低含液管道內(nèi)氣液兩相流動(dòng)特性的數(shù)值研究*

管孝瑞

(中國(guó)石化青島安全工程研究院化學(xué)品安全控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東青島 266071)

0 前言

在天然氣氣田中，濕氣集輸工藝被廣泛采用，當(dāng)管道沿程溫度、壓力發(fā)生變化時(shí)，飽和水蒸氣發(fā)生相變生成凝析水，管內(nèi)進(jìn)而形成低含液氣液兩相流動(dòng)[1-3]。氣液兩相流動(dòng)特性的研究對(duì)于管線工藝安全、腐蝕防護(hù)等具有重要作用[4-5]。氣相中夾帶的液滴對(duì)于管線壓降和持液率影響很大[6]。液相分布、剪切力分布等可以用于預(yù)測(cè)不同部位的沖刷風(fēng)險(xiǎn)[7]。CFD數(shù)值模擬軟件能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)多相流動(dòng)細(xì)節(jié)的實(shí)時(shí)分析[8-16]。潘曉慧等[17]利用數(shù)值模擬分析了除塵器入口彎管內(nèi)氣固兩相流動(dòng)。郝雅潔等[18]利用數(shù)值模擬對(duì)折流板除霧器內(nèi)氣液兩相流運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了研究，并獲得不同粒徑液滴的捕集規(guī)律。Mito等[19]借助數(shù)值模擬對(duì)管道環(huán)狀流內(nèi)液滴沉積機(jī)制進(jìn)行了詳細(xì)研究。

目前，對(duì)于低含液管路內(nèi)液滴群的運(yùn)動(dòng)行為報(bào)道較少。作者在前期實(shí)驗(yàn)中，利用修正的弗勞德數(shù)和液相韋伯?dāng)?shù)兩個(gè)無(wú)量綱準(zhǔn)則數(shù)，依據(jù)相似準(zhǔn)則搭建了實(shí)驗(yàn)管道[2]，本文將借助Fluent 14.5軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)管道不同截面內(nèi)氣相流場(chǎng)、液滴空間分布進(jìn)行了詳細(xì)地分析。

1 幾何模型與網(wǎng)格劃分

1.1 幾何模型

管道尺寸如圖1所示，管徑d為90 mm，包含上下兩個(gè)水平管、上下兩個(gè)90°彎頭、一個(gè)豎直管。其中上水平管長(zhǎng)度為4 000 mm，彎頭曲率半徑Rc為120 mm，豎直管長(zhǎng)度為630 mm，下水平管長(zhǎng)度 為6 000 mm。氣液兩相由上水平管進(jìn)入，經(jīng)上水平管、上彎頭、豎直管、下彎頭，由下水平管流出。坐標(biāo)原點(diǎn)位于管道入口，重力沿Y軸負(fù)方向。

圖1 數(shù)值模擬中管路尺寸

1.2 網(wǎng)格劃分

為了準(zhǔn)確模擬近壁面處的流動(dòng)情況，采用邊界層網(wǎng)格，第一層網(wǎng)格高度ds為35 μm，層間增長(zhǎng)因子為1.5，設(shè)置12層邊界層網(wǎng)格，總厚度為9.012 2 mm。管道橫截面網(wǎng)格采用pave生成，總網(wǎng)格數(shù)為922 955。管道橫截面網(wǎng)格、邊界層網(wǎng)格和彎頭處網(wǎng)格如圖2和圖3所示。

2 計(jì)算模型

2.1 湍流模型

湍流是一種高度復(fù)雜的不規(guī)則、非線性流動(dòng)狀態(tài)。RNGk-ε模型[20]能夠較好地模擬二次流，數(shù)值計(jì)算采用RNGk-ε模型來(lái)模擬湍流。

2.2 雙流體模型

多相流模型選用Eulerian模型，該模型是Fluent中最為復(fù)雜的多相流模型，能夠?qū)庖簝上嗔鲃?dòng)進(jìn)行精確的模擬。

2.3 邊界條件

2.3.1入口條件

采用速度入口條件，其它參數(shù)如表1所示。含液率為4.2×10-4。入口設(shè)置在上水平管進(jìn)口截面，氣相為主相，液相為第二相。

液相以液滴群形式進(jìn)入管道，粒徑分布與實(shí)驗(yàn)管路中入口液滴相一致[2]，如圖4所示，比表面積平均粒徑d32為109.785 μm，最小粒徑為37.028 μm，最大粒徑為191.203 μm。

表1 數(shù)值模擬計(jì)算參數(shù)

圖4 管路入口液滴粒徑分布

2.3.2出口條件

下水平管長(zhǎng)徑比為67，能夠保證管路內(nèi)氣液兩相流動(dòng)充分發(fā)展，出口采用自由出流(outflow)邊界條件。

2.3.3壁面條件

壁面采用增強(qiáng)壁面函數(shù)[21]來(lái)處理。模擬最終結(jié)果顯示y+<5，如圖5所示，滿足增強(qiáng)壁面函數(shù)使用要求。

2.4 計(jì)算方法

圖5 管道壁面y+值分布

采用有限體積法對(duì)控制方程進(jìn)行離散，應(yīng)用Phase Coupled SIMPLE格式的壓力速度耦合，并應(yīng)用QUICK格式求解體積分?jǐn)?shù)，連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、湍動(dòng)能方程、湍流耗散率方程采用二階迎風(fēng)格式求解。

3 模擬可靠性驗(yàn)證

Nikuradse[22]通過(guò)總結(jié)大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到圓管斷面流速分布曲線。湍流分為粘性底層、過(guò)渡層、對(duì)數(shù)區(qū)[23]。湍流內(nèi)各區(qū)域速度分布分別對(duì)應(yīng)圖6中實(shí)驗(yàn)曲線1、2、3。水平管分析截面(X=3 150 mm)距離入口3.15 m(35倍管徑)，距離下游彎頭0.85 m(9.4倍管徑)，與入口的距離大于20倍管徑，滿足流動(dòng)充分發(fā)展要求。為對(duì)管道流場(chǎng)進(jìn)行驗(yàn)證，取該截面上半部從壁面到管中心的流速分布與尼古拉茲流速分布進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果顯示，模擬值和實(shí)驗(yàn)值擬合趨勢(shì)一致，最大偏差為7.15%。

圖6 水平管X=3 150 mm處流速分布與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

4 結(jié)果與討論

4.1 上彎頭內(nèi)氣相流場(chǎng)

上彎頭30°截面內(nèi)氣相流線如圖7所示，圖中紅色箭頭方向?yàn)殡x心力方向，指向彎頭外側(cè)，重力沿半徑方向的分量指向彎頭內(nèi)側(cè)，通過(guò)比較可知離心力大于重力沿半徑方向的分量，因此合力方向指向彎頭外側(cè)，造成中心氣相由彎頭內(nèi)側(cè)流向彎頭外側(cè)。同時(shí)由于氣相的連續(xù)性，兩側(cè)壁處的氣相由彎頭外側(cè)流向彎頭內(nèi)側(cè)。

圖7 上彎頭30°截面內(nèi)氣相流線

4.2 上彎頭后的豎直管內(nèi)氣相流場(chǎng)

圖8為上彎頭后的豎直管Y=-290 mm截面內(nèi)氣相流場(chǎng)。由于上游彎頭內(nèi)存在二次流，氣相進(jìn)入豎直管后，二次流影響依然存在，豎直管橫截面存在一對(duì)渦核。

圖8 上彎頭后的豎直管Y=-290 mm截面內(nèi)氣相流場(chǎng)

4.3 下彎頭內(nèi)氣相流場(chǎng)

下彎頭內(nèi)不同截面處的氣相流線如圖9所示，紅色箭頭為離心力方向。下彎頭0°截面內(nèi)氣相流場(chǎng)與上游豎直管相似，管道橫截面內(nèi)存在一對(duì)渦核。在下彎頭30°截面，出現(xiàn)兩對(duì)渦核，一對(duì)靠近壁面，一對(duì)靠近管道中心。在下彎頭內(nèi)，離心力方向指向彎頭外側(cè)，與重力沿半徑方向的分量一致，隨著彎頭角度的增大，兩者合力逐漸增大，壁面處的渦核逐漸加強(qiáng)擴(kuò)大，而靠近管道中心的渦核則逐漸被壓縮，在下彎頭90°截面處，管道只存在一對(duì)渦核，原有的靠近管道中心渦核則消失。

4.4 整體速度云圖與流線

圖10為管道整體氣相速度云圖與流線分布，從圖中可以看出，在上下彎頭內(nèi)側(cè)氣相速度較大，在彎頭外側(cè)氣相速度較小。在上水平管氣相主要沿軸向流動(dòng)，進(jìn)入上彎頭后，流線開(kāi)始偏轉(zhuǎn)，豎直管內(nèi)螺旋前進(jìn)，經(jīng)過(guò)上下彎頭反向運(yùn)動(dòng)的不穩(wěn)定渦流作用后，下水平管也呈現(xiàn)不規(guī)則、螺旋流動(dòng)特征。

4.5 不同截面處的液滴平均體積分?jǐn)?shù)分布

圖11為水平管X=3 150 mm截面處的液滴平均體積分?jǐn)?shù)分布，受重力影響，水平管內(nèi)液滴群主要集中在管道中下部區(qū)域，且在靠近管道底部區(qū)域具有較高濃度的液滴。

圖9 下彎頭內(nèi)氣相流線

圖10 管道整體速度云圖與流線

圖11 水平管X=3 150 mm液滴平均體積分?jǐn)?shù)分布

圖12為上彎頭不同截面處液滴平均體積分?jǐn)?shù)分布，液滴群進(jìn)入彎頭后，離心力促使液滴群向彎頭外側(cè)運(yùn)動(dòng)，與此同時(shí)，重力沿半徑方向的分量阻礙液滴群向彎頭外側(cè)運(yùn)動(dòng)。隨著彎頭角度的增大，重力沿半徑方向的分量逐漸減小，與離心力的合力卻逐漸增大，促使液滴群逐漸向彎頭外側(cè)運(yùn)動(dòng)。在上彎頭30°截面處，液滴群離開(kāi)彎頭內(nèi)側(cè)，進(jìn)入上彎頭60°截面時(shí)，液滴群到達(dá)彎頭外側(cè)，在上彎頭90°外側(cè)壁面形成較高濃度的液滴群。

圖12 上彎頭不同截面處液滴平均體積分?jǐn)?shù)分布

圖13為豎直管內(nèi)液滴平均體積分?jǐn)?shù)分布。受上彎頭影響，豎直管內(nèi)液滴群主要集中在右側(cè)(迎流側(cè))，與上彎頭90°截面分布位置較為一致。但對(duì)比Y=-290 mm與Y=-421 mm截面，可以發(fā)現(xiàn)，隨著與上彎頭距離的增大，管內(nèi)二次流的強(qiáng)度有所減弱，使得豎直管右側(cè)壁面液滴群濃度下降，液滴群分布范圍變大，有向左側(cè)運(yùn)動(dòng)的行為。

圖14為下彎頭不同截面內(nèi)液滴平均體積分?jǐn)?shù)分布，在下彎頭內(nèi)，離心力與重力沿半徑方向分量的方向一致，共同促使液滴群向下彎頭外側(cè)運(yùn)動(dòng)。受上游二次流的影響，在下彎頭30°截面處，液滴群主要處于偏向彎頭內(nèi)側(cè)的區(qū)域，隨著彎頭角度的增大，離心力與重力沿半徑方向的分量的合力逐漸增大，液滴群逐漸向外側(cè)區(qū)域運(yùn)動(dòng)，到達(dá)下彎頭90°時(shí)，在外側(cè)形成較高濃度的液滴群。

圖13 豎直管內(nèi)液滴平均體積分?jǐn)?shù)分布

圖14 下彎頭不同截面內(nèi)液滴平均體積分?jǐn)?shù)分布

圖15為下水平管不同截面內(nèi)液滴平均體積分?jǐn)?shù)分布。液滴群主要集中在中下區(qū)域，且在管道底部具有較高濃度的液滴。但對(duì)比X=5 000 mm和X=8 000 mm截面，發(fā)現(xiàn)X=8 000 mm截面內(nèi)，管道底部液滴濃度變小，但液滴分布范圍變大。湍流促使液滴擴(kuò)散，分布范圍變廣。

圖15 下水平管內(nèi)液滴平均體積分?jǐn)?shù)分布

5 結(jié)論

a)采用邊界層網(wǎng)格與增強(qiáng)壁面函數(shù)相結(jié)合的方法，很好地模擬了靠近壁面處的流場(chǎng)。

b)上彎頭后的豎直管內(nèi)存在一對(duì)渦核。

c)水平管內(nèi)液滴群主要集中在中下部區(qū)域。彎頭內(nèi)離心力促使液滴群向彎頭外側(cè)運(yùn)動(dòng)，在彎頭90°外側(cè)形成較高濃度的液滴群。受上彎頭的影響，豎直管內(nèi)液滴群主要集中在右側(cè)(迎流側(cè))，且沿流動(dòng)方向，右側(cè)液滴群濃度下降，液滴群分布范圍變大。