含氣率對(duì)長(zhǎng)圓管內(nèi)氣液兩相流流場(chǎng)特性的影響*

張 濤，方 舟，董 皓，張君安

(西安工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，西安 710021)

管道流動(dòng)是一種極為常見的流動(dòng)形式，具有極強(qiáng)的隨機(jī)性與非線性，尤其是廣泛存在于核能、化工、石油和航天等工業(yè)設(shè)備中的管內(nèi)氣液兩相流的流動(dòng)。由于氣液兩相流流動(dòng)過程中的不確定性，兩相相間界面效應(yīng)的存在，使得氣液兩相流流動(dòng)過程變得十分復(fù)雜，而氣液兩相流中的含氣率是影響氣液兩相流相間界面效應(yīng)的關(guān)鍵因素，對(duì)揭示氣液兩相流流場(chǎng)形態(tài)的分布及流場(chǎng)特性具有重要的理論意義。

目前，國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域的專家學(xué)者們針對(duì)氣液兩相流的流場(chǎng)分布進(jìn)行了研究，文獻(xiàn)[1]對(duì)水平管氣液兩相流流型進(jìn)行了圖像信號(hào)分析，為進(jìn)行兩相流動(dòng)力學(xué)特性分析提供有效輔助診斷工具；文獻(xiàn)[2]采用實(shí)驗(yàn)研究的方法對(duì)氣液兩相流氣相速度場(chǎng)的分布進(jìn)行了研究，并利用數(shù)值模擬的方法對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)論進(jìn)行了驗(yàn)證；文獻(xiàn)[3]論述了兩相流泵的研究成果，并探討了氣液兩相流領(lǐng)域中應(yīng)進(jìn)一步研究的問題；文獻(xiàn)[4]對(duì)氣液兩相流流動(dòng)特性進(jìn)行了可視化的研究，得到了不同工況下的流型變化特點(diǎn)及影響因素；文獻(xiàn)[5]采用阻力系數(shù)法對(duì)垂直管流的深度壓力進(jìn)行了計(jì)算，為解決油氣井的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了依據(jù)；文獻(xiàn)[6]對(duì)水平管內(nèi)氣液兩相流動(dòng)的動(dòng)態(tài)壓降信號(hào)與空隙率的關(guān)系進(jìn)行了研究，對(duì)氣液兩相流系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的在線監(jiān)測(cè)具有實(shí)用價(jià)值；文獻(xiàn)[7]采用數(shù)值計(jì)算的方法對(duì)氣液兩相流流動(dòng)的動(dòng)力學(xué)問題及兩相湍流流動(dòng)特性進(jìn)行了預(yù)測(cè)；文獻(xiàn)[8]通過構(gòu)建氣體體積分?jǐn)?shù)測(cè)量模型，提高了對(duì)氣液兩相流中氣體體積分?jǐn)?shù)測(cè)量的準(zhǔn)確度，并對(duì)其進(jìn)行了驗(yàn)證；文獻(xiàn)[9]對(duì)管道中潤(rùn)滑油的輸送過程進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，認(rèn)為雷諾數(shù)是影響潤(rùn)滑系統(tǒng)中油的狀態(tài)的關(guān)鍵因素；文獻(xiàn)[10]研究了廢熱鍋爐火管管束間的氣液兩相流流場(chǎng)、溫度場(chǎng)的分布狀態(tài)，得到了含氣率的分布規(guī)律及計(jì)算公式。

本文根據(jù)長(zhǎng)圓管的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，通過改變氣液兩相流的混合比例，利用數(shù)值計(jì)算的方法，有針對(duì)性的研究含氣率對(duì)長(zhǎng)圓管內(nèi)氣液兩相流流場(chǎng)特性的影響，其結(jié)果將有助于了解長(zhǎng)圓管內(nèi)氣液兩相流的流動(dòng)機(jī)理。

1 長(zhǎng)圓管內(nèi)部氣液兩相流流場(chǎng)分析模型

1.1 物理模型

根據(jù)長(zhǎng)圓管的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其工作原理，建立長(zhǎng)圓管物理模型如圖1所示。同時(shí)，根據(jù)數(shù)值計(jì)算的精度要求，建立長(zhǎng)圓管的網(wǎng)格模型，如圖2所示，其中圖2(a)所示為長(zhǎng)圓管工作狀態(tài)位置的網(wǎng)格圖，圖2(b)所示為局部網(wǎng)格放大圖，圖2(c)所示為六面體網(wǎng)格單元圖。

1-徑向氣浮支撐；2-長(zhǎng)圓管

圖2 長(zhǎng)圓管網(wǎng)格模型

本文主要研究的是含氣率對(duì)長(zhǎng)圓管內(nèi)氣液兩相流流場(chǎng)特性的影響，其中涉及的氣液兩相流是由純水作為基本相，由空氣作為第2相混合而成。為了提高數(shù)值計(jì)算的效率，保證數(shù)值計(jì)算的精度，假設(shè)氣液兩相流為連續(xù)流動(dòng)的黏性不可壓縮流體，且各流體組分的物性參數(shù)均為常量，在流動(dòng)過程中不涉及熱傳遞。

1.2 控制方程

氣液兩相流在流動(dòng)過程中始終遵循質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律和能量守恒定律[11-13]，由于氣液兩相流在流動(dòng)過程中不涉及熱傳遞，故數(shù)值計(jì)算過程中不進(jìn)行能量方程的求解。根據(jù)氣液兩相流在長(zhǎng)圓管內(nèi)的流動(dòng)特點(diǎn)，當(dāng)氣液兩相流的流動(dòng)為湍流流動(dòng)時(shí)，需要通過數(shù)值計(jì)算的方法求解氣液兩相流湍流流動(dòng)的湍動(dòng)能及湍流耗散率，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)流體湍流流動(dòng)的數(shù)值模擬，即

(1)

式中：t為時(shí)間；k為湍動(dòng)能；ε為湍流耗散率；ρ為氣液兩相流密度；μl、μt分別為層流黏性系數(shù)與湍流黏性系數(shù)；σk為湍動(dòng)能k的湍流普朗特?cái)?shù)；Gk為層流速度梯度引起的湍流動(dòng)能；Gb為浮力引起的湍流動(dòng)能；σε為湍流耗散率ε的湍流普朗特?cái)?shù)；C1,ε、C2,ε、C3,ε為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)；x為流場(chǎng)位置坐標(biāo)。

由于氣液兩相流相間界面效應(yīng)的影響，使得氣液兩相流流動(dòng)過程中相間自由面形態(tài)的變化成為揭示氣液兩相流流動(dòng)的關(guān)鍵，因此，需求解多相流方程實(shí)現(xiàn)對(duì)氣液兩相流自由面運(yùn)動(dòng)形態(tài)的追蹤，即

(2)

2 長(zhǎng)圓管內(nèi)氣液兩相流的流場(chǎng)分布

基于流體力學(xué)基本理論與多相流基本理論[14-15]，采用有限體積法，定義氣液兩相流的平均流速為v=0.5 m·s-1，通過數(shù)值計(jì)算的方法分析不同含氣率α的氣液兩相流流場(chǎng)分布狀態(tài)，如圖3所示，其中圖3(a)所示為水平截面位置的流場(chǎng)分布狀態(tài)，圖3(b)所示為豎直截面位置的流場(chǎng)分布狀態(tài)，圖3(c)為圓周A-A截面位置的流場(chǎng)分布狀態(tài)。

從長(zhǎng)圓管不同截面的氣液兩相流流場(chǎng)分布狀態(tài)可以看出，當(dāng)長(zhǎng)圓管內(nèi)的流體為單一液相時(shí)，流體流動(dòng)形態(tài)為均勻單相流體的湍流流動(dòng)，隨著氣相流體的加入，含氣率α=1%時(shí)，流體流動(dòng)過程中會(huì)

圖3 不同含氣率的氣液兩相流流場(chǎng)分布狀態(tài)

有一定量的氣泡出現(xiàn)，流動(dòng)形態(tài)表現(xiàn)為氣泡流；含氣率增大到α=10%時(shí)，受環(huán)境重力與氣液兩相相間界面效應(yīng)的影響，兩相分界面上出現(xiàn)波浪，形成波狀流；當(dāng)含氣率進(jìn)一步增大到α=50%時(shí)，氣液兩相流流動(dòng)形態(tài)保持波浪狀，相間界面效應(yīng)明顯；含氣率增大到α≥80%時(shí)，氣相流體對(duì)液相流體表面作用增強(qiáng)，液相流體的流動(dòng)效應(yīng)被削弱，波浪狀逐漸消失，流動(dòng)形態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閷訝盍鳌?/p>

3 仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)長(zhǎng)圓管內(nèi)不同含氣率的氣液兩相流流場(chǎng)分布規(guī)律，去除外界環(huán)境因素及系統(tǒng)自身因素的影響，通過數(shù)值計(jì)算得到不同含氣率的氣液兩相流流場(chǎng)分布所引起的流場(chǎng)作用力，見表1。

表1 不同含氣率的氣液兩相流流場(chǎng)作用力

通過對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合處理，得到氣液兩相流中含氣率的變化對(duì)氣液兩相流流場(chǎng)分布所引起的流場(chǎng)作用力的影響曲線，如圖4所示。

圖4 含氣率對(duì)流場(chǎng)作用力的影響曲線

從圖4中可以看出，氣液兩相流的平均流速為0.5 m·s-1時(shí)，氣液兩相流的流動(dòng)為湍流流動(dòng)，受湍流流動(dòng)效應(yīng)及流體物性參數(shù)的影響，含氣率為0，即流體為單一液相時(shí)，流體流動(dòng)產(chǎn)生的流場(chǎng)作用力最大。隨著含氣率的逐漸增大，氣液兩相相間界面效應(yīng)對(duì)流場(chǎng)作用力產(chǎn)生影響，表現(xiàn)為含氣率越大，氣相流體對(duì)液相流體產(chǎn)生的相間界面效應(yīng)越明顯，液相流體作用減弱，導(dǎo)致流體作用于長(zhǎng)圓管管壁的流場(chǎng)作用力減小。

4 結(jié) 論

1) 隨著氣相流體的加入，受含氣率的影響，氣液兩相流在流動(dòng)過程中呈現(xiàn)出不同的流動(dòng)形態(tài)，表現(xiàn)為，含氣率α<50%時(shí)，氣液兩相界面效應(yīng)的存在使得兩相分界面出現(xiàn)波浪狀，含氣率α>50%時(shí)，液相流體流動(dòng)效應(yīng)減弱，兩相分界面呈分層狀。

2) 氣相流體加入液相流體中形成氣液兩相流時(shí)，由于氣液兩相流體各組成成分物性參數(shù)的差異，引起氣液兩相流相間界面效應(yīng)的變化，隨著氣液兩相流含氣率的增大，液相流體流動(dòng)效應(yīng)被削弱，長(zhǎng)圓管內(nèi)壁受到的流場(chǎng)作用力減弱，且含氣率越大，管壁所受的流場(chǎng)作用力越小。