COMSOL Multiphysics有限元軟件數(shù)值模擬氣液兩相流的可行性研究

秦梓鈞，劉保君，張 雪，韓洪升

（1. 東北石油大學(xué)， 黑龍江 大慶 163318；　2. 山西天然氣有限公司， 山西 太原 030000）

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COMSOL Multiphysics有限元軟件數(shù)值模擬氣液兩相流的可行性研究

秦梓鈞1，劉保君1，張 雪2，韓洪升1

（1. 東北石油大學(xué)， 黑龍江 大慶 163318；2. 山西天然氣有限公司， 山西 太原 030000）

在多相流實(shí)驗(yàn)管路系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)向上30°傾斜管道中氣液兩相流的實(shí)驗(yàn)方案和流程，進(jìn)行氣液兩相流流型實(shí)驗(yàn)研究，并繪制氣液兩相流流型圖。再利用COMSOL Multiphysics軟件，對(duì)向上30°傾斜管中氣液兩相流中不同時(shí)刻的體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行數(shù)值模擬研究，驗(yàn)證COMSOL Multiphysics應(yīng)用于氣液兩相流的可行性。結(jié)果表明采用COMSOL Multiphysics軟件數(shù)值模擬向上傾斜管道中氣液兩相流流型的分析結(jié)果與室內(nèi)實(shí)驗(yàn)法結(jié)果基本一致，可信程度較高，可作為分析氣液兩相流流型的主要方法之一。

向上傾斜管道；氣液兩相流；流型圖；數(shù)值模擬

在油田現(xiàn)場(chǎng)，嚴(yán)格意義上的水平管道和垂直管道很少，研究?jī)A斜管道更具實(shí)際意義［1，2］。在傾斜管路中，時(shí)間和空間上均不確定的相界面，給氣液兩相流研究帶來(lái)極大的困難［3-6］。

本文在實(shí)驗(yàn)室多相流實(shí)驗(yàn)管路系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)氣液兩相流實(shí)驗(yàn)方案和流程，進(jìn)行傾斜管中兩相流流型的分析研究。并利用COMSOL Multiphysics軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，最終實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬分析結(jié)果互相吻合，表明COMSOL Multiphysics可作為分析氣液兩相流的軟件進(jìn)行推廣使用。

1　向上傾斜管中氣液兩相流流型實(shí)驗(yàn)研究

1.1實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

氣液兩相流流型實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，主要是由循環(huán)水系統(tǒng)、氣體供給系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)采集系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組成。［7，8］實(shí)驗(yàn)管路的傾斜角度可自動(dòng)調(diào)節(jié)，進(jìn)行傾斜角度為 30°的管道中氣液兩相流實(shí)驗(yàn)研究。

1.2實(shí)驗(yàn)流程

氣液兩相流體在混合器中混合后，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)度為2 m的穩(wěn)定段后進(jìn)入實(shí)驗(yàn)管路，進(jìn)行氣液兩相流流型實(shí)驗(yàn)研究，具體流程為：

（1）開啟系統(tǒng)用泵，用調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)流量，待流量穩(wěn)定后計(jì)量液體流量；

（2）啟動(dòng)空氣壓縮機(jī)，向?qū)嶒?yàn)管路提供氣液兩相流實(shí)驗(yàn)所需用氣體，調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)管路中氣體流量，待流量穩(wěn)定后測(cè)量氣體流量；

（3）等氣液兩相混合后，觀察氣液兩相流在實(shí)驗(yàn)管路的流型，等待流型穩(wěn)定一段時(shí)間，利用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；

（4）關(guān)閉空氣壓縮機(jī)，用調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)進(jìn)入實(shí)驗(yàn)管路的液體流量，重復(fù)實(shí)驗(yàn)步驟（1）～（3），進(jìn)行不同入口速度條件下，氣液兩相流流型實(shí)驗(yàn)研究；

（5）關(guān)閉系統(tǒng)用泵，用調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)進(jìn)入實(shí)驗(yàn)管路的氣體流量，重復(fù)實(shí)驗(yàn)步驟（1）～（3），進(jìn)行不同容積含氣率條件下氣液兩相流流型實(shí)驗(yàn)研究；

（7）關(guān)閉實(shí)驗(yàn)相應(yīng)設(shè)備，結(jié)束實(shí)驗(yàn)。

圖1　氣液兩相流流型實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.1 Experimental device of gas-liquid two-phase flow

1.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

在實(shí)驗(yàn)室的多相流實(shí)驗(yàn)管路系統(tǒng)中，進(jìn)行 30°傾斜角度下實(shí)驗(yàn)管路中氣液兩相流研究，依據(jù)計(jì)算機(jī)采得到的容積、速度與含氣率實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行氣液兩相流流型分析。

實(shí)驗(yàn)室的多相流實(shí)驗(yàn)管路系統(tǒng)中，選取內(nèi)徑為20 mm的實(shí)驗(yàn)管路，調(diào)整傾斜角度為30°，進(jìn)行傾斜角度管道中氣液兩相流流型實(shí)驗(yàn)研究，根據(jù)傳感器采集的信號(hào)，以計(jì)算的液相折算速度值為橫坐標(biāo)，氣相折算速度值為縱坐標(biāo)，制作傾斜管中氣液兩相流流型，如圖2所示。

2　COMSOL軟件介紹及數(shù)值模擬

2.1COMSOL軟件簡(jiǎn)介

COMSOL Multiphysics（原名Finite Element Modeling Laboratory）是一款大型的高級(jí)數(shù)值仿真軟件，由瑞典的COMSOL公司開發(fā)，是一個(gè)基于偏微分方程的專業(yè)有限元數(shù)值分析軟件包，是一種針對(duì)多物理場(chǎng)模型進(jìn)行建模和仿真計(jì)算的交互式開發(fā)環(huán)境系統(tǒng)。該軟件的建模求解功能基于一般偏微分方程的有限元求解，所以可以連接并求解任意物理場(chǎng)的耦合問(wèn)題。COMSOL Multiphysics針對(duì)不同的問(wèn)題可以進(jìn)行靜態(tài)和動(dòng)態(tài)分析、線性和非線性分析、特征值和模態(tài)分析等［9］。

圖2　氣液兩相流流型實(shí)驗(yàn)圖Fig.2 Experimental diagram of gas-liquid two-phase flow pattern

通過(guò)COMSOL Multiphysics的多物理場(chǎng)功能，可以選擇不同的模塊同時(shí)模擬任意物理場(chǎng)組合的耦合分析；可以使用相應(yīng)模塊直接定義物理參數(shù)創(chuàng)建有限元模型；也可以自由定義自己的方程來(lái)建立相應(yīng)模型。

2.2不同氣相折算速度時(shí)數(shù)值模擬

建立傾角為 30°的管道模型，設(shè)置液相折算速度為 0.5 m/s，分析氣相折算速度對(duì)氣液兩相流流型的影響。

（1）液相折算速度為0.5 m/s，氣相折算速度為0.5 m/s

這時(shí)，氣液兩相流的容積含氣率為 0.5，氣液兩相流在傾斜管中不同時(shí)刻氣相的體積分?jǐn)?shù)如圖3所示。

圖3分別為t=0.3，0.6，0.9，1.2，1.5 s時(shí)氣相體積分?jǐn)?shù)，當(dāng)液相折算速度為 0.5 m/s，氣相折算速度為0.5 m/s時(shí)，氣液兩相中的氣相在重力的作用下，向管道頂部移動(dòng)，與液相逐漸分離，此時(shí)，氣液兩相流在流型圖上顯示為間歇流。

（2）液相折算速度為0.5 m/s，氣相折算速度為1.5 m/s

這時(shí)，氣液兩相流的容積含氣率為0.75，由于數(shù)值模擬分析圖片較多，在這里就不一一列舉。由軟件分析圖片可知：當(dāng)容積含氣率為0.75時(shí)，氣液兩相中氣相的含量增加，并繼續(xù)向管道頂部移動(dòng)，發(fā)生氣泡合并或聚結(jié)現(xiàn)象，與液相分離。此時(shí)，氣液兩相流在流型圖上顯示為間歇流。

圖3　不同時(shí)刻氣相體積分?jǐn)?shù)Fig.3 Gas volume fraction at different times

（3）液相折算速度為0.5 m/s，氣相折算速度為4.5 m/s

氣液兩相流的容積含氣率為 0.9，由軟件分析圖片可知：當(dāng)容積含氣率為0.9時(shí)，氣相和液相界面上產(chǎn)生擾動(dòng)波，并觸碰管道頂部，形成氣彈，與此同時(shí)，管道頂部的液膜受到壓迫，沿傾斜管道向上移動(dòng)，圍繞管道形成環(huán)狀流，氣液兩相流為彈狀流向環(huán)狀流過(guò)渡，在流型圖上顯示為間歇流。

（4）液相折算速度為0.5 m/s，氣相折算速度為9.5 m/s

這時(shí)，氣液兩相流的容積含氣率為0.95，由軟件分析可知：當(dāng)容積含氣率為0.95時(shí)，氣液兩相流中氣相的含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于液相的含量，氣相的速度也遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于液相的速度，管道頂部的液膜受到壓迫，沿傾斜管道向上移動(dòng)，圍繞管道形成環(huán)狀流。此時(shí)，氣液兩相流在流型圖上顯示為環(huán)狀流。

不同氣相折算速度時(shí)，氣液兩相流流型數(shù)值模擬結(jié)果如表1所示。

2.3不同液相折算速度時(shí)數(shù)值模擬

建立傾角為 30°的管道模型，設(shè)置氣相折算速度為 0.9 m/s，分析液相折算速度對(duì)氣液兩相流流型的影響。

表1　不同氣相折算速度時(shí)流型數(shù)值模擬結(jié)果Table 1 Numerical simulation results of flow patterns at different gas velocity

（1）氣相折算速度為0.9 m/s，液相折算速度為0.1 m/s

氣液兩相流的容積含氣率為 0.9，氣液兩相流在傾斜管中不同時(shí)刻氣相的體積分?jǐn)?shù)如圖4所示。

圖4　不同時(shí)刻氣相體積分?jǐn)?shù)Fig.4 Gas volume fraction at different times

圖4分別為t=0.3，0.6，0.9，1.2，1.5 s時(shí)氣相體積分?jǐn)?shù)，當(dāng)氣相折算速度為0.9 m/s，液相折算速度為0.1 m/s時(shí)，氣相在浮力的作用下，與液相分離，在管道頂部合并聚結(jié)；液相在重力作用下，出現(xiàn)倒流現(xiàn)象，在管道入口處聚集，形成塞狀流，在氣液兩相流流型圖上顯示為間歇流。

（2）氣相折算速度為0.9 m/s，液相折算速度為0.9 m/s

氣液兩相流的容積含氣率為 0.5，由軟件分析圖片可知，當(dāng)氣液兩相流的容積含氣率為0.5時(shí)，液相折算速度增大，氣液兩相流氣相含量減少，液體的高流速紊流應(yīng)力把連續(xù)氣相分散成無(wú)數(shù)的離散的球形氣泡，分散在連續(xù)的液相里，形成間歇流向泡狀流過(guò)渡，在氣液兩相流流型圖上顯示為間歇流。

（3）氣相折算速度為0.9 m/s，液相折算速度為2.1 m/s

氣液兩相流的容積含氣率為 0.3，由軟件分析圖片可知，氣液兩相流的容積含氣率為0.3時(shí)，液體的高流速紊流應(yīng)力把連續(xù)氣相分散成更多的離散的球形氣泡，分散在連續(xù)的液相里，形成泡狀流。

不同液相折算速度時(shí)，氣液兩相流流型數(shù)值模擬結(jié)果如表2所示。

表2　不同液相折算速度時(shí)流型數(shù)值模擬結(jié)果Table 2 Numerical simulation results of flow patterns at different liquid velocity

2.4結(jié)果分析

將不同氣相折算速度、不同液相折算速度和不同管道傾角時(shí)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)得到的氣液兩相流流型結(jié)果與和有限元數(shù)值模擬的氣液兩相流流型對(duì)比分析，驗(yàn)證數(shù)值模擬方法的準(zhǔn)確性。

（1）不同氣相折算速度時(shí)流型分析

當(dāng)液相折算速度為 0.5 m/s，氣相折算速度分別為0.5、1.5、4.5和9.5 m/s時(shí)，室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬得到的流型如表3所示。

表3　不同氣相折算速度時(shí)氣液兩相流流型對(duì)比分析Table 3 Comparative analysis of gas-liquid two-phase flow patterns at different gas velocity

對(duì)比不同氣相折算速度時(shí)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬得到的流型結(jié)果，可知：當(dāng)液相折算速度不變，氣相折算速度增大時(shí)，氣液兩相流的流型發(fā)生變化，由間歇流逐漸轉(zhuǎn)換成環(huán)狀流，室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果一致。

（2）不同液相折算速度時(shí)流型分析

當(dāng)氣相折算速度為 0.9 m/s，液相折算速度分別為0.1、0.9和2.1 m/s時(shí)，室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬得到的流型如表4所示。

表4　不同液相折算速度時(shí)氣液兩相流流型對(duì)比分析Table 4 Comparative analysis of gas-liquid two-phase flow patterns at different liquid velocity

對(duì)比不同液相折算速度時(shí)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬得到的流型結(jié)果，可知：當(dāng)氣相折算速度不變，液相折算速度增大時(shí)，氣液兩相流的流型發(fā)生變化，由間歇流逐漸轉(zhuǎn)換成泡狀流，室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果一致。

3　結(jié) 論

通過(guò)本文的研究，可知：采用 COMSOL Multiphysics軟件數(shù)值模擬向上傾斜管道中氣液兩相流流型的分析結(jié)果與室內(nèi)實(shí)驗(yàn)法結(jié)果基本一致，可信程度較高，可作為分析氣液兩相流流型的主要方法之一。因此，建議在以后的工作中，利用COMSOL Multiphyscis進(jìn)行數(shù)值模擬，建立涵蓋氣相折算速度、液相折算速度和管道固定傾角等因素的氣液兩相流流型圖。

［1］ 韓煒.管道氣液兩相流動(dòng)技術(shù)研究［D］.西南石油學(xué)院博士論文，2004.

［2］ 嚴(yán)謹(jǐn).井筒氣液兩相流動(dòng)數(shù)值模擬研究［D］.西南石油學(xué)院碩士論文，2005.

［3］ 吳巍.管內(nèi)汽液兩相流動(dòng)模型分析［D］.重慶大學(xué)碩士論文，2014.

［4］ D. Bhaga， M. E. Weber. Holdup in vertical two and three phase flow PartⅡ： Experimental investingation［J］. The Canadian Journal of Chemical Engineering， 1972， 50（3）： 329-336.

［5］ 胡志華，煥群，鹿院衛(wèi)等.水平管內(nèi)油氣兩相流型轉(zhuǎn)變的實(shí)驗(yàn)研究［J］.油氣儲(chǔ)運(yùn)，2001，20（4）：31-35.

［6］ V. D. Henau， G. D. Raithby. A transient two-fluid model for the simulation of slug flow in pipelines-I. Theory［J］. International Journal of Multiphase Flow， 1995， 21（3）： 335-349.

［7］ 李銀朋.向上傾斜管道內(nèi)氣液兩相流的實(shí)驗(yàn)研究［D］.大慶石油學(xué)院碩士論文，2007.

［8］ Kazuioshi Minami. Pigging dynamics in two-phase flow pipelines： experiment and modeling［J］. SPE Production & Facilities， 1995， 10（4）： 225-232.

［9］ 林振東.基于COMSOL的三維ECT傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)研究［D］.沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)碩士論文，2015.

Study on the Feasibility of Using COMSOL Multiphysics Software in Numerical Simulation of Gas-Liquid Two-phase Flow

QIN Zi-jun1，LIU Bao-jun1，ZHANG Xue2，HAN Hong-sheng1
（1. Northeast Petroleum University, Heilongjiang Daqing 163318, China；2. Shanxi Natural Gas Limited Company, Shanxi Taiyuan 030000，China）

In multiphase flow experimental pipeline system, the experiment plan and process of gas-liquid two-phase flow in upward inclined pipe were designed，and flow characteristics of gas-liquid two-phase flow were described. Then by using COMSOL Multiphysics software, numerical simulation research of the volume fraction of two-phase flow in 30° upward inclined tubes at different time was carried out, the feasibility of using COMSOL Multiphysics software in numerical simulation of gas-liquid two-phase flow was identified. The results show that analysis results of gas-liquid two-phase flow pattern in inclined pipe by using COMSOL Multiphysics software are basically consistent with results of indoor experimental methods, so COMSOL Multiphysics software has high credibility, can be used in analysis of gas-liquid two-phase flow pattern.

upward inclined pipe; gas-liquid two-phase flow; flow pattern figure; numerical simulation

秦梓鈞（1992-），男，碩士，研究方向：石油與天然氣工程。E-mail：974628268@qq.com。

TQ 018

A

1671-0460（2016）05-0916-04

2016-03-30

秦梓鈞（1992-），男，黑龍江省大慶市人，在讀碩士研究生，2014年畢業(yè)于東北石油大學(xué)油氣儲(chǔ)運(yùn)工程專業(yè)，研究方向：石油與天然氣工程。E-mail：974628268@qq.com。