S型柔性立管内空气_水两相流流型特征的实验研究_李乃良
水下排气两相流动及气泡粒径分布的数值模拟
水下排气两相流动及气泡粒径分布的数值模拟王治云;李永胜;杨茉【摘要】对某内燃机水下排气管道的排气过程进行了数值模拟,以预测CO2经过排气管道处理后的气泡直径分布,期为管道的优化设计提供参考.气液两相流动模型采用Euler模型,湍流模型采用Realizable k-ε模型,考虑了气泡的分裂与聚合的粒径分布采用群体平衡方程计算.计算结果表明:在所研究的几何条件与流动参数范围内,CO2气泡在管道中的非连续流动会因为有浮力作用使其逐渐集中到管道上方从而导致气泡粒径变大,孔板下部开孔对气泡破碎效果有限.管道出口处粒径在4 mm 以下的气泡体积分数的时均值为0.466.【期刊名称】《能源工程》【年(卷),期】2017(000)006【总页数】4页(P49-52)【关键词】气液两相流;湍流;群体平衡方程;粒径分布【作者】王治云;李永胜;杨茉【作者单位】上海理工大学能源与动力工程学院,上海200093;上海理工大学能源与动力工程学院,上海200093;上海理工大学能源与动力工程学院,上海200093【正文语种】中文【中图分类】TK413.4众所周知，内燃机在运行时会排放出含有大量二氧化碳的尾气，造成温室效应。
为了减轻尾气中CO2所造成的温室效应，需要对内燃机排气管道进行优化处理。
对于海上船舶，现有的方法之一是将内燃机排出的尾气排入海水中使得CO2溶于海水。
由于CO2在水中的溶解度有限，为了达到更好的溶解效果可将CO2处理成一定直径的小气泡，以增大CO2与海水的接触面积，促进气体的溶解。
CHEN等[1]对从海床泄漏的CO2的研究表明，气泡的粒径决定了其在海水中的存在时间，粒径越小气泡越易于在海水中溶解。
因此，要准确预测气泡的溶解效果，必须对气泡粒径分布和气液两相的空间分布结构进行研究。
在对气泡粒径分布预测的计算方法中，群体平衡模型(Population Balance Model，PBM)广泛应用于结晶、医药制造、在火焰中形成的污染物以及微生物和细胞群的生长等工程计算中。
油-水两相流流动特性研究
油-水两相流流动特性研究
华伟;蔡亮;徐若语;刘畑;岳阳
【期刊名称】《石油工业技术监督》
【年(卷),期】2022(38)4
【摘要】针对稠油油品物性差、凝点低、流动性差等特点,采用室内环道试验,揭示含水率、混合流速、温度与管输流型和压降之间的关系。
结果表明,在流型转变的过程中共出现5种流型,当含水率小于0.6%时,压降梯度与含水率呈显著正相关,当含水率大于0.6%时,压降梯度迅速减小;当含水率小于0.525%时,压降梯度与混合流速呈显著正相关,当含水率越过反相点后,压降梯度与混合流速的相关性减弱;稠油输送应尽量控制在水基流阶段,且低温工况优于高温工况,混合流速增大和温度降低均会促进反相提前。
研究结果可为稠油管道输送提供理论依据和参考。
【总页数】4页(P30-33)
【作者】华伟;蔡亮;徐若语;刘畑;岳阳
【作者单位】华北石油管理局有限公司电力分公司;中航油京津冀物流有限公司;中油国际管道有限公司;中国石油新疆油田分公司油气储运公司;国家管网集团西南管道有限责任公司兰州输油气分公司
【正文语种】中文
【中图分类】TE3
【相关文献】
1.圆管内油-气-水三相弹状流液弹区流动特性的研究
2.切向单双入口旋流器油-水两相分离流场及特性研究
3.机动输油管线水顶油排空油水两相流动特性研究进展
4.水平管内油-水两相流动压降规律的实验研究
5.循环射流混合槽内油-水两相流复杂动力学特性分析
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柔性立管管径对严重段塞流特性的影响
（ ．中海 石油 （ １ 中国）有 限公 司 湛江分公 司 ，广 东 湛江 ５４ ０ ； ２ ０ ０
２ ．西 安交 通大学 动力工程 多相流 国家重点实验室 ，陕西 西安 ７ ０ ４ ） １０ ９ 摘要 ： 于将 海底原油及天然气举升到海上平 台的 ｓ型柔性立管是海洋石油工业 中的重要 设备 。为研究 柔性立 管 用 尺寸对严重段塞 流特性 的影响 ， 在集输一 ｓ型柔性立 管系统上分别实验研究 了立管 内径等 于和大于集输 管道 内径 时
第３ ９卷 第 ７期 ２ １ 年 ７月 ０１
管道内气液两相流流激力研究进展
管道内气液两相流在核工业、化工业以及石油运输等多个领域中广泛存在，与单相流计和运行具有重要意义。
在过去几十年内，管道外流对管道的影响受到了广泛关注[15-20]，但随着研究的深入，学者们发现管道内流流激力的产生机理与管道外流有本质的区别[21]。
本文首先对管道内气液两相流流激力的产生机理方面的研究进展进行了综述，然后总结了流激力的影响因素，最后对其计算模型进行了阐述，旨在全面展示气液两相内流流激力的研究现状，为进一步开展相关研究给出指导。
1. 气液两相流流激力发生机理1968年，学者Yih和Griffith[22]首次进行了三通结构内气液两相流流激力的实验研究，研究发现：气液两相流流动伴随着强烈的压力、持液率和动量通量波动，正是由于这些不稳定因素导致了管道系统的受力和移动。
作者认为动量通量更能从本质上揭示流动的变化规律，因此将动量通量变化看作“源”，三通结构的移动看作“响应”，但限于实验条件不足，实验并未直接测量流体动量通量的变化，而是使用过滤器将管道移动信号转换为动量通量信号。
Riverin和Pettigrew[6]使用光学探针测量了U型管弯管处的气泡大小和频率以及该处管道的受力值，作者认为，不同气泡的经过导致动量通量的不断变化，经过的气泡越大，带来的动量变化越大；通过实验数据做出气泡尺寸–频率图线，发现最大气泡对应的频率值与受力信号频谱图中主频率值是一致的，由此证明流体轴向动量通量的变化使管道弯管部分产生了脉动力。
Cargnelutti等[23]进一步指出，单相流中弯头部位作用力的产生是由于流体流动方向和压力的改变，而气液两相流中，这两者的变化由于密度、气液界面的急剧变化而大大增加；在直管中，管道作用力的产生机理是液塞经过引起的湍流噪声和压力波动，而在弯头部位，则是由于动量通量在短时间的剧烈改变所造成。
Giraudeau等[24]在实验中直接对截面含气率信号和U型管弯管部位受力同时进行测量，通过对比两者的频谱图发现，同一组实验下两者的主频率值基本相同。
水平管内汽液两相流流型及换热特性数值模拟
Ａｂｓｔｒａｃｔ ： Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｓｔｕｄｙ ｔｈｅ ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｆｌｏｗ ｐａｔｔｅｒｎ ｉｎ ａ ｐｈａｓｅ⁃ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ ｖａｐｏｒ⁃ｌｉｑｕｉｄ ｔｗｏ⁃ｐｈａｓｅ ｆｌｏｗ ｉｎ ｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅ ｍｏｄｅｌ （ ＲＳＭ） ｗａｓ ｐｅｒｆｏｒｍｅｄ． Ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｃｏｎｖｅｃｔｉｖｅ ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ， ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｄｒｏｐ ａｎｄ
➝
两相流模型选用 ＶＯＦ 模型，其控制方程为容 积比率方程： ∂α ｑ ／ ∂ｔ ＋ ｖ ·∇α ｑ ＝ Ｓ αｑ ／ ρ ｑ ．
➝
∂ρ ／ ∂ｔ ＋ ∇·（ ρ ｖ ） ＝ ０ ．
度扩散项，Ｄ Ｌ，ｉｊ 为湍流动能分子扩散项，Ｐ ｉｊ 为湍流 动能应力生成项，Ｇ ｉｊ 为湍流动能浮力生成项，Φ ｉｊ 自定义项． 为湍流动能压力应变项，ε ｉｊ 为湍流动能耗散项， Ｆ ｉｊ 为湍流动能旋转生成项，Ｓ ｕｓｅｒ 为湍流动能用户 ２������ ３ 数值求解
层状流 （气液两相连续） 波状流 （气液两相连续） 环状流 （气液两相连续） 弹状流 （液相连续， 气相间断） 塞状流 （液相连续， 气相间断） 气泡流 （液相连续， 气相弥散） 雾状流 （气相连续， 液相弥散） 连续连续 流态
近年来，有学者提出了从多相流中流动介质的
７） 雾状流． 在环状流的基础上， 当气流速度
［１５］
ＩｓｓａＩ ［１６］ 等分别采用朗格朗日方法和欧拉法两流 体模型对水平管内的段塞气液两相流的形成和发 展进行了数值模拟研究． 结果表明： 段塞流是在 分层 流 的 基 础 上 液 体 向 上 波 动 形 成 的． Ｄｅ Ｓｃｈｅｐｐｅｒ ［１７］ 等采用 ＶＯＦ 模型及标准 ｋ － ε 湍流模 型对水平换热管中烃的蒸发裂化过程进行了数值 模拟，得到了分层流和环状流． 张金红 ［１８］ 和宫莎 莎 ［１９］ 等则分别对水平管内气液两相流流型进行 了实验和数值模拟研究， 结果表明： 水平管内流 型与 Ｍａｎｄｈａｎｅ 流型图吻合较好． 但是到 目 前 为 止，数值模拟对水平管内汽液两相流压降、换热和 流型同时进行研究的报道相对较少， 尚未建立起 较为完善的带换热过程的水平管内汽液两相流流 型及流动与换热特性的数值模拟方法．
大变形柔性管道两相流流致振动研究
第２１卷第６期２０２３年６月动力学与控制学报J O U R N A L O FD Y N AM I C SA N DC O N T R O LV o l ．２１N o ．６J u n ．２０２３文章编号:１６７２Ｇ６５５３Ｇ２０２３Ｇ２１(６)Ｇ０３１Ｇ００８D O I :１０．６０５２/１６７２Ｇ６５５３Ｇ２０２３Ｇ０７７㊀２０２３Ｇ０４Ｇ０８收到第１稿,２０２３Ｇ０５Ｇ２４收到修改稿．∗国家自然科学基金资助项目(１１９３２０１１),N a t i o n a lN a t u r a l S c i e n c eF o u n d a t i o no fC h i n a (１１９３２０１１)．†通信作者E Ｇm a i l :q u y e g a o ＠s jt u ．e d u ．c n 大变形柔性管道两相流流致振动研究∗宿恒㊀瞿叶高†㊀彭志科(上海交通大学机械与动力工程学院,上海㊀２００２４０)摘要㊀针对柔性管道内段塞流引起的结构大变形流致振动问题,本文采用分区强流固耦合方法建立了面向大变形两相流输运管道的双向流固耦合数值计算模型．基于流体体积法对气液两相流动界面进行追踪并结合任意拉格朗日Ｇ欧拉(A L E )动网格方法考虑流体域网格变形,同时采用有限元方法建立了柔性管道动力学模型,根据流体和管道壁面的相互作用构建强流固耦合计算模型．研究表明,在两相流作用下柔性管道的振动主要以类似一阶和二阶振动模态响应为主且会发生模态切换;模态切换与管内的液塞长度㊁液塞流动频率以及气液塞在管内的轴向分布有关;管道的大变形振动促进了短气塞的融合并显著改变了液塞的长度和频率,进而影响管道的振动和流型转变界限．关键词㊀大变形,㊀段塞流,㊀强流固耦合,㊀模态切换,㊀流态转变中图分类号:O ３２４;O ３２２文献标志码:AI n v e s t i g a t i o no nT w o ＧP h a s eF l o wI n d u c e dV i b r a t i o nR e s po n s e s i naF l e x i b l eP i p ew i t hL a r geD e f o r m a t i o n ∗S uH e n g ㊀Q uY e g a o †㊀P e n g Zh i k e (S c h o o l o fM e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ,S h a n g h a i J i a oT o n g U n i v e r s i t y ,S h a n gh a i ㊀２００２４０,C h i n a )A b s t r a c t ㊀I n o r d e r t o s t u d y t h e f l o w Ｇi n d u c e d v i b r a t i o n c h a r a c t e r i s t i c s c a u s e d b y g a s Ｇl i q u i d t w o Ｇph a s e f l o w i na f l e x i b l e p i p ew i t h l a r ge d ef o r m a t i o n ,an u m e r i c a l s i m u l a t i o n p l a t f o r mf o r p a r t i t i o n e d f l u i d Ｇs t r u c t u r e c o u p l i ng u n d e r th e c o n di t i o no f t h e i n t e r n a l t w o Ｇp h a s e f l o wh a sb e e nd e v e l o pe d ．T h e i n t e rf a c eb e t w e e n t h eg a s a n d l i qu i d p h a s e s i s t r a c k e db a s e do n t h ev o l u m eo f f l u i dm e t h o d ,a n d t h em e s hd e f o r m a t i o no f f l u i dd o m a i ni sc o n s i d e r e db y t h ea r b i t r a r y L a g r a n g i a n ＧE u l e r (A L E )d y n a m i c m e s ht e c h n i qu e ．M e a n Ｇw h i l e ,t h e f l e x i b l e p i p e i s e s t a b l i s h e db y t h e f i n i t e e l e m e n tm e t h o d ．T h e f l u i dd o m a i n a n d s t r u c t u r a l d o Ｇm a i na r e c o u p l e db y a d a p t i n g t h e c o u p l i n g l i b r a r yp r e C I C E ．T h e r e s u l t s i n d i c a t e t h a t t h e a n d t h r e e t y p e s o fm o d e s w i t c h i n g a r e i d e n t i f i e do n t h eb a s i s o f t h e s w i t c h i n g c h a r a c t e r i s t i c s ．T h e v i b r a t i o no f t h e l a r ge Ｇd ef o r m a t i o n f l e x i b l e p i p e i s d o m i n a t e db y t h e f i r s to r d e r a n ds e c o n do r d e ro s c i l l a t i o n m o d e s ．T h em o d e s w i t c h i ng m a i n l y d e p e n d s o n th e l e n g t h ,r e c u r r e n c e f r e q u e n c y a n d t h e a xi a l d i s t r i b u t i o no f l i q u i d s l u gi n t h e f l e x i b l e p i p e ．T h e l a r g ed e f o r m a t i o no f t h e p i p e p r o m o t e st h e f u s i o no f t h es h o r tb u b b l es l u g an d c h a n g e s t h e l e n g t h o f t h e l i q u i d s l u g s i g n i f i c a n t l y ,t h u s a f f e c t i n g t h e v i b r a t i o n a m p l i t u d e a n d f l o w p a t t e r n t r a n s i t i o nb o u n d a r y o f t h e p i pe ．K e y wo r d s ㊀l a r g e d e f o r m a t i o n ,㊀t w o Ｇp h a s e f l o w ,㊀s t r o n g f l u i d Ｇs t r u c t u r e c o u p l i n g ,㊀m o d e s w i t c h i n g ,㊀t r a n s i t i o no f f l o w p a t t e r nCopyright ©博看网. All Rights Reserved.动㊀力㊀学㊀与㊀控㊀制㊀学㊀报２０２３年第２１卷引言气液段塞流广泛存在于核电㊁石油化工㊁海洋工程等工业领域的管道中,如饱和蒸汽管道㊁油气混输管道和海洋管道等[１Ｇ２]．这些管道大多为薄壁结构,气液段塞流与薄壁管道之间的相互耦合作用,可引发管道产生大变形的流致振动,引起管道疲劳损伤甚至导致管道爆裂,酿成重大安全事故[３Ｇ４]．目前针对气液两相流诱导的管道流致振动研究主要集中在直管和曲管的小变形振动问题,针对柔性管的两相流大变形振动研究非常有限．R oＧd r i g u e z等[５]通过实验研究了不同流型下水平管道的振动响应,发现其幅值取决于流动和结构参数,如混合流速㊁相体积分数和流型．T h o r p e等[６]通过实验研究发现,长泡状流下水平管道的振动为窄带随机振动,而弹状流和环状流下则表现为周期性振动．G i r a u d e a u等[７]研究了不同流型下两相流诱导的竖直U形管振动响应特性,发现泰勒气泡与液塞之间的动量急骤变化导致段塞流时管道振动幅值最大．P e t t i g r e w[８]在研究两相流作用下竖直弯管的振动响应时,也发现段塞流引起的管道横向振动幅值远高于其他流型,而气泡和液塞对弯头的冲击频率与流体密度㊁相体积分数和动量通量等参数相关．W a n g等[９]通过建立流固耦合模型,分析了严重段塞流诱导水平管Ｇ立管系统振动的机理,发现管道振动响应与严重段塞流的周期性有关．Z h u等[１０]研究了不同流速㊁气液比的段塞流作用下的悬链线型立管的振动响应,分析了立管平面内振动中出现的模态切换现象．H a s h i m y等[１１]发现了段塞流速是决定弹性管道振动的关键因素,振动位移随液相表观流速的增大而增大．M a和S r i n i l[１２Ｇ１３]通过建立二维数值模型研究了段塞流诱导的弯曲柔性管道的振动响应,发现管道的多模态振动响应与段塞频率密切相关．气液两相流引起的管道大变形振动包含了复杂的强流固耦合机理,目前的研究大多只关注了气液两相流对管道振动的影响,鲜有分析管道振动对管内流动特性及流型变化的影响．J i n等[１４]研究了摇摆振动状态下矩形管道内两相流的流动变化,发现摇摆振动降低了管内两相流压降且其含气率随摇摆角度和频率的增大而提升．曹夏昕和方红宇等[１５Ｇ１６]利用振动台研究了摇摆振动对竖直管㊁水平管内气液两相流动的影响,分析了振动对管内单相流的摩擦压降及气液两相流的流型㊁流型转变界限㊁界面含气率以及摩擦压降等参数的影响,发现振动会使管内气液两相流产生附加惯性摩擦力,增大管内的摩擦压降,并且通过对振动状态下流型转变机理的分析,给出了各流型之间的转变准则关系式．周云龙等[１７]基于实验研究了起伏振动对水平直管内两相流流型的影响,通过对气液两相流压差波动的分析,发现振动状态下出现了特有的泡状流及沸腾波状流．H i b i k i和I s h i i[１８]发现管道的振动会促进泡状流中气泡之间的相互融合,但这种影响不足以改变泡状流的流型．肖秀等[１９]发现泡状流在起伏振动状态下极不稳定,随着气相流速的增加逐渐向搅拌流转化,进而削弱管道的振动．常赫等[２０]对非线性振动下水平管道内两相流流动特性进行研究,结果表明流体瞬时摩擦压降的波动幅度与振动频率和振幅呈正相关,且振动频率的影响效果大于振幅．综上,目前对于同时考虑气液两相流诱发的管道振动及振动对管内两相流流态的影响,缺少对双向流固耦合效应的深入分析．这类复杂的流固耦合现象在海洋工程及油气管道中普遍存在,尤其是不稳定的气液两相流流经非线性弯曲的柔性管道时,易激发柔性管道产生复杂的非线性多模态振动响应,这种复杂的多模态振动又会影响管内两相流的流动特性,甚至导致管内气液两相流型出现时空动态演变,进一步加剧柔性管道的振动．本文建立了两相流诱导的柔性管道大变形流固耦合模型,研究了不同表观流速和含气率工况下柔性直管内段塞流诱导振动的机理以及管道变形对两相流流动特性的影响,为两相流管道的设计㊁维护及振动抑制提供参考．１㊀理论模型和计算方法１．１㊀两相流数值模型V O F(V o l u m e o f F l u i d)模型[２１]适用于描述界面特征长度远大于网格尺寸的两相流问题,对于具有明显相界面的流型如环状流和段塞流等具有很好的适应性．将气液两相视为单一不可压缩连续介质,不考虑相变和传热传质,则其连续性方程和动２３Copyright©博看网. All Rights Reserved.第６期宿恒等:大变形柔性管道两相流流致振动研究量方程可以表示为:∂ρ∂t＋Ñ ρU ()＝０(１)∂ρU ()∂t＋Ñ ρU U ()＝－Ñp ＋Ñ τ＋㊀ρg ＋F s u r f (２)其中,U 和F s u r f 分别表示速度和表面张力矢量,τ＝μ[ÑU ＋(ÑU )T];密度ρ和黏度μ是相体积分数的函数,用下式计算:ρ＝αl ρl ＋αg ρg ,μ＝αl μl ＋αg μg(３)其中,α表示相体积分数,下标l 和g 分别表示液相和气相．为了使相界面保持足够的尖锐,本文通过一种人工的对流项(方程右侧第三项)来对相界面附近的相分数进行挤压,以抗衡数值耗散带来的相界面模糊性[２２],其体积分数控制方程满足:∂α∂t ＋U Ñα＋Ñ α(１－α)|U |ÑαÑαæèçöø÷éëêêùûúú＝０(４)在管内两相流问题中,表面张力会导致相界面处存在一个尖锐的压降．在动量方程式(２)右端添加表面张力项[２３],其计算表达式为:F s ＝－σÑ ÑαÑαæèçöø÷Ñα(５)其中,σ为表面张力系数,这里取０．０７２k g/s ２．本文采用标准k －ε模型和标准壁面函数分别考虑湍流和近壁面的影响．为了提高迭代求解的效率,采用压力隐式算子分割算法(P I S O )对压力速度耦合方程进行求解计算．流体控制方程采用有限体积法进行离散,其中时间项采用一阶欧拉隐式进行离散,对流项则采用高斯积分的线性修正离散格式,压力梯度离散采用高斯积分的线性离散格式;体积分数方程中的对流项采用G a u s sV a n l e e r 格式,人工压缩项采用G a u s s I n t e r f a c eC o m p r e s s i o n 格式[２４]．１．２㊀柔性管道数值模型当流体充满管道时,柔性管道产生弯曲变形,而两相流时空分布规律的变化则会诱导管道产生振动．采用G r e e n ＧL a g r a n ge 应变和第二类P i o l a ＧK i r c h h of f 应力来考虑管道的大变形特性,基于非线性有限元法建立大变形弹性管道的结构动力学模型．忽略管道的热传导和热辐射,两相流作用下管道的有限元离散动力学方程为:[M ]{q}＋[C ]{q}＋[K L ＋K N L ]{q }＝{F }(６)式中,[M ]表示质量矩阵,[C ]表示阻尼矩阵,K L 为线性刚度矩阵,K N L 为结构非线性刚度矩阵．{q}㊁{q}和{q }分别为节点加速度向量㊁速度向量和位移向量．{F }为流体激励力向量．１．２㊀流固耦合方法文中采用强分区隐式耦合迭代算法求解流固耦合问题并通过径向基函数(R B F )插值方法实现流体与结构之间的数据映射[２５]．在流固耦合交界面上需要满足速度协调和力平衡条件:U －f ＝qs (７)σ－f n f ＝σ－s n s (８)式中,U －f 和qs 分别为耦合界面上流体节点和结构节点的速度;σ－f n f 和σ－s n s 分别是流体和结构在耦合交界面上的应力．在给定时间步长的每次耦合迭代中,首先根据结构的动力学响应,结合网格重构的动网格技术对流体域网格进行修正;然后流体域将耦合界面处更新后的速度和位移作为初始边界条件进行流场的迭代计算,直至流场结果收敛;最后将流体载荷通过插值施加到结构节点,结构域采用N e w t o n ＧR a p h s o n 方法进行迭代求解得到管道的瞬时位移和速度．流体域和结构域之间多次交换数据,直到满足变量传递收敛准则后,再进行下一个时间步的计算[２６]．２㊀计算模型２．１㊀几何模型及物性参数两相流作用下的水平柔性管道流固耦合模型如图１所示,蓝色表示流体域,灰色表示结构域．其中管道内径D ＝５１mm ,壁厚３mm．左端的充分发展段长度L １＝４２００mm ,中部测试段长度L ２＝１５００mm ,右端的出口段长度L ３＝１０００mm．空气和水的混合物从管道左侧流入,并在充分发展段中形成特定流型,重力方向沿Z 轴负方向．柔性管道及两种流动介质的物性参数如表１所示．管道入口采用速度入口条件,截面顶部设置３３Copyright ©博看网. All Rights Reserved.动㊀力㊀学㊀与㊀控㊀制㊀学㊀报２０２３年第２１卷为空气入口(红色),底部设置为水入口(蓝色)．空气入口和水入口的流速可以表示为:U l ＝(U s l A )/A l ,U g ＝(U s gA )/A g ．其中,U l 和U g 分别表示水和空气的实际流速,A 表示管道横截面面积,A l 和A g 分别表示入口处水和空气的实际所占面积,U s l 和U s g 分别表示水和空气的折算流速．图１㊀柔性管道流固耦合模型F i g．１㊀F l u i d Ｇs t r u c t u r e i n t e r a c t i o nm o d e l o f t h e f l e x i b l e p i p e c o n v e y i n g t w o Ｇph a s e f l o w 表１㊀柔性管道及流体介质物性参数T a b l e １㊀P h y s i c a l p r o p e r t i e s o f p i pe a n df l u i d 物性参数值ρ水/(k g m －３)９９８．２c 水/(m /s)１５００ρ空气/(k g m －３)１．２μ水/(k g m －１ s－１)１．００４ˑ１０－３μ空气/(k g m －１ s－１)１．８１ˑ１０－５σ/(N m －１)０．０７２ρ管道/(k g m －３)１０００E 管道/M P a０．６泊松比υ０．４２．２㊀模型验证柔性管道采用六面体八节点实体单元进行离散,管道两端施加固支约束条件．流体域通过六面体八节点 O 形网格进行离散,出口采用压力出口条件,两相流直接进入大气;管道壁面采用无滑移边界条件,不考虑壁面接触角对流型的影响;．为了获得本文数值解受网格疏密程度的影响,首先以气相折算流速和液相折算流速分别为U s g ＝１．３４m /s 和U s l ＝３m /s 时的段塞流工况下管内两相流诱导问题为例,对数值模型的网格独立性进行验证,如图２和表２所示．表２中给出了管道中部测点M 振动幅值的标准偏差值(d S T D )的对比结果．由表２可知,中等网格和精细网格的数值计算结果偏差小于１％,满足网格收敛性的要求,综合考虑网格数量与计算精度,后文将选用中等网格进行计算,此时结构与流体计算域的网格划分如图３所示．表２㊀网格独立性验证T a b l e ２㊀T h e v e r i f i c a t i o no f g r i d i n d e pe n d e n c e 类型结构单元流体单元d S T D /mm 偏差粗９７９２０４５６９６０６．６５８．１５％中等１３０５６０７８３３６０７．２２０．２８％精细１６３２００１０３３６００７．２４/图２㊀数值计算结果验证F i g．２㊀T h e v e r i f i c a t i o no f n u m e r i c a l r e s u l ts 图３㊀计算域网格单元F i g ．３㊀M e d i u m m e s h f o r c o m pu t a t i o n a l d o m a i n ３㊀结果与分析３．１㊀柔性管道固有模态分析为了更好地分析柔性管道的振动特性,本文建立了空管有限元数值计算模型并对其进行了模态分析．其中,结构采用六面体八节点实体单元进行离散,结构单元数为３６０００,管道端部单元节点自由度完全约束,求得空管前２阶固有频率为７．１H及７．９H z ．基于声固耦合法建立充水管道流固耦合有限元数值计算模型,分析了管内静水对柔性管道模态特征的影响．其中,采用八节点可压缩无黏声４３Copyright ©博看网. All Rights Reserved.第６期宿恒等:大变形柔性管道两相流流致振动研究学流体单元对流体进行离散,结构则由六面体八节点实体单元进行离散,流体单元数为２６４６００,结构单元数为３６０００,管道端部节点自由度完全约束．考虑线性小扰动情况,采用非对称法求得充水管前２阶模态数值解为３．２２H z 和８．８７H z ．充水管道前２阶模态主要为弯曲模态,振型如图４所示．图４㊀仿真所得振型图F i g．４㊀N u m e r i c a l r e s u l t s o f v i b r a t i o nm o d e ３．２㊀柔性管道流致振动分析图５给出了U s g ＝１．３４m /s 和U s l ＝３m /s 时不同时刻管道振动包络图和相应时刻下管内两相流分布云图(红色表示液相,蓝色表示气相)．由图可知,气相和液相的密度差异以及气塞和液塞的非均匀分布导致管道弯曲变形程度出现差异,根据柔性管道的变形形状将其振动过程分为两种:一阶振动模态(T＝１．２２s 及T＝１．６８s )和二阶振动模态(T＝１．４０s 及T＝１．５２s )．一阶振动模态下,液塞(气塞)位于管道中部,气塞(液塞)均匀分布在两侧,振动形状呈现一阶弯曲振型并且主振频率接近一阶固有频率;二阶振动模态下,气塞(液塞)主要分布在管道一侧,管道左右侧弯曲变形出现明显差异,振动形状呈现二阶弯曲振型并且轴向主振频率接近二阶固有频率．气塞和液塞的交替运动及其轴向分布的不对称性导致柔性管道的振动主要由１阶模态图５㊀柔性管道瞬时振动包络图及管内流动特征F i g ．５㊀I n s t a n t a n e o u s e n v e l o p e d i a gr a mo f t h e p i pe a n df l o wc h a r a c t e r i s t i c s i n t u b e 为主导且随时间在一阶振动模态和二阶振动模态之间相互切换．图６和图７分别给出了U s g ＝１．３４m /s 和U s l ＝３m /s 时管道中部测点M 沿三个方向的振动位移曲线和压力脉动曲线．由图可知,当液塞进入管道时,液塞密度大且易引起压力脉动升高,导致管道产生冲击振动;当气塞通过时,管道截面平均密度减小且其压力脉动幅值减小,在阻尼的作用下管道振动幅值减小;气塞和液塞的交替运动导致管道振动具有一定的周期性．气塞和液塞沿垂向和轴向的不均匀分布,导致柔性管道的大变形振动主要发生在平面内Y 和Z 两个方向,而流体密度沿横向分布较为均匀,其振动主要由小气团的无规则运动诱导产生,因此振动幅值最小．由频域曲线可知,水平柔性管道沿垂向和横向的振动以１阶振动模态为主,而管内气塞和液塞的无规则分布导致柔性管道沿轴向的振动出现了２阶振动模态．图６㊀测点M 三方向振动位移曲线F i g ．６㊀V i b r a t i o n r e s po n s e s a t p o i n tM 图７㊀压力脉动时域曲线F i g．７㊀t i m e Ｇh i s t o r i e s o f p r e s s u r e f l u c t u a t i o n 图８(a)绘制了不同气相表观流速下柔性管道５３Copyright ©博看网. All Rights Reserved.动㊀力㊀学㊀与㊀控㊀制㊀学㊀报２０２３年第２１卷在Y 和Z 两个方向的振动幅值标准差曲线．由图可知,在段塞流区域,管道振动幅值随着气相表观流速的增加而增大并在段塞流－环状流的转变区达到最大值,之后随着气相流量的增大及流型的改变,振幅逐渐减小．为分析不同气相表观流速下的两相流流致振动响应,将柔性管道的主导振动频率和两相流压力脉动频率进行对比,其中f w １表示充水管的一阶固有频率．如图８(b )所示,柔性管道的振动主导频率始终在一阶固有频率附近,说明其主导振动模态为一阶,与图６所示结果一致．当气相表观流速U s g 小于１．３４m /s 时,气液两相流动压力脉动频率较大,最大液塞长度较短,不稳定的压力脉动仍是激发柔性管道振动的主要原因;当１．３４m /s ＜U s g ＜２．２１m /s 时,气液两相流的流动频率与一阶自振频率接近,此时液塞长度逐渐增大,因此柔性管道的振动主要与段塞流动频率及长液塞的通过有关．U s g ＝２．２１m /s 的段塞Ｇ环状流作用时,段塞流动频率更接近管道的一阶自振频率,且此时最大液塞长度达到最大,导致施加在管壁上的集中作用力较大,使柔性管达到振动最强．U s g ＞２．２１m /s 时,气体流量继续增大,液塞变短至溃散消失是导致振动强度逐渐减弱的原因．图８㊀不同气相流速下管道振幅及振动频率F i g ．８㊀T h eS T Da m p l i t u d e s a n d f l o wv a r i a t i o n i n t h e p i pe u n d e r d if f e r e n t s u pe rf i c i a l v e l o c i t i e s ３．３㊀柔性管道振动对管内流动的影响柔性管道的大变形振动会影响管内的流动,图９展示了当U s l ＝３m /s ㊁U s g ＝１．３４m /s 时,相同工况下段塞流通过刚性和柔性管道时液塞长度的变化．如图９(a )所示,刚性管道内的液塞平均长度约为４D ,由于液塞在向前运动时其头部会吸收管壁上的液膜,其长度迅速增长至４．６D ,液塞增长率为１５％．图９(b )中相同长度的液塞受到管道振动的影响,其长度最终稳定在４．２D ,液塞增长率仅为５％．这是由于管道的振动变形会使管内的液膜分散,影响液塞前端对液膜的吸收,同时剧烈的振动使液塞尾部不稳定性增强,促使液塞尾部的液体脱落,从而使液塞长度减小．与液塞长度变化相反,柔性管道的变形振动促进了短气塞的相互融合,增加气塞长度．图９㊀固定和振动情况下管内段塞流流型的对比F i g ．９㊀C o m p a r i s o no f s l u g f l o wi n f i x e da n do s c i l l a t i o n p i pe 图１０㊀振动对管内段塞流流动的影响F i g．１０㊀T h e e f f e c t o f o s c i l l a t i o no n t h e f l o w c h a r a c t e r i s t i c s o f s l u g fl o w 图１０(a )进一步分析了U s l ＝３m /s 时,液塞长度随气相表观流速的变化规律并对比了相同工况下管道振动对液塞长度的影响．由图５(a)和图９(a)可知,在段塞流的作用下,柔性管道的振动幅值随气相表观流速的增加而增大,管道的剧烈振动对液膜吸收和液体脱落的影响效果增强,柔性和刚性管道内液塞平均长度差值随气体表观流速的增加而增大．图９(b )展示了不同气相表观流速下管道振动对液塞频率的影响．如图９(b )所示,柔性管道内段塞流的液塞频率高于刚性管道,这与柔性管道中的液塞长度比液塞运动速度减小更明显有关．柔性管道的向下弯曲变形导致管道轴向长度伸长,因此当液塞进入柔性管道后流动速度减缓,而两相流平均流速高达４．３４m /s ,远高于管道变形速率,因此液塞运动速度与刚性管道内差异较小．综上,柔６３Copyright ©博看网. All Rights Reserved.第６期宿恒等:大变形柔性管道两相流流致振动研究性管道的振动主要通过改变液塞长度进而影响其流动频率．对不同气相表观流速下刚性和柔性管道内的压差信号分别进行多尺度熵分析以反映其流动特性变化[２７],计算过程中容限r 取序列标准差的１５％,维数m 取２,最大粗粒化尺度为１５,压差数据长度为９０００点．图１１展示了U s l ＝３m /s 时,气相表观流速U s g 分别为１．７７m /s 和２．２１m /s 两种工况下管内气液两相流动压差多尺度熵的变化,从压差波动上可以看出,管道的振动使压差时程曲线的微小脉动增加,且压差均值减小,这与管道振动使管内液塞长度和流动速度减小有关．同时发现U s g ＝１．７７m /s 时前５个尺度的熵值变化不大,第５个尺度后,振动管道内的压差多尺度熵大于固定管道中的压差多尺度熵,说明虽然管内的流型未发生变化,但振动增加了管内流动的复杂性．当U s g ＝２．２１m /s 时,振动情况下的压差多尺度熵大于固定情况的多尺度熵,这与管内流型由段塞流转变为段塞Ｇ环状流有关．图１１㊀刚性和柔性管道内段塞流压差多尺度熵F i g ．１１㊀M u l t i －s c a l e e n t r o p y s l u g f l o wi n r i gi d p i p e a n do s c i l l a t i o n p i pe ４㊀结论本文建立了两相流作用下的柔性管道大变形流固耦合模型,研究了不同气相表观流速下段塞流诱导的柔性管道大变形流致振动响应特性,分析了柔性管道的振动模态切换特性及管道的大变形振动对两相流流动特性的影响,研究结果表明:气塞和液塞的交替运动及其轴向分布的不对称性导致柔性管道的振动由１阶模态为主导且随时间在一阶振动模态和二阶振动模态之间相互切换;模态的切换与管内的液塞长度以及气塞和液塞在管内的分布有关,较长的液塞或气塞集中分布在管道中部时易使管道产生一阶模态振动．柔性管道的变形和振动在一定程度上影响了管内两相流的流动．管道的振动变形主要影响液塞和气塞的长度,对液塞的运动速度影响可以忽略．特别是管道的弯曲变形导致液塞尾部液体脱落以及短气塞之间的融合,导致液塞长度进一步减小,进而导致其流动速度减小,流动频率增大,最终影响两相流流型转变的界限(段塞流㊁与环状流之间)．参考文献[１]C H E N G L X ,R I B A T S K IG ,T HOM EJR．T w o Ｇp h a s e f l o w p a t t e r n sa n df l o w Ｇp a t t e r n m a p s :f u n d a Ｇm e n t a l sa n d a p p l i c a t i o n s [J ]．A p pl i e d M e c h a n i c s R e v i e w s ,２００８,６１(５):０５０８０２．[２]席红敏,张伟,姚明辉．变流速输液管的周期和混沌振动[J ]．动力学与控制学报,２００８,６(３):２４３－２４８．X IH M ,Z HA N G W ,Y A O M H．P e r i o d i c a n d c h a Ｇo t i c v i b r a t i o n o f a n i n f u s i o n t u b ew i t h v a r i a b l e v e l o c Ｇi t y [J ]．J o u r n a lo fD y n a m i c sa n dC o n t r o l ,２００８,６(３):２４３－２４８．(i nC h i n e s e)[３]J A E G E RJ ,S A N T O SC M ,R O S AL M ,e t a l ．E x Ｇp e r i m e n t a la n d n u m e r i c a le v a l u a t i o no fs l u gsi na v e r t i c a l a i r Ｇw a t e r f l o w [J ]．I n t e r n a t i o n a l J o u r n a lo fM u l t i ph a s eF l o w ,２０１８,１０１:１５２－１６６．[４]D A U D EF ,G A L O NPA ．F i n i t e ＧV o l u m e a p p r o a c h f o r c o m p r e s s i b l es i n g l e Ｇa n dt w o Ｇph a s ef l o w si nf l e x i b l e p i pe l i n e sw i t hf l u i d Ｇs t r u c t u r e i n t e r a c t i o n [J ]．J o u r n a l o f C o m p u t a t i o n a l P h y s i c s ,２０１８,３６２:３７５－４０８．[５]O R I T Z ＧV I D A L L E ,MU R E I T H I N W ,R O ＧD R I G U E Z O M H．V i b r a t i o nr e s p o n s eo fa p i pe s u b j e c t e dt ot w o Ｇp h a s ef l o w :A n a l yt i c a lf o r m u l a Ｇt i o n s a n de x p e r i m e n t s [J ]．N u c l e a rE n g i n e e r i n g a n d D e s i gn ,２０１７,３１３:２１４－２２４．[６]T A Y B L ,T HO R P E R B ．H y d r o d yn a m i cf o r c e s a c t i n g o n p i p eb e n d si n g a s Ｇl i q u i ds l u g f l o w [J ]．C h e m i c a lE n g i n e e r i n g R e s e a r c ha n d D e s i g n ,２０１４,９２(５):８１２－８２５．[７]G I R A U D E A U M ,MU R E I T H I N W ,P E T T I ＧG R E W MJ ．T w o Ｇp h a s e f l o w Ｇi n d u c e d f o r c e s o n p i pＧi n g i nv e r t i c a l u p w a r d f l o w :E x c i t a t i o n m e c h a n i s m s a n d c o r r e l a t i o nm o d e l s [J ]．J o u r n a l o f P r e s s u r eV e s Ｇs e lT e c h n o l o g y,２０１３,１３５(３):０３０９０７．[８]R I V E R I NJL ,P E T T I G R E W MJ ．V i b r a t i o nE x c i Ｇt a t i o nF o r c e sD u e t oT w o ＧP h a s eF l o w i nP i p i n g E l e Ｇm e n t s [J ]．J o u r n a l o fP r e s s u r eV e s s e lT e c h n o l o g y,２００７,１２９(１):７－１３．[９]WA N GL ,Y A N G Y ,L I U C ,e t a l ．N u m e r i c a l i n Ｇ７３Copyright ©博看网. All Rights Reserved.第２１卷第６期２０２３年６月动力学与控制学报J O U R N A L O FD Y N AM I C SA N DC O N T R O LV o l．２１N o．６J u n．２０２３v e s t i g a t i o no fd y n a m i cr e s p o n s eo fa p i p e l i n eＧr i s e rs y s t e mc a u s e db y s e v e r e s l u g g i n g f l o w[J]．I n t e r n aＧt i o n a l J o u r n a l o f P r e s s u r eV e s s e l s a n dP i p i n g,２０１８,１５９:１５－２７．[１０]Z HU HJ,G A O Y,Z HA O H L．E x p e r i m e n t a l i nＧv e s t i g a t i o no f s l u g f l o wＧi n d u c e dv i b r a t i o no f a f l e x iＧb l e r i s e r[J]．Oc e a nE n g i n e e r i n g,２０１９,１８９:１０６３７０．[１１]A LＧHA S H I MYZI,A LＧK A Y I E M H H,T I M E R W．E x p e r i m e n t a l i n v e s t i g a t i o no nt h ev i b r a t i o ni nＧd u ce db y s l u gf l o wi nh o r i z o n t a l p i p e[J]．J o u r n a l o fE n g i n e e r i n g a n d A p p l i e d S c i e n c e s,２０１６,１１(２０):１２１３４－１２１３９．[１２]MAB,S R I N I L N．D y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c so f d e e pＧw a t e r r i s e r sc a r r y i n g m u l t i p h a s ef l o w s．３７t hI n t e rＧn a t i o n a lC o n f e r e n c eo n O c e a n,O f f s h o r e&A r c t i cE n g i n e e r i n g,M a d r i d,２０１８－０６－１７－２２．[１３]MA B,S R I N I L N．P l a n a rd y n a m i c s o fi n c l i n e dc u r v e df l e x i b l er i s e rc a r r y i n g s l u g l i q u i dＧg a sf l o w s[J]．J o u r n a lo fF l u i d sa n d S t r u c t u r e s,２０２０,９４:１０２９１１．[１４]J I N G,Y A NC,S U NL,e t a l．R e s e a r c h o n f r i c t i o nＧa l r e s i s t a n c eo fb u b b l y f l o wi nr o l l i n g r ec t a n g u l a rd u c t s[J]．N u c le a rE n g i n e e r i n g a n d D e s i g n,２０１４,２７８:１０８－１１６．[１５]栾锋,阎昌琪,曹夏昕．摇摆对竖直管内气Ｇ水两相流流型的影响分析[J]．工程热物理学报,２００７(z１):２１７－２２０．L U A NF,Y A N QC,C A O XX．R e s e a r c h f o r r o l lＧi n g e f f e c t su p o nf l o w p a t t e r no fu p w a r d g a sＧw a t e rf l o wi nv e r t i c a lt u b e s[J]．J o u r n a lo fE ng i n e e r i n gT h e r m o p h y s i c s,２００７(z１):２１７－２２０．(i nC h i n e s e) 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d f o r c a p t u r i n g s h a r pf l u i di n t e r f a c e so na r b i t r a r y m e s h e s[J]．J o u r n a lo fC o m p u t a t i o n a l P h y s i c s,１９９９,１５３(１):２６－５０．[２３]S U H,Q U Y G,WA N G G X,e ta l．T w oＧp h a s ef l o wＧi n d u c e dv i b r a t i o n so f p i p i ng s t r u c t u r ew i t he lＧb o w[J]．A p p l i e d M a t h e m a t ic s a nd Me c h a n i c s,２０２２,４３:１６５７－１６７４．[２４]J A V I D S M,P A S S A N D I D E HＧF A R D M,F A E Z IＧA N A,e t a l．S l u g a n db u b b l e f l o w s i na f l a t s h e e tu l t r a f i l t r a t i o n m o d u l e:E x p e r i m e n t sa n d n u m e r i c a ls i m u l a t i o n[J]．I n t e r n a t i o n a l J o u r n a lo f M u l t i p h a s eF l o w,２０１７,９１:３９－５０．[２５]J O S H IV,J A I MA N R K,O L L I V I E RＧG O O C H C．Av a r i a t i o n a l f l e x i b l em u l t i b o d y f o r m u l a t i o n f o r p a rＧt i t i o n e df l u i dＧs t r u c t u r ei n t e r a c t i o n:A p p l i c a t i o nt ob a tＧi n s p i r e dd r o n e sa n du n m a n n e da i rＧv e h ic l e s[J]．C o m p u t e r s a n d M a t h e m a t i c s w i t h A p p l i c a t i o n,２０２０,８０(１２):２７０７－２７３７．[２６]V A N I L L A T T,B E N O I T A,B E N O I T P．H y d r oＧe l a s t i c r e s p o n s e of c o m p o s i t e h y d r o f o i l w i t hF S I[J]．O c e a nE n g i n e e r i n g,２０２１,２２１(３):１０８２３０．[２７]C O S T A M,G O L D B E R G E R A L,P E N G C K．M u l t i s c a l ee n t r o p y a n a l y s i so fc o m p l e x p h y s i o l o g i ct i m e s e r i e s[J]．P h y s i c a lR e v i e w L e t t e r s,２００７,８９(６):７０５－７０８．Copyright©博看网. 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《2024年水平管内气液两相流流型数值模拟与实验研究》范文
《水平管内气液两相流流型数值模拟与实验研究》篇一一、引言随着能源、化工等领域的不断发展，水平管内气液两相流的研究变得日益重要。
流型的研究对于了解气液两相流的传输特性，预测设备运行状况以及优化过程控制具有重要的实际意义。
本文针对水平管内气液两相流流型进行数值模拟与实验研究，为实际工业应用提供理论支持。
二、文献综述气液两相流的研究历史悠久，学者们通过实验和理论分析，对各种流型进行了深入的研究。
在水平管内，气液两相流的流型主要包括泡状流、弹状流、环状流等。
这些流型的特性对管道的传输效率、压力损失以及设备运行稳定性具有重要影响。
近年来，随着计算流体动力学（CFD）技术的发展，数值模拟在气液两相流研究中的应用越来越广泛。
三、研究内容（一）数值模拟本文采用CFD技术对水平管内气液两相流的流型进行数值模拟。
首先建立物理模型和数学模型，确定求解方法和边界条件。
然后，通过数值计算得到不同流型下的速度场、压力场等物理量分布。
最后，对模拟结果进行验证和分析，为实验研究提供理论支持。
（二）实验研究实验研究是本文的重点部分，主要包括实验装置、实验方法、数据处理和结果分析。
实验装置包括水平管、气源、液源、测量仪器等。
实验方法采用可视化观察和物理量测量相结合的方式，对不同流型下的气液两相流进行观测和记录。
数据处理主要包括数据采集、整理、分析和图表制作等步骤。
最后，对实验结果进行分析和讨论，为数值模拟提供验证依据。
四、结果与讨论（一）数值模拟结果数值模拟结果表明，水平管内气液两相流的流型与气流速度、液流速度、管道直径等参数密切相关。
在不同参数下，流型表现出不同的特性，如泡状流的分散性、弹状流的周期性以及环状流的连续性等。
这些结果为后续的实验研究提供了理论支持。
（二）实验研究结果实验研究结果表明，不同流型下的气液两相流具有不同的传输特性和传输效率。
例如，在泡状流中，气泡的分散性较好，有利于提高传输效率；而在环状流中，液膜的连续性较好，有利于降低管道的摩擦阻力。
水平管内气液两相流流型数值模拟与实验研究
水平管内气液两相流流型数值模拟与实验研究水平管内气液两相流流型数值模拟与实验研究一、引言随着工业技术的发展，气液两相流在许多工业领域中都有着广泛的应用。
对气液两相流的流型进行研究可以帮助我们了解气液两相流在不同工况下的行为规律，并为工业生产提供参考依据。
本文通过数值模拟和实验研究的方法，对水平管内气液两相流的流型进行探究，旨在揭示其内在机理并提供实际应用上的指导。
二、气液两相流流型气液两相流的流型可以根据界面形态、相对速度和尺度等不同特征进行分类。
在水平管内，常见的气液两相流流型包括气泡流、毛细液膜流、层流、湍流等。
1. 气泡流气泡流是指气泡连续相沿管道轴向方向流动的流型。
气泡流的流动规律复杂，气泡的生成、增长、移动和破裂等现象会对系统产生重要影响。
2. 毛细液膜流毛细液膜流是指液滴连续相沿管道轴向方向流动的流型。
毛细液膜流具有较高的液滴保持率和较低的液滴速度，可应用于化工领域中逆流萃取、反应器和蒸馏器等设备的设计。
3. 层流层流是指气液两相在管内形成整齐分层的流动方式。
层流具有较低的气液摩擦，较小的波动和均匀的分布特点，适用于气体和液体之间传质和反应等过程。
4. 湍流湍流是指气液两相之间发生剧烈的随机运动，界面不规则、相对速度梯度大的流动现象。
湍流带来的剧烈的涡流运动能够增强传热、传质和混合效果，但同时也带来了较大的能耗和压降。
三、数值模拟方法1. 基本原理数值模拟方法一般采用基于流体动力学（CFD）的欧拉方法，通过对流体连续方程、动量方程和能量方程的离散，求解气液两相流的速度、压力和温度等物理量。
2. 模型设定通过建立水平管道的几何模型和气液两相流的初始条件，设定不同的流量、压力、温度等工况参数，以模拟实际工程中的不同场景。
3. 数值算法常见的数值算法包括有限体积法、有限元法和边界元法等。
通过基于时间和空间的离散化方法，将连续方程转化为离散方程，进而通过迭代求解得到数值解。
四、实验研究方法1. 实验设置通过在水平管内进行气液两相流实验，观察和记录不同流型的现象和特征，以定量分析其行为规律。
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第45卷 第7期2011年7月西 安 交 通 大 学 学 报JO URNA L OF XI ′AN JIAO TONG UN IVE RSITYVol .45 No .7Jul .2011收稿日期:2010-12-20. 作者简介:李乃良(1983-),男,博士生;郭烈锦(联系人),男,教授,博士生导师. 基金项目:国家科技重大专项资助项目(2008ZX05026-004-002);优秀国家重点实验室专项基金资助项目(50823002).网络出版时间:2011-05-03 网络出版地址:http :∥ww w .cnki .net /kcms /de tail /61.1069.T .20110503.1037.003.htmlS 型柔性立管内空气-水两相流流型特征的实验研究李乃良1,李文升1,郭烈锦1,崔嵘2,张西迎2(1.西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室,710049,西安;2.中海石油(中国)有限公司湛江分公司,524000,广东湛江)摘要:实验研究了S 型柔性立管内空气-水两相流流型特征.实验环路由长114m 的水平环道,16m 的-2°下倾管和高15.3m 、长24m 的S 型立管组成,环路内径为50mm .使用立管底部压力、立管出口持液率H L 及其概率密度函数(PDF )分布特征识别和区分流型.实验发现了典型严重段塞流、过渡型严重段塞流、稳定流动3类流型.典型严重段塞流下H L 曲线呈方波状,相应的PDF 分布呈H L 分别为0和1的双峰结构;过渡型严重段塞流下H L 曲线呈针刺状,其PDF 分布也为双峰结构,但H L 的低峰远高于H L 的高峰;稳定流动下的PDF 分布呈H L 为0.27左右的单峰状.分析表明,典型和过渡型严重段塞流分别与垂直上升管弹状流和块状流具有相似的PDF 分布特征,但彼此的流动形态却完全不同.关键词:S 型柔性立管;严重段塞流;流型;PDF 分布中图分类号:O359 文献标志码:A 文章编号:0253-987X (2011)07-0100-06Experimental Stu dy on Flow Patterns of Air -Water Two -PhaseFlow in S -Shaped Flexible RiserLI Nailiang 1,LI Wensheng 1,GUO Liejin 1,C UI Rong 2,ZH ANG Xiying 2(1.S tate Key Lab oratory of M ultiphase Flow in Pow er E ngineering ,Xi ′an Jiaotong University ,Xi ′an 710049,C hina ;OOC Ltd ,Zhanjiang ,Gu angdong 524000,C hina )A bstract :Air -w ater tw o -phase flow patterns in an S -shaped flexible riser w ere ex perimentally studied .The test loo p consisted of a ho rizontal pipeline 114m in leng th and 50m m in i .d .,a -2°dow nw ard inclined pipe 16m in leng th ,and an S -shaped riser 15.3m in vertical heig ht and 24m in leng th .The pressure at the bo ttom of the riser ,the riser outlet liquid holdup H L and the prob -ability density functio n (PDF )distributio n w ere adopted in the identificatio n o f the flo w patte rns .The experim ental results show that there we re three types of flow patterns in the flexible riser ,i .e .,ty pical severe slug ging ,transitio nal severe slugg ing ,and stable flow .For the typical severe slugging ,the square shape profile of H L exhibited a PDF distribution w ith tw o peaks at H L =0and H L =1,respectively ;the acicular shape profile of H L fo r transitional severe slugging also had a bim odal PDF distribution ,but the peak a t hig h H L w as much low er than that at low H L ;the PDF of H L for stable flow displayed a unimo dal distributio n w ith a single peak at H L =～0.27.In addition ,the analy sis show s that the PDF distributio ns fo r ty pical severe slugging and transition -al severe slug ging are similar to those for slug flo w and churn flow in an upw ard vertical pipe ,re -spectively ,but the flow behavio r is totally different fro m each o ther .Keywords :S -shaped flexible riser ;severe slugg ing ;flow patte rn ;PDF distribution 在海洋石油工业中,立管系统是用于将海底原油及伴生气混合物举升到海上平台的重要设备.由于海底管道一般是直接铺设在海床表面上的,会随地形有所起伏,当气液流速较低时,立管中会出现严重段塞流现象.严重段塞流是一种极为有害的流型,它不仅会引起管内压力及出口流量产生大幅波动,导致气液分离效率降低,加剧对下游设备的冲击,还会引起管道发生剧烈的振动,并加剧管内腐蚀.1973年,Yo cum[1]最早报道了严重段塞流现象,此后有很多学者[2-9]对其特性展开了深入的研究,但这些研究都是基于垂直立管系统的.Tin 等[10]最先报道了柔性立管严重段塞流特性,认为柔性立管严重段塞流的压力变化特征不同于垂直立管.然而,Mo ntgo mery等[11]以及M okha tab[12]的研究则指出,柔性立管与垂直立管中严重段塞流具有相似的特性,每个周期都可以划分为4个阶段:积液、排液、气液喷发和液体回落.可见,由于相关研究开展得不够充分,对柔性立管内的气液两相流流型,尤其是严重段塞流特性的认识还存在分歧.由于海洋平台尤其是深水海洋平台常采用S型柔性立管,对柔性立管内的流型特征进行深入的研究具有极为重要的意义.本文在大型集输-S型柔性立管实验环路上系统研究了柔性立管内空气-水两相流流型,细致分析了各种典型流型下的立管底部压力及出口持液率特征,以深入掌握柔性立管中各种流型的特征规律.1 实验系统实验是在西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室大型实验装置上完成的.该系统主要由油、气、水储存和供给装置,流量测量设备,实验段及气液和液液分离器组成(图1). 实验环路由长为114m的水平环道、16m的-2°下倾段,以及柔性立管组成,环路内径均为50 m m.柔性立管的结构呈缓S型,总长24m,垂直高度为15.3m,其中第1段立管高6.9m,第2段立管高13.1m,具体结构见图2.水平和下倾管道均用不锈钢管制成,柔性立管材料采用透明软管,以便可视化观察.在立管出口处安装了一个γ射线密度计,用于持液率H L的测量.管内压力由瑞士Kelle r公司生产的PAA23绝对压力传感器(精度0.1级)测量.所有实验数据均由美国N I公司的PCI-6255高速数据采集板采集,采样频率为200H z.实验工质为气液两相,分别采用空气和自来水,油相的供给和测量装置在本实验中未使用.水由离心水泵提供,其流量由电磁流量计计量;空气由螺杆压缩机提供,经稳压罐稳定后,由孔板流量计计量.气液两相经混合器混合后进入实验段进行测试,在出口处经气液分离器分离后,气相被排空,液相流回水箱循环利用.2 数据处理方法对立管内流型进行分类的直观依据是立管底部下壁面静压力及立管出口持液率的变化特征.为便于数据处理和分析起见,将γ射线密度计采集的信号按照下式作标准化处理H L=ρ-ρGρL-ρG(1) 处理后的H L在0～1之间变化,H L为0代表全气相,H L为1代表全液相.管内持液率的概率密度函数(PDF)是表征流型的重要手段[13],本文将持液率的PDF分布作为流1:离心泵;2:齿轮油泵;3:压缩机;4:电磁流量计;5:质量流量计;6:稳压罐;7:涡街流量计;8:孔板流量计;9:气液混合器;10:压力传感器;11:射线密度计;12:电动球阀;13:气液分离器;14:油水分离器图1 实验系统示意图101 第7期 李乃良,等:S型柔性立管内空气-水两相流流型特征的实验研究图2 柔性立管实验段型分类的另一个重要依据.PDF描述了离散随机信号的概率,如果在区间[x-gΔx/2,x+Δx/2]内H L的总数为n,则立管出口H L的概率密度函数f PDF,HL可按下式计算f PDF,HL(x)=limΔx※01ΔxnN(2)3 结果分析实验表明,S型柔性立管中出现的流型可划分为3大类,即典型严重段塞流、过渡型严重段塞流、稳定流动.对3类流型各自的特征描述如下.3.1 典型严重段塞流Po ts等[3]指出,发生严重段塞流的必要条件之一是上升管内液体积聚造成的压力上升速度大于集输管路中因上游输入气体造成的压力上升速度.典型严重段塞流发生在气液流量较小的范围内,这是一种周期性非常强烈的流型,其周期由4个阶段组成,即液塞生长、液塞排出、气体进入立管、液体回落.在液塞生长阶段,由于立管底部被回流液体堵塞,入口来流液体会使立管内的液位高度不断增加,立管底部压力随之持续升高(图3),与此同时,封闭在下倾管内的气体的压力也在持续升高.图3 典型严重段塞流下两段立管的底部压力 当液塞头部到达立管顶部时,便进入液塞排出阶段,由于此时立管内的液位高度不再变化,立管底部压力维持其最大值不变,而下倾管内的封闭气体的压力仍然在不断升高.当下倾管内封闭气体的压力足够高时,气体便会进入立管.与垂直立管不同的是,S型柔性立管中气体是分两次先后进入第1段立管的.首先,小气泡的进入会导致第1段上升管底部压力先降低后回升,气塞在第1段立管内向上运动,进入到S型立管的下降段,使其内压力升高,由于气泡未进入第2段上升管,其底部压力不会变化;随后,大股气塞从第1段立管底部进入立管,将立管内的液塞快速推出,导致立管底部压力急剧降低,整个过程历时极短.随着能量的不断释放,当气体能量不足以维持立管内液塞时,在重力的作用下,液体回落并积聚在立管底部,典型严重段塞流进入下一个周期.在积液阶段和液体回落阶段均无液塞排出,而液体主要在排液阶段排出,因此H L曲线呈方波状(图4),其相应的PDF分布呈H L分别为0的1和双峰结构(图5).图4 典型严重段塞流下立管出口持液率特征图5 典型严重段塞流下立管出口持液率的P DF分布 值得注意的是,大量关于垂直上升管气液两相流型的研究表明[13],弹状流流型下管内持液率的102西 安 交 通 大 学 学 报 第45卷 PDF分布亦呈双峰结构,然而其流动形态却与本文观察到的典型严重段塞流完全不同.3.2 过渡型严重段塞流增加气速会提高下倾管内封闭气体压力上升速度,当上升管内液体积聚造成的压力上升速度小于集输管路中因上游输入气体造成的压力上升速度时,典型严重段塞流消失,过渡型严重段塞流形成.过渡型严重段塞流也具有非常明显的周期性特征,但与典型严重段塞流不同的是,其周期主要由积液阶段、气体进入上升管阶段和气液喷发阶段组成,而没有稳定的排液阶段,如图6所示.由于入口气体流量较大,下倾管内封闭气体的压力快速升高,以致于在液塞头部尚未生长到立管顶部时,下倾管内的气塞便进入立管,并推动其内的液塞迅速涌出立管.图6 过渡型严重段塞流下两段立管的底部压力 由于没有稳定的排液阶段,在这种流型下,立管底部压力和出口持液率均无高平台,H L曲线呈向上的尖刺状(图7).图7 过渡型严重段塞流下立管出口持液率特征 垂直上升管气液两相块状流的PDF分布呈以低持液率和高持液率为特征的双峰状[13],本文研究表明,S型柔性立管中过渡型严重段塞流下出口持液率的PDF分布特征与其相似,呈H L分别为0和1的双峰结构,且H L为1的峰比H L为0的峰低很多(图8).然而,上述两种流型的流动形态却完全不同.图8 过渡型严重段塞流下立管出口持液率的PDF分布3.3 稳定流动继续增加气体或液体流速,下倾管内的分层流消失,取而代之的是间歇流,气体可以较为连续地进入立管底部,这不利于立管内积液现象的发生,过渡型严重段塞流随之消失.流型转变后立管底部的平均压力较低,压力波动幅度很小(图9),立管出口下游分离器和存储器等设备具有足够的处理能力,因此将这种流型称为稳定流动.图9 稳定流动下两段立管的底部压力 由于管内气液混合程度高,H L在某一值上下频繁波动,但波动幅度很小(图10),相应的PDF分布呈以该值(约为0.27)为峰的单峰结构(图11).图10 稳定流动下立管出口持液率特征3.4 流型图基于上述流型分类,得出下倾管倾斜角度为-2°时,S型柔性立管内空气-水两相流型图,如图12所示,该图显示了3类流型的大致范围,典型严103 第7期 李乃良,等:S型柔性立管内空气-水两相流流型特征的实验研究图11 稳定流动下立管出口持液率的PDF分布重段塞流发生在气相表观速度(V SG)和液相表观速度(V SL)较小的区域,随着流速的增大,管内流型依次逐渐向过渡型严重段塞流和稳定流动转变.根据严重段塞流形成的条件[3],可得严重段塞流与其他流型的转换边界ΠSS=W G R T/MW L L Pαg=1(3)式中:W G和W L分别为管道入口气、液质量流量, kg/s;L P为管道长度,m;α为管内平均含气率.图12 S型柔性立管流型图(-2°下倾管,空气-水) 下倾管内出现分层流是发生严重段塞流的必要条件,其边界可根据Taitel&Dukler[14]模型计算.由图12可见,严重段塞流在气液流速较小的范围内发生,Pots判据可以较好地预测本文的严重段塞流区域.4 结 论在集输-S型柔性立管大型油气水多相流实验装置上实验研究了下倾管倾斜角度为-2°时,立管内的空气-水两相流流型特征,得出以下结论.(1)尽管S型柔性立管中的典型严重段塞流和垂直上升管气液两相弹状流之间,以及S型柔性立管中的过渡型严重段塞流和垂直上升管气液两相块状流之间具有相似的持液率PDF分布特征,但其流动形态和流动特征却完全不同,可见S型柔性立管中的流型具有独特的特性,垂直上升管气液两相流的持液率PDF分布特征不适用于S型柔性立管中的流型.(2)由于S型柔性立管和垂直立管严重段塞流的起塞机理相似,因此采用Pots模型可较好地预测S型柔性立管严重段塞流边界.参考文献:[1] YO CU M B T.Off sho re riser slug flow av oidance,mathema tical model fo r desig n and optimizatio n[C]∥SPE Euro pean M eeting.L ittleton,Co lo rado,US A:Ame rican Institute o f M ining,M etallurg ical,and Pe-troleum Engineer s,1973:1-16.[2] SCH M ID T Z,BRIL L J P,BEGG S H D.Experime n-ta l study of severe slug ging in a tw o-phase flo w pipe-line-rise r sy stem[J].SPE Jo urnal,1980,20(5):407-414.[3] PO T S B,BROM I LO W I,K ON IJN M.Sev ere slugflo w in offshore flow line/riser sy stem s[J].SPE P ro-duction Eng ineering,1987,2(4):319-324.[4] T A IT EL Y.Stability of seve re slugg ing[J].Inter na-tional Jo urnal o f M ultiphase Flow,1986,12(2):203-217.[5] T A IT EL Y,V IERK A ND T S,SHO H AM O,et 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李乃良,等:S型柔性立管内空气-水两相流流型特征的实验研究。