低含液管道内气液两相流动特性的数值研究

2019年第19卷第1期安全数值模拟专栏低含液管道内气液两相流动特性的数值研（$管孝瑞(中国石化青岛安全工程研究院化学品安全控制国家重点实验室，山东青岛266071 )摘要：基于管内气液两相流动理论，建立了 低含液管道两相流动数学模型，对管路内气相流 场、液滴空间分布进行了研究。

结果表明：运用边 界层网格与增强壁面函数相结合的方法，能够很 好地模拟近壁处流场；水平管内液滴群主要集中 在中下部区域；弯头内离心力促使液滴群向外侧 运动；受上游弯头的影响，登直管内存在一对滿 核，沿流动方向，竖直管右侧液滴群浓度逐渐下 降，液滴群分布范围变大，有向左侧运动的行为。

关键词低含液率气液两相流气相流场液滴分布数值模拟0 前言在天 田中，湿 输工艺被广泛采用，当管道沿程温度、压力发生变化时，饱和水 发生相变生成凝析水，管内进而形成相 [14]。

相 特性的 对于管线工艺安全、腐蚀防护等具有重要作用[4-5]。

气相 中的液滴对于管线压降和率影响很大[]。

液相分布、剪切力分布等可以用于预测不 同部位的冲刷风险[7]。

C FD数值模拟软件能够实 对多相 细节的析[8_16]。

潘晓慧等[17]利用数值模 析了除尘器人口弯管内气固相。

郝雅洁等[18]利用数值模拟对折 除雾器内气液两相流运动进行了 ,同粒径液滴的捕集规律。

M ho等[19]“助数值模拟对 管道 内液滴沉积机制进行了详细 。

目前，对 管路内液滴群的 行为报道较少。

作者在前 中，利用修正的 ：德数和液相韦伯数两个无量纲准则数，依据相似 准则搭建了 管道[]， 借助Fluent 14.5 软件对 管道不同截面内气相 、液滴空间布进行了详细地分析。

1几何模型与网格划分1.1几何模型管道尺 图1所示，管径^为90 mm，包含个水平管、」个90弯头、一个竖直管。

其中上水平管长度为4 000 mm，弯头曲率 Rc 为120 mm，竖直管长度为630 mm，下水平管长度 为6 000 mm。

相 水平管进入，经上水 *收稿日期=2018-07-29作者简介：管孝瑞，博士，工程师，现就职于中国 石化安全工程研究院，研究方向为油气储运安全。

*基金项目：国家自然科学基金项目(51276200 )；国家重点研发计划(2016YFC0801500)。

SAFETY HEALTH & ENVIRONMENT图4100粒径/fim營路入口波滷粒径分布^4平管、上弯头、竖直管、下弯头，由下水平管流出。

坐点管道入口，重力沿Y 轴负。

水平管长径比为67，能够保证管路内两相充分发展，出口采用自（outflow )条件。

2.3.3壁面条件壁面采用增强壁面函数[21]来处理。

模拟最终 结果显示y + <5,如图5所示，满足增强壁面函数 使用要求。

2.4计算方法安全数值模拟专栏2019年第19卷第1期图1 教值模Z 中營路尺寸1.网格划分为了准确模拟近壁面处的流动情况，采用边 界层网格，第一层网格高度4为35 p m ，层间增长 因子为1.5,设置12层边界层网格，总厚度为 9.012 2 mm 。

管道横截面网格采用pave 生成，总 网格数为922 955。

管道横截面网格、 格和弯头格如图2和图3所示。

图3 穹具处的网格2计算模型2.1湍流模型度复杂的不规则、非线性流动 态。

RNG 模型[20]能好地模拟二次流，数值计算采用RNG ^ ^模型来模 。

2.2双流体模型多相流模型选用Eulerian 模型，该模型是Flu -e t 中最为复杂的多相流模型，能够对相流动进行精确的模拟。

2.3边界条件 2.3.1 入口条件采用速度入口条件，其它参数如表1所示。

含液率为4. 2x 10-4。

入口设置在上水平管进口 截面，气相为主相，液相为第二相。

相以液滴群形式进入管道，粒径分布与实验管路中人口液滴相一致[2]，如图4所示，比表面积平均粒径心2为109. 785 p m ，最小粒径为37. 028图2 營道横截面网格表1p m ，最大粒径为191.203 pm 。

教值模z 讨算参教p/pPusl /^g/ ^l /R es gR eda/(m • s _1)(k g .m -3) (k g .m -3) ( m • s _1 )(k • (m • s ) -) (k • (m • s ) -S(N • m _1)16.68 1.225 1 008 0.006 991.86 x 10- 8. 6 x 10- 98 869 7370. 071 92.3.2 出口条件重力方向161421086 4 2oooo8 6 4 20/°;釤农誔拄44眯SAFETY HEALTH &ENVIRONMENT2019年第19卷第1期管孝瑞.低含液管道内气液两相流动特性的数值研究安全数值模拟专栏气相由弯头外侧流向弯头内侧。

图5 營道壁面y+值分布采用有限体积法对控制方程进行离散，应用Phase Coupled SIMPLE格式的压力速度耦合，并应用Q UICK格 体积分数，连续性方程、动量方程、湍动能方程、湍流耗散率方程采用 迎风格。

3模拟可靠性验证Nikumdse[22]通过总结大量的实验数据，得到 圆管断面流速分布曲线。

为粘性 、过、对数区[23]。

湍流内各区域速度分布分别对 应图6中实验曲线1、2、3。

水平管分析截面(Z= 3 150 mm)距离入口 3. 15 m(35倍管径），距离下 游弯头0.85 m(9.4倍管径），与入口的距离大于 2倍管径，满 充分发展 。

为对管道流场进行验证，取该截面 壁面到管中心的速分布与尼古拉兹流速分布进行对比，结果显 示，模拟值和 值拟合趋势一致，最大 为7. 15%。

卖验教据对比4结果与讨论4.1上弯头内气相流场弯头30°截面内气相流线如图7所示，图中头 为离心力 ，指向弯头 ，重力沿 的分量指向弯头内侧，通过比较可知离心力大于重力沿 的分量，因此合力方指向弯头 ，造成中 相由弯头内：向弯头 。

同相的 性，两侧壁处的图7 上穹具30。

截面”气相d V4.2上弯头后的竖直管内气相流场图8为上弯头后的竖直管7 =-290 m m截面 内气相 。

游弯头内存在二次流，气相进入竖直管后，二次流影响 在，竖直管横截面 在 对 。

图8 上穹具O的竖直營7=-290 m m截面”气相d场4.3下弯头内气相流场下弯头内不同截面处的气相流线如图9所 示，头为离心力 。

下弯头0°截面内气相 游竖直管相似，管道横截面内存在一对 。

在下弯头30。

截面，对 ，一对靠近壁面，一对靠近管道中心。

在下弯头内，离心 力 指 弯头 ，重力 沿 的量一致，随着弯头角度的增大，两者合力 增大，壁面处的 加强扩大，而靠近管道中心的压缩，在下弯头90°截面处，管道只 存在一对 ，原有的靠近管道中 。

4.4整体速度云图与流线图10为管道整体气相速度云图 布，从图中可以看出，在 弯头内 相速度较大，在弯头 相速度较小。

在上水平管气相沿轴 ，进 弯头后，转，竖直管内螺旋前进，，弯头反向运动的 定作用后，下水平管也呈现不规则、、特征。

4.5不同截面处的液滴平均体积分数分布图11为水平管Z= 3 150 m m截面处的液滴SAFETY HEALTH &ENVIRONMENT安全数值模拟专栏2019年第19卷第1期平均体积分数分布，受重力影响，水平管内液滴群中在管道中区域，且在靠近管道；区域具有度的液滴。

(C) 90。

固9 下穹典”气相d v固10 管道整体速皮云固与d V固11 水早管X =3 150 m m 液滷早均体积分教分q图12为上弯头不同截面处液滴平均体积分 数分布，液滴群进人弯头后，离心力促使液滴群向 弯头 ，与此同时，重力沿的分量阻 滴群向弯头。

随着弯头角度的增大，重力沿的分量小，与离心力的合力 增大，促使液滴群逐渐向弯头外侧运。

在上弯头30°截面处，液滴群离开弯头内侧， 进弯头60°截面时，液滴群到达弯头，在上弯头90°外侧壁面形成度的液滴群。

(c) 90°固12 上穹典不同截面处液滷早均体积分教分布图13为竖直管内液滴平均体积分数分布。

受上弯头影响，竖直管内液滴群 中在I(迎），与上弯头90°截面分布为一致。

但对比F =- 290 m m 与F = - 421 m m 截面，可以 发现，随着 弯头距离的增大，管内二次流的强度有弱，使得竖直管壁面液滴群浓度下，液滴群分布范围变大，有的行为。

图14为下弯头不同截面内液滴平均体积分数分布，在下弯头内，离心力与重力沿 量的 致，共同促使液滴群弯头I 运动。

受上游二次流的影响，在下弯头30°截面处，滴群 弯头内侧的区域，随着弯头度的增大，离心力与重力沿 的分量的合力增大，液滴群区，到达弯头90°时，在形成度的液滴群。

SAFETY HEALTH &ENVIRONMENT2019年第19卷第1期管孝瑞.低含液管道内气液两相流动特性的数值研究安全数值模拟专栏固13 |直管甴液滷早均体积分教分布固14 下穹典不同截面甴液滷早均体积分教分布 图15为下水平管不同截面内液滴平均体积 数分布。

液滴群 中在中下区域，且在管道 具有 度的液滴。

但对比X =5 000 m m和尤=8 000 m m截面，发现尤=8 000 m m截面内，管道底部液滴浓度变小，但液滴分布范围变大。

湍流促使液滴扩散，分布范围变广。

固15 下水早管甴液滷早均体积分教分布5结论a) 采用 格与增强壁面函数相结合的方法，很好地模拟了靠近壁面处的 。

b) 上弯头后的竖直管内存在一对 。

c) 水平管内液滴群 中在中 区域。

弯头内离心力促使液滴群向弯头 ，在弯头90°外侧形成 度的液滴群。

受上弯头的影响，竖直管内液滴群 中在 （迎 ），且沿 ,滴群浓度 ，液滴群分布范 大。

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