水平渐变管内油气两相流的数值模拟

＊王怡菲 潘琼毅

（沈阳航空航天大学 国际工程师学院 辽宁 110136）

从基础研究以及在流程工业中的应用来看，对多相流现象的认识非常重要。例如，化学反应器、发电厂和输油管道，其中多相流行为影响着效率和安全问题[1-2]。本文主要针对气液两相流进行数值模拟与分析，由于水具有经济适用性与安全性，目前国内外关于气液两相流的文献仍以空气/水的实验为主，油的物理特性与水有较为明显的区别，不再适用于水-气两相流的物理模型。在油气运输管道中渐变管道是典型的局部管道部件[3]，相较于等内径直管道，渐变管具有特殊管道结构，由于渐变段存在造成的局部阻力损失。因此，对水平条件下渐变管内油-气两相流的特性研究对降低能耗、优化管道结构和保障运输安全具有积极意义。

气液两相流流动特性的研究一直是国内外学者重点关注的问题，传统气液两相流的研究多通过实验方法[4]，随着模拟仿真技术的发展，Fluent作为一种可靠的仿真软件被用于流动阻力管道科学研究中[5]。L.Szalinski等[6]将水气两相流和油气两相流在垂直管道中的流动状态进行对比，得到了气体体积分数曲线与气泡尺寸分布。刘文红和郭烈锦等[7]利用水平条件下的玻璃管对油气两相流进行了实验研究，结果显示理论计算值与实验测量值吻合良好。李爽等[8]对上倾管内高黏油气两相流的流型和压降特性进行了实验研究，验证了OLGA模型和Zhang模型对于压降的计算精度。叶青等[9]对滑油管道装置内进行试验并利用CFX对实验结果进行数值模拟，得到压力脉动随流量的变化关系。

本文基于数值模拟软件Fluent进行渐变管道内的油气两相流的三维稳态模拟，分析两相流沿管路的压降规律，可为油气两相管流的研究提供借鉴。

1.数学模型

油气两相流在渐扩管中的流动遵守连续方程和动量守恒方程，流动过程中不会通过壁面向外界散失热量，视为绝热流动，故不考虑能量方程。

(1)控制方程

Mixture模型对于各相以相同速度运动的均匀多相流的求解精度较好，其控制方程如下：

连续方程为：

动量方程式为：

由第二相（p）的连续性方程，可得第二相的体积分数方程为：

湍流模型采用Realizable k-ε模型，该模型在有旋转流动、强的逆压梯度下的边界层流动、分离流、回流以及有复杂二次流等情况下，均有更好的性能。

湍流方程式为：

(2)计算条件与求解方法

数值计算中，壁面为无滑移绝热壁面边界条件；入口边界条件设置为速度入口边界，大小为3.03m/s；出口边界条件为压力出口边界，取值为大气压；选择标准初始化，其中湍流强度设为5%；各项残差均设为1.0×10-4。选用基于压力求解器的稳态模拟，求解方法采用SIMPLE压力速度耦合算法。

文章中所研究的液体介质为4010航空润滑油。油箱中的气体介质近似为空气。流动介质的物性参数如表1所示。

表1 研究介质的物性参数

2.几何模型及网格划分

二维几何模型具体尺寸和网格划分如图1所示。针对三维管道立体结构，选用O型网格和六面体结构性网格进行划分，所有网格单元质量均大于0.73，网格总数为405300。

图1 几何结构与网格划分

3.数值模拟与分析

本节利用数值仿真软件对油气两相流在变含气率条件下渐变管道中的流动情况进行了模拟与分析，为使模拟得到的数据更加可靠，在管道中建立了多个监测面，用来观察流体在管道中的真实流动情况，监测面建立如图2。

图2 监测面建立示意图

(1)不同含气率条件下气液两相分布情况分析

①渐扩管

图3为渐扩管道的气相分布云图。渐扩管中在渐扩段最先开始发生气液分离现象，随着入口含气率β的增加，气液分离现象愈加明显。在β=0.05时，仅渐扩段上壁面出现气液分离现象，β=0.10开始，渐扩段四周管壁开始出现明显气液分离现象，得到入口含气率的变化对渐扩段处的气液分离有较大影响。随着渐扩段处聚集气体增多，由图4水平渐扩管静压分布云图可看出，渐扩段处低压区范围随着入口含气率的增大而增大，表明逸出的气体会导致渐扩段处静压均值降低。

图3 水平渐扩管内气液两相分布云图

图4 水平渐扩管静压分布

涡旋是由速度方向改变使得黏性力与惯性力不一致引起的摩擦效应揉搓而成，渐扩段前尖角处的奇异点正满足涡旋产生的曲率条件，而涡旋的产生会导致压力急剧下降，故在渐扩段入口尖角处形成了由于涡旋导致的低压区。β=0.05时该低压区位于管道顶部，β=0.10和β=0.15时位于管道底部，可以发现低压区的存在造成静压分布区轴向方向上的前移，即低压区所在的一侧后部静压到达高压区的距离更短，可以看出涡旋的存在对渐扩管道内的静压分布产生影响。

②渐缩管

图5为渐缩管气液分布云图。渐缩管道中气液分离现象较渐扩管道而言不甚明显，气液分离现象仅在管道顶部可以看出。流体在流经渐缩段时，管道结构发生改变，对流体流动状态产生扰动，使得气体在渐缩段入口管道上壁面处聚集，这也是渐缩管道中气液分离现象最明显的区域。由连续方程可知，受到渐缩段的影响，速度增加静压降低，且在渐缩段后尖角处有低压区的形成，原因同渐扩管一致，不在此赘述。

图5 水平渐缩管气液两相分布

4.总结

（1）从管道结构方面分析，相较于等内径直管道，水平条件下的渐变管中有特殊的管道结构，由于特殊管道结构的原因使得在渐变段处产生压强的大幅度变化和气体的大量逸流，其前后承接直管段中的流动状态也会发生改变，如渐变管存在由于奇异点造成的低压区，低压区的存在会导致管道内部静压分布的前移。

（2）从流动阻力与能量损失方面分析，渐变管内存在局部阻力和涡旋产生的损失。渐扩管具有减速扩压的作用，伴有逆压梯度产生的阻力，故在实际应用中除特殊需要外应尽量避免使用渐扩管。受到速度改变与曲率的影响，渐变段处形成涡旋，涡旋的产生会导致压力急剧下降，引起能量损失。