氣液兩相管道清管液塞頭形狀數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)

（中國石油大學(xué)（北京）城市油氣輸配技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，油氣管道輸送安全國家工程實(shí)驗(yàn)室，北京102249）

氣液兩相管道清管液塞頭形狀數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)

李立婉, 萬宇飛

（中國石油大學(xué)（北京）城市油氣輸配技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，油氣管道輸送安全國家工程實(shí)驗(yàn)室，北京102249）

使用CFX軟件對(duì)清管過程液塞頭進(jìn)行數(shù)值模擬，水和氣體作為連續(xù)相，采用VOF方法計(jì)算及歐拉-歐拉類方法中的均相模型。模擬了管道中無液膜，以及不同厚度、不同流速液膜兩種情況。并將CFX軟件模擬結(jié)果與清管實(shí)驗(yàn)結(jié)果，文獻(xiàn)中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果和文獻(xiàn)中的數(shù)據(jù)吻合較好。清管液塞頭部的形狀呈拋物線，管道中的液膜能夠顯著減小清管液塞的長度。

兩相流動(dòng)；清管實(shí)驗(yàn)；CFX模擬；液塞頭長度

在氣液兩相管道中，清管作業(yè)可以清除管道中的積液，提高管道輸送能力，保障管道的流動(dòng)安全。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)氣液兩相管道中的清管過程進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)與理論研究，但在研究中并未考慮清管液塞頭的形狀，液塞頭的形狀會(huì)影響清管液塞的長度以及阻力，因此有必要對(duì)其進(jìn)行研究。本研究使用CFD軟件建立清管模型,對(duì)不同入口液速下的流動(dòng)過程進(jìn)行模擬,分析清管過程，根據(jù)持液率隨時(shí)間的變化情況得到清管液塞頭長度,并通過清管實(shí)驗(yàn)對(duì)軟件模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，對(duì)清管模擬的理論完善、清管過程實(shí)驗(yàn)分析以及現(xiàn)場(chǎng)清管操作指導(dǎo)具有較大意義。

1 CFD模擬

1.1 數(shù)值方法

假定實(shí)驗(yàn)中的水和氣體都是連續(xù)相，采用歐拉-歐拉類方法中的均相模型進(jìn)行計(jì)算，即兩相間無質(zhì)量傳輸和動(dòng)量傳輸。湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型。

1.2 建模與網(wǎng)格劃分

利用UG軟件進(jìn)行建模，模型結(jié)構(gòu)為直徑50 mm，長10 m的三維管道。采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，用軟件ICEM進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

1.3 設(shè)置物性參數(shù)

域內(nèi)流體為兩相流，分別為水和25 ℃時(shí)的空氣，標(biāo)定了兩種物質(zhì)都為具有常數(shù)物理屬性的物質(zhì)，熱力學(xué)屬性及傳輸屬性中的相關(guān)參數(shù)均設(shè)定為CFX12.1系統(tǒng)默認(rèn)值。

1.4 設(shè)置邊界條件

（1）入口設(shè)為速度進(jìn)口，來流速度方向與進(jìn)口邊垂直；入口湍流取值為中等湍流密度（5%）。

（2）出口條件設(shè)定為平均靜態(tài)壓強(qiáng)，取值為0 Pa。

（3）采用無滑移壁面，以壁面函數(shù)法確定固壁附近流動(dòng)。

1.5 設(shè)置初始條件

使用笛卡爾坐標(biāo)系進(jìn)行初始條件的設(shè)定，通過U,V,W方向加速度值的確定來定義管道傾斜度。初始分兩種情況，一種為空管進(jìn)水，定義初始空氣體積分?jǐn)?shù)為1，水體積分?jǐn)?shù)為0；另一種為初始管內(nèi)有液膜情形，使用CCL語言定義液膜厚度。

2 清管實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)環(huán)路為水平氣-水兩相實(shí)驗(yàn)環(huán)路（圖1），包含實(shí)驗(yàn)管段以及配套的供水、供氣以及回水管線與設(shè)備。實(shí)驗(yàn)管段為長22 m，內(nèi)徑為50 mm的有機(jī)玻璃管。檢測(cè)管段采用透明有機(jī)玻璃管，可以清晰的觀察清管過程中管道內(nèi)的流動(dòng)。在檢測(cè)段安裝有7部紅外線檢測(cè)裝置，能夠檢測(cè)出液塞頭到達(dá)以及液體充滿管段的時(shí)刻。紅外檢測(cè)裝置將管道分成6個(gè)檢測(cè)段，根據(jù)液塞通過兩個(gè)檢測(cè)器的時(shí)間差Δt以及檢測(cè)器之間的距離ΔL可以計(jì)算出液塞的速度v=ΔL/Δt。根據(jù)清管液塞通過一個(gè)檢測(cè)器的t以及速度v可以計(jì)算出液塞的長度L=v×t。采樣頻率為200 Hz。檢測(cè)信號(hào)通過數(shù)據(jù)采集板卡在計(jì)算機(jī)上顯示、存儲(chǔ)。并在沿線布置3臺(tái)攝像機(jī)，實(shí)時(shí)拍攝、記錄管道中的流動(dòng)情況，拍攝速度為30幀/s。實(shí)驗(yàn)分為兩類，有液膜與無液膜實(shí)驗(yàn)，有液膜即為在開泵向管道中充水之前，管道底部有一層液膜，無液膜即管道為空管（管道底部目測(cè)無液體）。實(shí)驗(yàn)中液體速度共7組，分別為0.3、0.5、0.7、0.9、1.1、1.3、1.5 m/s，進(jìn)行了一系列液膜高度下的實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)中檢測(cè)了液塞頭的速度，長度以及管道中的液位。

在實(shí)驗(yàn)中液塞頭的速度基本保持穩(wěn)定，在管道各處的平均速度基本保持不變，液塞頭的長度在管道各處基本相同。無液膜時(shí)，受實(shí)驗(yàn)條件的限制，液速最大為1.5 m/s，在有液膜存在時(shí)，由于液膜占據(jù)了一部分管道截面積，故液塞頭的速度范圍較大，最大可以接近3.0 m/s。在管道中有無液膜時(shí)，液塞頭長度的變化趨勢(shì)有較大的不同，在液塞頭速度相同時(shí)，無液膜情況下液塞頭長度大于有液膜的情況，這主要是由于管道中的液膜對(duì)液塞頭的增長有阻礙作用。在管道中無液膜存在時(shí)，在速度較小時(shí)，液塞頭速度較長，但是隨著液速的增長，液塞頭長度迅速下降。不同液速以及液膜高度下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖2。在液速為0.3 m/s時(shí)，液塞頭長度約為400 d，液速增加到0.5 m/s時(shí)，長度迅速下降到大約138 d。在管道中有液膜時(shí)，在液塞頭的速度為0.44 m/s時(shí)，液塞頭長度大約為108 d，在速度增加到1.0 m/s以上時(shí)，液塞頭長度基本在1～2 D之間。液塞頭長度主要受液塞頭速度的影響，液膜高度影響不大。

圖2 實(shí)驗(yàn)液塞頭長度Fig.2 Liquid slug head length

3 模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

3.1 模擬計(jì)算結(jié)果及分析

在模擬中，輸出了不同計(jì)算條件下管道截面上的平均持液率，根據(jù)持液率的變化可以分析液體充滿管道截面的過程。圖3為液速1.5 m/s時(shí)管沿線的截面持液率，從圖中可以看出，在靠近管道的入口處，持液率曲線變化較快，在靠近管道出口處，最終持液率未達(dá)到1。這是由于在靠近管道入口與出口處，管道中的流動(dòng)不穩(wěn)定。在管道4、5、6 m處流動(dòng)基本達(dá)到穩(wěn)定，三處的截面持液率變化趨勢(shì)基本相同，因此選用這三個(gè)位置處的截面持液率數(shù)據(jù)分析管道中的液塞頭長度。

圖3 1.5 m/s速度下管道沿線截面持液率Fig.3 Liquid holdup of cross section along pipeline

在3個(gè)位置，液塞速度達(dá)到穩(wěn)定的1.5 m/s，與管道入口流速相同。根據(jù)持液率的變化可以計(jì)算出液塞長度，無液膜情況下的計(jì)算結(jié)果見圖4，在液體速度較小時(shí)，液塞頭長度較長，隨著液體速度的增長，液塞頭長度迅速下降，且長度隨速度的變化趨于平緩。在液速為0.5 m/s時(shí)，液塞頭長度為104 D，而在液速增加到0.7 m/s時(shí)，液塞頭長度為104 D，液塞頭長度銳減為62 d，而在液速為2 m/s以及2.5 m/s時(shí)，液塞頭長度變化不大，在20 D左右。

圖4 液塞長度模擬結(jié)果Fig.4 Simulation results of liquid slug length

圖5 管道中無液膜時(shí)模擬結(jié)果Fig.5 simulation results without liquid membrane

3.2 水平管道無液膜結(jié)果對(duì)比

為驗(yàn)證模擬結(jié)果的正確性，將模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。從圖5中可以看出，CFX模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果變化趨勢(shì)相同。在液速較小時(shí)，模擬的結(jié)果偏小，在液速為0.9、1.1、1.3、1.5 m/s四個(gè)液速下，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本相同。受實(shí)驗(yàn)條件的限制，實(shí)驗(yàn)中最大液速為1.5 m/s，對(duì)更高的速度，采用文獻(xiàn)中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比。經(jīng)過對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好，CFX能夠較好的反映管道中的流動(dòng)情況。

3.3 傾斜管道無液膜結(jié)果對(duì)比

在實(shí)際的管道中，很多時(shí)候管道中存在一定的傾角，為此在水平管道的模擬基礎(chǔ)上進(jìn)行了兩種傾角下的液塞頭分析。使用CFX模擬了傾角為-2°，+2°兩種情況下液塞頭的長度，由于本實(shí)驗(yàn)環(huán)路無法進(jìn)行傾斜管路的實(shí)驗(yàn)，因此對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與文獻(xiàn)中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比。兩組結(jié)果之間的對(duì)比見圖6。兩種傾角下模擬得到的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)相同，隨著液速的增加，液塞頭長度變短，兩個(gè)傾角下液塞頭長度的差異增大。在液速較小時(shí)，模擬的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果接近，但在液速較大時(shí)，模擬得到的結(jié)果偏大。原因可能是模擬中管道的特性比較理想，與實(shí)際管道之間有一定的差異，隨著液速的增加，差異逐漸增大。

圖6 管道中無液膜時(shí)模擬結(jié)果Fig.6 the results in simulation compared with it of the literature with different inclination

圖7 液位高度10 mm時(shí)沿線持液率Fig.7 Liquid holdup along pipeline with liquid level of 10 mm

3.4 水平管有液膜結(jié)果對(duì)比

在實(shí)際的氣液兩相管道中均有液膜存在，為此使用CFX軟件模擬了管道中有液膜存在的情況。模擬了管道中液位高度為10，20 mm兩種情況下液塞頭的情況，并模擬分析了液膜速度為0、0.5、1.0 m/s時(shí)液塞頭的特點(diǎn)。

3.4.1 液膜速度為0液塞頭運(yùn)動(dòng)情況

模擬了10 m管道，管道中的液位高度為10 mm，入口流速為1.5 m/s下管道中流動(dòng)情況。從圖7中可以看出，在管道中不同截面處，管道中持液率變化趨勢(shì)基本相同。在管道中第5 m處截面上的持液率來說明問題。從圖8可以看出，在管道中的液位高度為20 mm時(shí)，管道中開始充水時(shí)，管道沿線持液率開始變化較大，這是由于液體的進(jìn)入導(dǎo)致流動(dòng)的不穩(wěn)定，使液位產(chǎn)生波動(dòng)。在實(shí)驗(yàn)觀察也發(fā)現(xiàn)，僅在液塞頭到達(dá)時(shí)管液位有輕微的波動(dòng)。在管道中液位高度為10 mm時(shí)，變化較小。

圖8 5 m處截面不同液位高度下持液率變化對(duì)比Fig.8 The liquid holdup change with different liquid level in section of 5 m

圖9 液膜速度0.5 m/s時(shí)管道沿線持液率Fig.9 Liquid holdup along pipeline with speed of liquid film of 1.5 m/s

圖10 管道中6 m處不同速度下持液率變化Fig.10 The liquid holdup change with different velocity in section of 6 m

3.4.2 不同液膜初始速度下液塞頭運(yùn)動(dòng)情況

模擬了管道中液位高度為20 mm，液膜初始速度為0.5、1.0 m/s兩種情況下液塞頭的運(yùn)動(dòng)情況。在液膜初始速度為0.5 m/s時(shí)，不同截面上持液率的變化見圖9。在液體進(jìn)入管道后，管道中截面持液率發(fā)生產(chǎn)生波動(dòng)，這是由于流動(dòng)中氣液界面上有擾動(dòng)。在持液率達(dá)到較高的值以后，持液率下降，然后上升逐漸穩(wěn)定。不同速度下管道6 m處持液率的變化情況見圖10, 液膜速度0.5 m/s與1 m/s的情況基本相同。1 m/s時(shí)持液率增長速度更快，這是由于液膜速度較快時(shí)，液膜對(duì)管道中充入液體的阻力較小，故液塞頭液塞頭速度較快。通過模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，管道中液膜速度對(duì)液塞頭長度影響不大。

4 結(jié) 論

CFX水平管道計(jì)算模型得到的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值非常接近，但是在管道有傾角時(shí)得到的結(jié)果有一定的偏差。CFX模型對(duì)管道的邊界條件要求較高。CFX在管流模擬中對(duì)網(wǎng)格以及所設(shè)置參數(shù)要求較高，改變模擬的參數(shù)可能會(huì)導(dǎo)致最終的結(jié)果出現(xiàn)問題，因此在使用CFX模擬時(shí)，除對(duì)CFX建立的模型進(jìn)行詳細(xì)的理論分析以外，還需要根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。CFX方法能夠在短時(shí)間內(nèi)得到多種工況下的計(jì)算結(jié)果，能夠彌補(bǔ)環(huán)道實(shí)驗(yàn)受外界影響因素較多且管徑以及傾角難以改變的缺陷。實(shí)驗(yàn)與CFX模擬結(jié)合能夠較迅速的得到大量正確的結(jié)果。由于目前的液塞頭還僅在水平管路上進(jìn)行，還需要對(duì)不同傾角以及液速下的清管液塞頭進(jìn)行分析，以完善對(duì)不同地形下清管液塞頭形狀的分析，并增強(qiáng)對(duì)管道中有液膜情況下清管液塞頭的分析。

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Numerical Simulation and Experiment of Pigging Liquid Slug Head Shape in Gas-liquid Two-phase Pipeline

LI Li-wan, WAN Yu-fei
（National Engineering Laboratory for Pipeline Safety，Beijing Key Laboratory of Urban Oil and Gas Distribution Technology，China University of Petroleum, Beijing 102249）

Based on the software of CFX, numerical simulation on liquid slug head in pigging progress was conducted with VOF method and homogeneous model in Euler-Euler method. Water and gas were seen as the continuous phase. Two cases of no liquid membrane and liquid membrane with different thickness and velocity were simulated. And the simulation result, pigging experimental result and result in literature were compared and analyzed. The results show that the simulation result can be identical to experimental result and result in literature well; Pigging liquid slug head is like parabolic shape; Liquid membrane can significantly decrease the pigging liquid slug length.

Two-phase flow; Pigging experiment; CFX simulation; Liquid slug head length

TQ 018

： A

： 1671-0460（2014）04-0659-04

2013-10-14

李立婉，中國石油大學(xué)（北京）油氣儲(chǔ)運(yùn)工程專業(yè)在讀碩士。