气液两相流管道振动特性研究
水平管气液两相段塞流的波动特性
第59卷 第11期 化 工 学 报 Vol 159 No 111 2008年11月 Journal of Chemical Industry and Engineering (China ) November 2008研究论文水平管气液两相段塞流的波动特性罗小明,何利民,吕宇玲(中国石油大学储运与建筑工程学院,山东青岛266555)摘要:气液两相段塞流是液塞和长气泡在空间和时间上的交替,在流动过程中表现出间歇性和不稳定性。
系统地研究了水平管中段塞流持液率、压力和压差的波动特性。
结果表明,段塞流持液率的概率密度分布为双峰分布,高持液率峰对应于液塞区,低持液率峰对应于液膜区;在压力的概率密度分布中,当压力测试点到管道出口之间的段塞单元数目少时,压力分布出现双峰分布;当压力测试点到管道出口之间的段塞单元数目多时,压力分布出现单峰分布;压差信号分布呈单峰分布。
这些特征为流型识别提供了可靠的段塞流标识。
关键词:多相流;段塞流;持液率;压力;压差中图分类号:O 35911 文献标识码:A 文章编号:0438-1157(2008)11-2781-06Fluct uation characteristics of gas 2liquid t wo 2p haseslug flow in horizontal pipelineL UO Xiaoming ,H E Limin ,L ΒYuling(De partment of S torage &T rans portation Engineering ,China Uni versit y of Pet roleum ,Qing dao 266555,S handong ,China )Abst ract :Slug flow was a flow of long bubbles and liquid slugs alternating in space and time ,and under flowing conditions ,it is intermittent and unstable 1The fluct uation characteristics of liquid holdup ,p ressure and differential p ressure of slug flow were investigated in a 40m long ,50mm I 1D 1horizontal pipeline 1By statistical analysis ,it was fo und t hat t he pro bability density dist ribution of t he liquid holdup was bimodal dist ribution 1The high liquid holdup peak was in correspondence wit h liquid holdup of t he slug body and t he low liquid holdup peak wit h liquid holdup of t he film 1The liquid holdup which was in correspondence wit h t he respective peaks of probability density f unction was consistent wit h t he mean liquid holdup of smoot h st ratified film and liquid slug 1Moreover ,t he dist ribution of p ressure was unimodal dist ribution or bimodal dist ribution ,depending on t he number of slug unit s ,and t he differential p ressure dist ribution was unimodal dist ribution 1These characteristics p rovide dependable slug identities for flow pattern identificatio n.Key words :multip hase flow ;slug flow ;liquid holdup ;p ressure ;differential p ressure 2008-05-20收到初稿,2008-07-27收到修改稿。
第一章 气(汽)液两相流动的不稳定性
• “流动不稳定性”是指恒振幅或变振幅的流
动振荡，广义地说，还包含零频率的流量 漂移。沸腾流道因含气率变化，常常因浮 力或者流体容积发生变化，导致两相流道 振荡。这类振荡与机械系统中的振动相似， 质量流速、压降和空泡（气泡）相似于机 械系统中的质量、激发力和弹簧。
• 按此比拟可知，流量与压降之间的关系，
c. 热力振荡
热力振荡是指流动膜态沸腾工况下，当流体 受到扰动时，壁面蒸汽膜的传热性能发生变化， 使壁面温度发生周期性变化。低温制冷系统受到 快速加热时的膜态沸腾可能发生这种热力振荡， 加热壁有可能交替处于过渡沸腾和膜态沸腾工况， 壁面温度发生大幅度振荡。受恒加热热流的沸腾 流道工作在膜态沸腾工况下，传热性能差，壁温 降低。热力振荡循环必然伴有密度波振荡，但密 度波振荡不一定会引起这种产生大幅度壁面温度 变化的热力振荡。
p p G |F G |d
上式，下标表示驱动压头特性，表示阻力特性。
b. 沸腾危机与不稳定性
某些研究者实验观察到沸腾流道内流体 发生沸腾危机的同时出现流动振荡，其机 理目前还不清楚。
c. 流型变迁不稳定性 通常，当流动处于泡状流和环状流之间的过渡区域
内时，会发生流型变迁不稳定性。处在泡-弹状流工况下 的流动，若汽泡量因流量随机减少而增多，会使流型转变 为环状流动。环状流的流动阻力较小，过剩的驱动压头会 使流量增大。随着流量增多，所产生的蒸汽量又不足以维 持环状流动，便又回复到泡-弹状流。阻力又增大，又使 流量减少，循环重新开始。流量增大（加速效应）和流量 减少（减速效应）可能会使振荡发生延迟。目前还不清楚 这种周期性的流型变迁是密度波振荡或压降振荡的起因还 是结果。也发现了其他流型间过渡不稳定性现象。由于目 前还无合适的确定流型过渡条件方法，因而也没有分析这 类不稳定性的适用模型和方法。
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。
气液两相流流型实验报告
气液两相流流型实验报告实验名称：气液两相流流型实验目的：1. 熟悉台架,掌握流量测量仪表的使用；2. 掌握常见两相流流型的划分方法及相关规律，观察水平管中不同流型的特点；3. 根据各工况点实验数据绘制两相流流型图，并与典型流型图做比较。
实验任务：实验测量数据：,,,.(1) 测取不同情况下气相，液相流量；记录P P t tw气减室(2) 判别流型要求：(1) 实验数据汇总表；(2) 绘制αβ-曲线(3) 根据实验数据用Weisman图判别流型实验原理1、水平管道中气液两相流流型的划分及各流型特征在水平管道中的气液两相流，由于重力影响使流型结构呈现不对称性，因而水平管中的流型特征变得较为复杂。
Oshinowo流型划分原理使流型变得相对简单，根据Oshinowo的划分原则，一般把水平管道中的流型划分为六种，泡状流、塞状流、层状流、波状流、弹状流、环状流。
（1）泡状流在泡状流中，气相是以分离的气泡散布在连续的液相内，气泡趋向于沿管道上半部流动，这种流型在含气率低时出现。
（2）塞状流在塞状流中，小气泡结合大气泡，如栓塞状，分布在连续的液相内，大气泡也是趋向于沿管道上部流动，并且在大气泡之间还存在一些小气泡。
（3）层状流在层状流中，两个相的波动被一层较光滑的分界面隔开，由于重力和密度不同，气相在上部液相在下部分开流动。
层状流只有在气相和液相的速度都很低时才出现。
（4）波状流当气流速度增大时，在气、液分界面上掀起了扰动的波浪，分界面由于受到沿流动方向的波浪作用而变得波动不止。
（5）弹状流当气体流速更高时，分界面处的波浪被激起与管道上部管壁接触，并形成以高速沿管道向前推进的弹状块。
（6）环状流当气体流速进一步增高时，就形成气核和环绕管周的一层液膜，液膜不一定连续均匀的环绕整个管周，管子的下部液膜较厚，在气芯中也夹带有液滴。
图1水平不加热管中的流动型式表1水平绝热管中的流型变化增加液相流量增加气相流量ST+R ST+R ST+IW S PB ST+RW ST+IW S BTS+A PF ST+RW+D ST+LRW+D ST+BTS A+RW F+D ST+RW+D ST+LRW+D A+DA+D F+D F+DD A+RW A+RWA+D A+DA表示环状流（annular）；B表示气泡（bubble）；BTS表示中空气弹（blow through slug）；D表示液滴（droplet）；F表示液膜（film）；IW表示平缓波（inertial wave）；LRW表示大翻卷波（large roll wave）；PB表示气栓加气泡（plug＆bubble）；PF 表示气栓加泡沫（plug＆froth）；R表示涟漪波（ripple）；RW表示翻卷波（roll wave）；S表示气弹（slug）；ST表示层状流（stratified）。
起伏管路中气液两相流弹状流特征参数测量方法研究
起伏管路中气液两相流弹状流特征参数测量方法研究1. 引言1.1 背景介绍起伏管路是一种常见的管道结构，其内部流体呈现出起伏不定的特性。
在起伏管路中，经常会出现气液两相流现象，即气体和液体同时存在并相互作用。
气液两相流在工程领域具有重要的应用价值，例如在石油化工、能源等领域都有广泛的应用。
气液两相流中的弹状流是一种特殊的流态，其具有颗粒状的特征，容易造成管道的堵塞和磨损。
研究起伏管路中气液两相流弹状流的特征参数测量方法具有重要的理论意义和实际应用价值。
在当前的研究中，虽然已经有一些关于气液两相流弹状流特征参数测量方法的研究，但仍然存在一些问题和挑战。
本文旨在通过对起伏管路中气液两相流弹状流特征参数测量方法的研究，不仅可以为工程实践提供参考，也可以为相关领域的研究提供新的思路和方法。
1.2 研究目的研究目的是为了探究起伏管路中气液两相流弹状流特征参数的测量方法，以期能够更准确地描述和分析这种复杂流动现象。
通过研究，我们希望能够深入了解气液两相流在起伏管路中的运动规律，揭示弹状流的形成机制，为工程实践中的管路设计与优化提供理论依据。
通过探讨弹状流参数测量方法，我们也希望能够为工程领域中对气液两相流弹状流特性进行精确预测和控制提供技术支持。
这将有助于提高工程系统的运行效率，减少能源消耗，降低系统故障率，并推动气液两相流领域的技术发展和创新。
研究目的旨在为提高气液两相流弹状流特征参数测量方法的准确性和可靠性，促进气液两相流研究的深入发展，为工程实践提供可靠的理论支持和技术指导。
1.3 研究意义本研究的意义在于深入探究起伏管路中气液两相流弹状流特征参数测量方法，为解决气液两相流弹状流问题提供可靠的数据支撑。
当前对起伏管路中气液两相流弹状流特性的研究仍存在不足，而弹状流在工业生产中占有重要地位，因此准确测量其特征参数对提高生产过程稳定性和效率具有重要意义。
本研究将通过设计合理的实验方案和采用先进的数据分析方法，对起伏管路中气液两相流弹状流的特性进行深入研究，从而为工程领域提供有益的参考和借鉴。
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) [１６]张金红,阎昌琪,方红宇,等．摇摆对水平管内气液两相流流型的影响[J]．核科学与工程,２００７,２７(３):２０６－２１２．Z HA N G J H,Y A N Q C,F A N G H Y,e ta l．E f f e c t so fr o l l i n g o n g a sＧw a t e rt w oＧp h a s ef l o w i nh o r i z o n t a l p i p e s[J]．C h i n e s e J o u r n a l o fN u c l e a r S c iＧe n c ea n d E n g i n e e r i n g,２００７,２７(３):２０６－２１２．(i nC h i n e s e)[１７]周云龙,赵盘,杨宁．振动状态下水平管内气液两相流流型转变的实验研究[J]．热能动力工程,２０１７,３２(６):１７－２２．Z HO U Y L,Z HA O P,Y A N G N．E x p e r i m e n t a ls t u d y o nf l o w p a t t e r nt r a n s i t i o no f g a sl i q u i dt w oＧp h a s e f l o w i nh o r i z o n t a l t u b e s u n d e r v i b r a t i o n c o n d iＧt i o n[J]．J o u r n a l o f E n g i n e e r i n g f o rT h e r m a l E n e r g ya n dP o w e r,２０１７,３２(６):１７－２２．(i nC h i n e s e)[１８]H I B I K IT,I S H I I M．E f f e c to f f l o wＧi n d u c e dv ib r aＧt i o no n l oc a l f l o w p a r a m e t e r s o f t w oＧp h a s e f l o w[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 g n,１９９８,１８５(２Ｇ３):１１３－１２５．[１９]肖秀,朱庆子,王冠轶,等．振动工况下环管内气液两相流参数分布实验研究[J]．原子能科学技术,２０１７,５１(１):１９－２６．X I A O X,Z HU Q Z,WA N G G Y,e ta l．E x p e r iＧm e n t i n v e s t i g a t i o n o n t w oＧp h a s e f l o w p a r a m e t e r d i sＧt r i b u t i o n i na n n u l a rc h a n n e lu n d e rv i b r a t i o nc o n d iＧt i o n[J]．A t o m i cE n e r g y S c i e n c ea n d T e c h n o l o g y,２０１７,５１(１):１９－２６．(i nC h i n e s e)[２０]周云龙,常赫．非线性振动下水平通道内气液两相流动研究[J]．原子能科学技术,２０１９,５３(６):１０１４－１０２０．Z HO U Y L,C HA N G H．S t u d y o n g a sＧl i q u i dt w oＧp h a s e f l o wi nh o r i z o n t a l c h a n n e l u n d e r n o n l i n e a r o sＧc i l l a t i o n[J]．A t o m i cE n e r g y S c i e n c ea n dT e c h n o l oＧg y,２０１９,５３(６):１０１４－１０２０．(i nC h i n e s e) [２１]H I R T C W,N I C HO L S B D．V o l u m e o ff l u i d (V O F)m e t h o d f o r t h ed y n a m i c so f f r e eb o u n d a r i e s[J]．J o u r n a lo f C o m p u t a t i o n a lP h y s i c s,１９８１,３９(１):２０１－２２５．[２２]U B B I N K O,I S S A RI．A m e t h o 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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集箱系统气液两相流分配特性的实验研究
集箱系统气液两相流分配特性的实验研究在空气-水实验台上，针对集箱中存在的气相和液相分配不均匀问题，进行了进一步深入的研究，并在设计的四种内套筒结构的试验段上进行了分配特性的比对。
由实验结果得知，试验段的气相和液相分配均匀性有了比较大的改善，而且随着入口条件的变化，分配依然良好。
标签：多并联分支管集箱内套筒径向引入分配特性0 引言现代工业中，径向引入多分并联支管水平分配集箱系统已经普遍应用在锅炉受热面及其它换热器和凝结器等设备中。
联箱的几何结构、进口质量流速对分支管集箱系统的流量分配有着密不可分的关系。
本文研究的是联箱总体结构不变时，通过改变内部套筒的几何结构来提高联箱各分支管的分配特性，并通过实验得到定量的数据及分析结果。
1 实验系统及实验参数1.1 实验系统实验系统如图1所示。
本实验的实验工质为空气和水。
数据测量系统、水路系统和气路系统组成本实验的试验系统。
1.2 实验段几何结构在先前對笛形管实验的基础上[1]，设计了四个几何结构不同的试验段进行实验。
分别将试验段编号为5#，6#，7#，8#。
5#是将3个小孔（每个5mm）开在内套筒径向和四根分支管对应的正下方，3个小孔成45°排列；6#将2个槽（每个2.4mm）开在内套筒上，其位置是在中间两根分支管的正下方延伸到端面，如图2（1）；7#在内套筒上开孔（9mm），一共四个，位置是分支管正下方向中心偏移15mm处；8#将孔开在4根分支管正下方以及左右两根分支管的中心，同时内套筒上也有1个7.4mm的开孔，一共6个，如图2（2）。
没有任何部件加装在1#联箱里，其结构是传统联箱；2#是将一个笛形管加在联箱内部，笛型孔的直径为9mm，3#试验段是在2#试验段基础上将笛型孔直径改为6mm，4#试验段是在2#试验段基础上将笛型孔两侧移动15mm。
1.3 实验参数本次实验参数范围如下：气相入口流量：0～15m3/h；液相入口质量流速：0～0.5m3/h；工作温度：15-30℃（常温）工作压力范围：0.11-0.15 MPa1.4 处理方法并联分支管中气相和水相的流比定义[2][3]如下所示，该定义为了更准确的分析气相和水相流量的偏差程度。
不同重力下90°弯管内气液两相流流型及流动特性研究
不同重力下90°弯管内气液两相流流型及流动特性研究引言
90°弯管内气液两相流以其复杂的流态及特殊的流动特性，受到了广泛的应用，由于其重力效应，90°弯管内的气液两相流极容易受到不同的对流作用和湍流作用的影响，因此，随着重力的改变，90°弯管内不同重力下气液两相流流动特性的变化既有理论意义，又具有重要的实际应用价值。
本文研究的目的是分析在不同重力条件下90°弯管内气液两相流的流动特性，重点探讨不同重力下气液两相流流型、划分及流速分布以及各类型流动特性，并提出可供参考的建议，以促进气液两相流工程分析。
90°弯管内气液两相流流动特性
在不同重力作用下，90°弯管内的气液两相流的流动特性取决于流体的性质和气泡的大小，重力的变化会导致气液两相流的结构发生变化，在低重力条件下，90°弯管内气液两相流中气泡会被带动而滑动流动，形成良好的混合作用，呈现出悬浮式流体表面中的涡流形成某种自然形态；然而，随着重力增加，90°弯管内气液两相流滑动流动性将受到影响，形成交叉结构，从而影响气液两相流的流动特性，由此可知，不同重力下90°弯管内的气液两相流的流动特性有明显的差异。
研究中，通过试验和数值模拟，在不同重力条件下进行了90°弯管内气液两相流的研究，得出了以下结论：
1）在低重力条件下，90°弯管内气液两相流构成主要是悬浮流，气液混合少，调整时间短；
2）随着重力的增加，气液两相流的特性也会发生明显变化，液体流速显著减小，气水混合尤为明显；
3）重力增大时，气液两相流会产生不同的运动模式，如气流的快速回旋、气液的折流现象、气液的自吸现象等，从而影响其稳定性。
结论。
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中国石油大学（华东）硕士学位论文气液两相流管道振动特性研究姓名：谢超申请学位级别：硕士专业：动力工程及工程热物理指导教师：郝点20100501摘要本文详细介绍了气液两相流特性参数和流型划分方法，从流体诱发管道振动的角度出发，针对气液两相流不同的流动参数，通过理论计算、数值求解和管道振动测试实验来分析研究气液两相流管道的振动特性。首先采用两端简支梁模型，建立气液两相流管道的自由振动运动方程，推导出管道结构的临界流速和固有频率的表达式，并编程计算管道结构物理参数和流体流动参数对管道振动固有特性的影响。其次运用大型有限元软件，计算了气液两相流典型管段的模态频率和振型，结果表明流体与管道的流固耦合作用对管道的模态振型基本没有影响，但会使管道的固有频率降低；并且计算了不同压力入口条件下管道的变形和应力值。对于水平弯管，轴向和水平方向上的变形要比垂直方向上的大，管道变形主要是由流体对管道的冲击作用引起；弯头拐弯越平缓，管道的变形和应力值越小，并且据此提出了一些两相流管道减振设计措施。最后，以空气和水为介质，进行了大量的管道振动测试实验，分析管内为单相气（不含液）和气液两相流（含液）时振动频谱信号的异同，发现在单相气中加入液相后，振动频谱频带范围明显变宽，振动能量值变大：研究了不同气液体积流量下水平管道和不同倾角的起伏管段的振动特点；并探讨不同流型下，振动频谱特征信号的区别，在流型判别方面作了些有益的探索。
关键词：气液两相流，管道，振动特性，测试实验ＲｅｓｅａｒｃｈｏｆＶｉｂｒａｔｉｏｎＣｈａｒａｃｔｅｌ．ｉｓｔｉｃｓｏｆＰｉｐｅｌｉｎｅ
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Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｇａｓ·ＬｉｑｕｉｄＴｗｏ—ＰｈａｓｅＦｌｏｗ，Ｐｉｐｅｌｉｎｅ，ＶｉｂｒａｔｉｏｎＣｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ，ＴｅｓｔＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔ１英文字母符号表主要符号表管路总流通截面积，ｍ２气相流通截面积，ｍ２液相流通截面积，ｍ２管道外径，ｍ管道内径，ｍ材料的弹性模量，ＧＰａ结构的固有频率，Ｈｚ中心主惯性矩，ｍ４体积弹性模量，ＧＰａ管道长度，ｍ气液两相混合物的体积流量，ｍ３／ｓ气相的体积流量，ｍ３／ｓ液相的体积流量，ｍ３／ｓ滑动比壁厚，ｍ气相速度，ｍ／ｓ液相速度，ｍ／ｓ气相折算速度，ｍ／ｓ液相折算速度，ｍ／ｓ气体等效临界流速，ｍ／ｓ
４４如见ｑＥ厂，七三９ＱＱｓ，％观‰％％２希腊字母表液体等效临界流速，ｒｒｄｓ气液两相混合物的质量流量，ｋ＃ｓ气相的质量流量，ｋ＃ｓ液相的质量流量，ｋ＃ｓ
截面含气率体积含气率泊松比阻尼比密度，ｋｇ／ｍ３圆频率，ｒａｄ／ｓ
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ｆ【关于学位论文的独创性声明
本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外，本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油大学（华东）或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对研究所做的任何贡献均己在论文中做出了明确的说明。若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。
学位论文作者签名：一塑童丝日期：加卜年占月３日
学位论文使用授权书本人完全同意中国石油大学（华东）有权使用本学位论文（包括但不限于其印刷版和电子版），使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门（机构）送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他复制手段保存学位论文。保密学位论文在解密后的使用授权同上。
学位论文作者签名：道查丝指导教师签名：—』窭鸯龃日期：劫卜年
日期：切向年６月乡日
‘月３日中国石油大学（华东）硕士学位论文１．１课题来源及研究意义第一章前言
１．１．１课题来源本课题来源于国家十一五重大科技专项高含硫气田集输工艺与安全控制技术——集输系统积液监测技术及规律研究。天然气从井口经计量后由集输管线输往气体处理站。在输送过程中，由于管壁和周围环境的换热，凝析液可能会析出。同时，随着开采的进行，气田将会出水，从而导致管线中产生积液，形成低持液率的两相流动。由于重力的作用，液体聚积在管线的低洼处，导致管线过流面积减小，输送效率下降，增加动力消耗，同时对管道会造成冲击和振动【１１。因此，有必要对管线积液进行监测，根据积液量采取合适的清管工艺。本国家专题目标之一是开发一套具有自主知识产权的非介入式振动测试法积液监测系统。为此，首先从气液两相流管道振动特性的研究入手。１．１．２课题研究意义气液两相流在石化厂、炼油厂和核反应堆等装置相关管系里的应用非常普遍。例如动力工程中锅炉蒸发管中的蒸汽／水两相流动，化工工业中物料输送管道和反应釜搅拌器中的气液两相流等。当气液两相流存在与外界的热交换时，流体吸收或散热，气液比发生变化，在局部会产生流体冲击；尤其是存在向外散热的情况时，流体中的介质蒸汽可局部冷凝，其体积在瞬间发生很大的变化，附近液流高速移动占据这个空间，形成冲击引起振动。同时，气液两相流因各相密度和速度差异，导致各处流动形态不完全相同，在遇到弯头、异径管、三通、喷嘴等元件时，由于压力和动量矢量的变化，会对管道产生激振力而引起振动。强烈的振动会造成管道及其附件，特别是管道的连接部位和管道与附件的连接部位发生松动和破坏，长此以往容易引起泄漏。并且有些介质具有爆炸危险性、毒性或对环境有破坏性。一旦发生重大泄露事故，将会造成人员伤亡、财产损失、环境污染及其他巨大的经济损失。因此深入开展研究两相流体诱发管道振动的特性，为管道系统的设计及管路的改造提供理论依据，对于管系的安全运行具有重要意义！
１．２管道系统振动研究现状