山區(qū)水平管流型數(shù)值模擬研究

摘 要：【目的】山區(qū)管道低洼處易積液形成腐蝕環(huán)境，而現(xiàn)場(chǎng)因高含硫無(wú)法打開管道，因此需要研究如何直觀了解管道內(nèi)部流型。【方法】利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)CFD，采用VOF模型耦合RNG k-ε模型研究不同速度、不同含液率下水平管道的流型分布、壓力分布及含氣率。【結(jié)果】結(jié)果發(fā)現(xiàn)：某氣田流常見工況下管道內(nèi)流型以層流為主，流速和含液率增加時(shí)，流型發(fā)生變化，混合速度Vmix=9.00 m/s時(shí)，體積分?jǐn)?shù)Vol=0.3，出現(xiàn)分層流夾帶（波浪、氣泡），表現(xiàn)為過(guò)渡，當(dāng)流速和含液率均增大時(shí)，分層流夾帶（波浪、氣泡）過(guò)渡為氣泡流?！窘Y(jié)論】研究發(fā)現(xiàn)，某山區(qū)常見工況下水平管含液率和流速存在主次競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，流速增加會(huì)使氣液界面擾動(dòng)增大、攜液能力增強(qiáng)，進(jìn)而有助于避免積液腐蝕，研究成果可為山區(qū)水平管道流型研究提供參考。

關(guān)鍵詞：含氣率；氣液兩相流；油氣管道；流型分布

中圖分類號(hào)：TE832" " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " "文章編號(hào)：1003-5168（2024）09-0052-06

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.09.011

Numerical Simulation of Flow Pattern in Horizontal Pipe in

Mountainous Area

WU Yiming LIAO Chen ZENG Hui

（Second Gas Production Plant of Sinopec Southwest Oil and Gas Company，Langzhong 637400，China）

Abstract：[Purposes] Due to the corrosion environment caused by liquid accumulation in the low-lying area of the pipeline in mountainous areas，the pipeline cannot be opened due to high sulfur content. Therefore， it is necessary to study how to intuitively understand the internal flow pattern of the pipeline.[Methods] Therefore，this paper uses CFD（VOF and RNG k-ε） to explore the flow pattern distribution，pressure distribution， gas content and other processes of horizontal pipeline with variable speed and variable liquid content.[Findings] The results showed that： under common working conditions of a certain gas field flow，the flow pattern in the pipeline is mainly laminar flow.When the flow velocity and liquid content increase， the flow pattern changes. When Vmix=9.00 m/s，Vol=0.3，stratified flow entraining（wave and bubbles） appears，showing a transition state.When the flow rate and liquid content continue to increase， the certain（wave，bubble） of stratified flow becomes a bubble flow.[Conclusions] It is found that there is a primary and secondary competition between the liquid content and the flow rate of the horizontal pipe under common working conditions in a mountainous area. The increase of the flow rate will increase the disturbance of the gas-liquid interface and enhance the liquid carrying capacity， which will help to avoid the corrosion of the liquid accumulation. The research results can provide a reference for the study of the flow pattern of horizontal pipelines in mountainous areas.

Keywords： gas content; gas-liquid two-phase flow; oil and gas pipeline; flow pattern distribution

0 引言

我國(guó)有著豐富的油氣資源，管道是輸送油氣的重要工具。山區(qū)高含硫管道因?yàn)榉e液、地形起伏、油氣流速、含水率等變化會(huì)使油氣管道腐蝕加劇，因此掌握油氣管道內(nèi)部流型對(duì)管道油氣輸送工作具有一定的指導(dǎo)意義。

近年來(lái)，為了解管道內(nèi)部的流型情況，許多學(xué)者對(duì)管道內(nèi)多相流進(jìn)行了研究，趙鐸［1］使用FLUENT模擬了管道兩相流流型；代理震等［2］研究了天然氣水平井中起伏管段的積液規(guī)律；邢鵬［3］通過(guò)VOF模型探究了上傾管道流動(dòng)特性；韓楚君等［4］綜述了低含液氣液兩相流現(xiàn)狀；Yan等［5］也均對(duì)氣液多相流進(jìn)行了模擬研究。目前，對(duì)管道內(nèi)多相流的研究多集中在小管徑氣液兩相流的模擬，與實(shí)際工況有所差別，山區(qū)油氣管道實(shí)際直徑偏大。本研究主要結(jié)合CFD針對(duì)混合流速為0.86～9.00 m/s、含液率為0.3～0.8、管徑為219 mm的工況進(jìn)行氣液兩相流數(shù)值模擬。

1 數(shù)值模型

1.1 控制方程

為了便于研究，在本次模擬中把模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，將水平管道中的氣液流體視為不可壓縮流體，則連續(xù)性方程及其動(dòng)量方程如下。

①連續(xù)性方程見式（1）。

[αρmαt+??（ρmv）=0] （1）

式中：[ρm]為混合流體密度，kg/m3；v為流體流速，m/s 。

②動(dòng)量方程見式（2）。

[?（ρmυ）αt+??（ρmυυ）=??（τ??）+ρmf] （2）

式中：[τ??]為黏性應(yīng)力張量；f為作用在單位質(zhì)量流體微元體上的體積力，N。

其中，

[ρm=αρa(bǔ)+（1-α）ρw]" （3）

[μm=αμa+（1-α）μw] （4）

式中： [ρa(bǔ)]為氣相密度； [ρw]為氣相密度；[μa]為氣相動(dòng)力黏度；[μw]為液相動(dòng)力黏度；[α]為氣相體積分?jǐn)?shù)。

具體模擬參數(shù)見表1。

1.2 計(jì)算域及網(wǎng)格

本研究選擇219 mm管徑、流速為0.86、3.50、9.00 m/s、含液率為0.3、0.5、0.8的工況采取結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行劃分，對(duì)壁面處網(wǎng)格進(jìn)行局部加密，入口邊界條件為速度入口、出口為壓力出口，壁面采取無(wú)滑移邊界條件，選取非穩(wěn)態(tài)、壓力基；采用VOF模型耦合RNG k-ε模型進(jìn)行數(shù)值模擬。計(jì)算域如圖1所示，網(wǎng)格劃分如圖2所示。本研究對(duì)管道壁面網(wǎng)格進(jìn)行加密，整體采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行劃分，以滿足工程要求，CFD計(jì)算中用來(lái)估計(jì)第一層網(wǎng)格高度的無(wú)量綱量y+=1，網(wǎng)格增長(zhǎng)率1.2，第一層網(wǎng)格高度為6.405 97 e-5m。

1.3 模型驗(yàn)證

分層流模型如圖3所示。選取管徑90 mm、含液率為0.75、Vmix=0.55 m/s模型參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證，得到曼徳漢流型圖［7］分層流，證明了本數(shù)據(jù)模型的可行性。

2 結(jié)果與討論

2.1 含液率0.3

不同時(shí)刻氣體體積分?jǐn)?shù)分布和不同時(shí)刻液體體積分?jǐn)?shù)分布如4、圖5所示。當(dāng)含液率為0.3時(shí)，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，不同混合流速下的流體均流過(guò)管道距離發(fā)展至流型穩(wěn)定，流速越大，流型發(fā)展的速度越快。當(dāng)混合流速為0.86 m/s時(shí)，氣液界面先下降后穩(wěn)定，這主要是受液體重力影響，同時(shí)流體因?yàn)榱魉龠^(guò)低，在管底附著流動(dòng)，無(wú)法攜液，表現(xiàn)為分層流；當(dāng)混合流速為3.50 m/s時(shí)，氣液界面最初在管道中呈現(xiàn)緩慢下降趨勢(shì)，發(fā)展出現(xiàn)分層流帶波動(dòng)氣液界面，受流速增大的影響，管道中液體擾動(dòng)增強(qiáng)，液面在管道中的附著高度增加，流型變化發(fā)展時(shí)間快于Vmix=0.86 m/s；當(dāng)混合流速為9.00 m/s時(shí)，隨時(shí)間的延長(zhǎng)，流型不斷發(fā)展，穩(wěn)定后表現(xiàn)為分層流，氣液界面出現(xiàn)波動(dòng)，附著于管壁的高度變大，液體內(nèi)部夾雜氣泡同時(shí)向下流動(dòng)，這主要是因?yàn)榱魉僭黾訉?dǎo)致的。

不同時(shí)刻氣體壓力分布如圖6所示。當(dāng)Vmix=0.86 m/s時(shí)，壓力分布與流型保持一致，表明流速過(guò)低時(shí)在管道中呈現(xiàn)低附著高度的層流形態(tài)，同時(shí)發(fā)現(xiàn)氣液界面的壓力低于流場(chǎng)內(nèi)部壓力，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，氣液界面低壓端向管道不斷發(fā)展；當(dāng)Vmix=3.50 m/s時(shí)，氣液界面壓力分布同樣出現(xiàn)分層現(xiàn)象，并且出現(xiàn)氣體擾動(dòng)液滴的現(xiàn)象；當(dāng)Vmix=9.00 m/s時(shí)，擾動(dòng)顯著增加，氣液界面的液滴被氣體攜帶，呈現(xiàn)不規(guī)則現(xiàn)象。

當(dāng)含液率為0.3時(shí)，選?。?.1，-0.109 5）管底壁面為固定點(diǎn)，監(jiān)測(cè)氣體含量如圖7所示。當(dāng)混合速度0.86 m/s時(shí)，在以上采樣點(diǎn)中發(fā)現(xiàn)天然氣含氣率最小，起伏穩(wěn)定，且穩(wěn)定基本趨于0；當(dāng)混合速度為3.50 m/s時(shí)，曲線位于9.00 m/s和0.86 m/s之間，波動(dòng)較大；當(dāng)混合速度為9.00 m/s時(shí)，曲線位于最上方，有輕微上揚(yáng)趨勢(shì)，含氣率最大，接近于1。這主要是因?yàn)楫?dāng)含液率較低時(shí)，速度越大對(duì)流體的擾動(dòng)越大，氣體會(huì)出現(xiàn)攜帶液體的現(xiàn)象，出現(xiàn)氣液交替，流速越大，攜帶能力越強(qiáng)，含氣率就越高；流速越小，攜帶能力較弱，流體分層附著在管壁，液體覆蓋使得含氣率較低。

2.2 含液率0.5

不同時(shí)刻氣體體積分?jǐn)?shù)分布和不同時(shí)刻液體體積分?jǐn)?shù)分布如圖8、圖9所示。當(dāng)含液率0.5、Vmix=0.86 m/s時(shí)，隨時(shí)間的延長(zhǎng)，流動(dòng)變穩(wěn)定，表現(xiàn)為明顯的分層流，氣液界面穩(wěn)定，波動(dòng)較小，入口含氣率較高，液體攜帶氣體向下游逐漸擴(kuò)散；Vmix=3.50 m/s時(shí)，流體充斥管道面積增大，同樣變現(xiàn)為分層流，氣液界面不穩(wěn)定，呈現(xiàn)波浪狀，流速增大攜帶裹挾氣體的能力增強(qiáng)，氣體擴(kuò)散距離增加；當(dāng)Vmix=9.00 m/s時(shí)，流速增大使得液體充斥管道，表現(xiàn)為氣泡流，并隨著流體向下發(fā)展。

不同時(shí)刻氣體壓力分布如圖10所示。當(dāng)Vol=0.5時(shí)，不同速度下靜壓分布出現(xiàn)分層，這是由于流型為分層流，當(dāng)Vmix=0.86 m/s時(shí)氣液界面較為光滑；當(dāng)Vmix=3.5 m/s時(shí)氣液界面較為波動(dòng)，同時(shí)出現(xiàn)多層靜壓分布，層間界面均出現(xiàn)波動(dòng)；當(dāng)Vmix=9.00 m/s時(shí)，表現(xiàn)與Vmix=3.5 m/s相似，但界面波動(dòng)表現(xiàn)更為明顯。三種混合速度下高壓端均出現(xiàn)在流體底層，低壓端出現(xiàn)在流體上層。

以Vol=0.5，（0.1，-0.1095）管底壁面為固定點(diǎn)監(jiān)測(cè)氣體含量如圖11所示。當(dāng)Vmix=0.86 m/s時(shí)，含氣率同樣較低，但是出現(xiàn)起伏，說(shuō)明0.5含液率時(shí)候液體會(huì)攜帶氣體流動(dòng)，當(dāng)Vmix=3.50 m/s時(shí)，含氣率起伏較大，驗(yàn)證了上文提到的氣液界面波動(dòng)增強(qiáng)，攜液增強(qiáng)；當(dāng)Vmix=9.00 m/s，速度變大，攜液能力進(jìn)一步增強(qiáng)，使得固定點(diǎn)的平均含氣率均高于其余速度下的平均含氣率，這對(duì)管道積液有所改善。

2.3 含液率0.8

不同時(shí)刻氣體、液體體積分?jǐn)?shù)分布如圖12和圖13所示。由圖12、圖13可知，流體受重力影響，氣液界面以傾斜角度向前發(fā)展，Vol=0.8時(shí)，Vmix=0.86 m/s表現(xiàn)為分層流，Vmix=3.50 m/s、9.00 m/s表現(xiàn)為氣泡流，這是因?yàn)楹郝屎土魉佥^高共同影響的原因，擾動(dòng)增強(qiáng)，使得流體充斥管道內(nèi)并夾帶氣泡，即使含液率較高，但是流速過(guò)低，攜液能力較低，流體擾動(dòng)較弱。

如圖14所示，Vol=0.8時(shí)，三種混合速度下靜壓分布同樣出現(xiàn)分層情況，由管底向管頂靜壓逐漸降低，Vmix=0.86 m/s壓力分層界面比其余兩種速度下表現(xiàn)得更光滑，低流速的擾動(dòng)能力較弱。

圖15為選?。?.1，-0.1095）管底壁面為固定點(diǎn)監(jiān)測(cè)氣體含量，可以看到當(dāng)Vol=0.3時(shí)，Vmix=9.00 m/s的整體曲線含氣率最高，這主要是由于含液率低，流速高攜液能力強(qiáng)，當(dāng)Vol=0.3時(shí)，同一速度下，隨著流速增大，含氣率整體偏高；含液率0.5時(shí)，同樣流速增大，含氣率整體偏高；當(dāng)Vol=0.8時(shí)，整體含氣率偏低，這主要是由于含液率大于一定值時(shí)，含液率成了主導(dǎo)因素，流速的增加變?yōu)榇我绊懸蛩?。?dāng)流速Vmix=9.00 m/s時(shí)，隨著含液率增大，含氣率呈現(xiàn)降低；Vmix=3.50 m/s，含液率大于某個(gè)值時(shí)，含氣率整體偏低，而在含液率為0.3、0.5時(shí)并無(wú)明顯規(guī)律；Vmix=0.86 m/s整體流速過(guò)低，導(dǎo)致整體含氣率偏低，此時(shí)主要因素變?yōu)榈土魉倏刂?，使得流體附著在管壁上流動(dòng)，攜液能力變差，而含液率變成次要影響因素。

選取 T=0.3 s下管底不同位置處含氣率，由圖16 可知，Vol=0.8時(shí)，管底不同位置處含氣率均偏低，Vol=0.3、0.5 時(shí)，高流速攜液能力增強(qiáng)， 0.86 m/s 流速下限制氣體生產(chǎn)，流體覆蓋積累在管壁，造成低流速，腐蝕多積液的管道內(nèi)壁。

流型分布見表2。在不同工況下，大部分出現(xiàn)分層流，當(dāng)流速增加到3.50 m/s，分層流中出現(xiàn)夾帶波浪、氣泡，當(dāng)Vmix=9.00 m/s、Vol=0.3時(shí)，同樣出現(xiàn)分層流夾帶（波浪、氣泡），表現(xiàn)為過(guò)度，當(dāng)流速和含液率均增大時(shí)，分層流夾帶（波浪、氣泡）過(guò)渡為氣泡流，攜液能力增強(qiáng)。

3 結(jié)論

①管道內(nèi)流型受流速和含液率二者的影響，Vmix=0.86 m/s時(shí)，Vol=0.3、0.5、0.8均表現(xiàn)為分層流；Vmix=3.50 m/s時(shí)，Vol=0.3、0.5、0.8，出現(xiàn)分層流夾帶（波浪、氣泡），表現(xiàn)為過(guò)度，Vmix=9.00 m/s時(shí)，Vol=0.3表現(xiàn)為分層流夾帶（波浪、氣泡），含液率增大變?yōu)闅馀萘鳌?/p>

②當(dāng)Vol=0.8時(shí)，整體含氣率偏低，含液率成了主導(dǎo)因素，流速的增加變?yōu)榇我绊懸蛩?；?dāng)Vmix=0.86 m/s時(shí)，整體流速過(guò)低，導(dǎo)致整體含氣率偏低，此時(shí)主要因素變?yōu)榈土魉倏刂疲沟昧黧w附著在管壁上流動(dòng)，攜液能力變差，而含液率變成次要影響因素，增大流速，減小含液率有助于避免管道腐蝕環(huán)境的形成。

③低流速下容易積液，易造成腐蝕環(huán)境。為減輕腐蝕環(huán)境的形成，應(yīng)該嚴(yán)格把控清管效果，清除積液，提高氣流速度利于攜液。

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