流体速度v，m/s；油水混合密度为ρ，kg/m3；第k项的密度为ρk，kg/m3；第k项的体积分数为αk。此时，可以得到如下质量连续方程：

2.2.2 标准k-ε模型方程

设：湍动能为k；湍动能耗散率ε；湍流生成项为P；湍流消失项为﹣ρε；经验常数为Cε1、Cε2、Cμ，对应的默认值为1.44、1.92、0.09；湍动能对应的普朗特数为σk，默认值为1.0；湍动耗散率对应的普朗特数σε，默认值为1.3；动力黏度为μl，Pa·s。此时，可以得到与未知量k、ε对应的输运方程：

3 网格划分与模拟设置

3.1 网格划分

计算区域内网格数量过大、过小，会增加计算量、产生较大的离散误差。本次模拟中的类型划分以Quad为准，划分方法为Map，结构性网络为四边形。其中，内壁设置有4层边界层，壁面到第一个点的距离设置为0.001 m，以1.2作为递增比例因子，并配套进行了加密设置。

3.2 计算方法

首先，以油气含水量达到80%的大庆油田原油与水的物性参数为例进行求解，如表1所示。

表1 大庆油田实际原油和水物性参数

其次，求解过程如下：①采用压力求解器并设置定常流动；②选用混合模型作为多相流模型；③启用标准k-ε模型方程；④边界条件设置—速度入口—油水混合相湍流强度；⑤出口自由出流。

入口湍流强度：当速度为2 m/s时，为6.7%；当速度为1 m/s时，为7.3%。管壁表现为无滑移动壁面。离散议程组的求解以隐式算子分割法（PISO）为准。该算法可进行2次修正，速度与压力在第1次修正后确定，第2次修正后可达到上述方程计算中所要求的精准性。本次计算中以0.8为密度修正项和体积力修正项，以二阶迎风离散格式应用于动量离散化，QUICK应用于体积分数离散化[5]。

4 结果讨论

4.1 速度、压力云图

首先，模拟0.10 m的主管、支管管径情况。通过对速度分布云图的分析可知，交汇之前，两种流体在各管理段已经实现充分混合，并且于交汇位置发生了急剧性的速度变化情况。交汇一段时间后，又回到充分混合状态。由压力分布云图可知，交汇前，压力在各管段上均处于稳定状态，交汇位置出现了急剧的压力变化情况。同时，形成了高压区，因而出口流出过程中，流体压力下降速度较快。低压回流区后形成了交汇附近壁面。经过低压回流区后流出趋于稳定状态。

4.2 不同管径比下的压力

本次模拟中，主管管径为不变值，支管管径除了取值0.10 m外，又模拟了0.05 m、0.20 m管径下的情况。通过分析3种支管管径下，主管水平轴向总压、动压、静压趋势发现：①在交汇之前，主管沿水平轴向方向的截面总压存在线性下降、截面静压线性下降情况。支管管径取值0.10 m时，主管压力下降速度为﹣1 167.65 Pa/m；支管管径取值0.05 m时，该数值为﹣1 173.78 Pa/m；支管管径取值0.20 m时，对应数值为﹣1 179.73 Pa/m。主管沿水平轴方向的截面动压处于稳定状态。②在交汇位置，出现急剧性压力下降现象，支管管径变小，下降压力幅度变小，反之则变大。截面动压表现为急剧上升状态，管径变小，支管增幅程度变小，反之则变大。③在交汇之后，支管管径取值0.10 m时，主管压力下降速度为﹣2 214.32 Pa/m；支管管径取值0.05 m时，该数值为﹣1 666.74 Pa/m；支管管径取值0.20 m时，对应数值为﹣3 506.01 Pa/m[6]。截面动压处于稳定状态，支管管径变小，截面动压变小，反之则变大。

5 注意事项

首先，T型管内的流体压强会对管道产生影响。例如，在本次研究中油与水作为流体，会对T型管道产生一定的影响，因而在模拟实验中通常需要对流固耦合情况下的T型管振动特性进行配套分析。以水体为例，在T型管中存在两个进水口，此时，可以在确定水体每秒钟的流动速度的情况下，借助双向流固耦合方法模拟T型管模态。进而在T型管固有频率已知的前提下，对水体压强固有频率的影响因素作出具体分析。从实践经验看，在高应力区域中，垂直方向的水体可以产生一定的冲击力，从而改变水体流动状态。此时，管壁受到的水体流动作用力也会相应增大。

其次，T型管内的不同流体速度会对固有频率产生影响。当T型管固定时主管道进口、分支管道进品的油与水两种流体的速度均存在差异。两种流体在不同的速度下也会对T型管道固有频率产生较为微弱的影响。例如，在分支管道进口中的流体速度确定时，等效应力、管道变形之间存在明显的不同，除T型管高应力区域（结合部位）达到变形与应力最大值外，下游也会同时发生应力与变形集中现象。由此可见，虽然不同流体速度对固有频率的影响相对微弱，然而当支管速度增大时，结合部位、下游壁面仍然不可避免地会受到流动侵蚀。而且，这种流动侵蚀会伴随着T型管道使用时间的延长而引发焊缝开裂等问题。所以，在对T型管两相流数值进行模拟分析时，要从关联因素的角度充分考虑两相流流体本身的流动特性。例如，在本次研究中根据对水体与油体压强与固有频率之间的关系、不同流体速度对固有频率影响的配套分析，可以较好地实现对相关问题的预防、延长管道的使用寿命等。

6 结束语

总之，T型管的使用，有利于化解油田中后期开采油气产品含水量较大的问题。通过以上初步分析可以看出，对T型集输管路油水两相流数值进行Fluent软件模拟分析，能够了解轴向压力分布在不同管径比下的具体情况。借助对比各种压力分布情况，可知在交汇位置局部阻力最大，并且，交汇前后的摩擦阻力明显小于局部阻力。通过对不同垂直支管管径的比较可以看出，管径变小，局部损失会相应减小，反之则会增大。所以，结合对T型管内两相流数值模拟分析结果，在优化T型管路结构时，应该减少支管管径，使其达到优化目标。建议在当前阶段，加强多种管径比下的压力分析，尽可能细化各项测算数据，在减小误差的同时，提升优化效率等。