旋流型管壁分配器取樣孔分流特性

曹學(xué)文，吳梁紅，宗媛，楊濤，張文靜

(中國石油大學(xué)儲運(yùn)與建筑工程學(xué)院，山東東營257061)

旋流型管壁分配器取樣孔分流特性

曹學(xué)文，吳梁紅，宗媛，楊濤，張文靜

(中國石油大學(xué)儲運(yùn)與建筑工程學(xué)院，山東東營257061)

通過對取樣孔的氣液兩相流的數(shù)值模擬和室內(nèi)試驗(yàn)，探索取樣孔的分流特性，考察取樣小孔的結(jié)構(gòu)(包括孔數(shù)、軸向取樣位置、大小、形狀和在圓周方向上的開孔位置)對取樣的穩(wěn)定性和均勻性及分流系數(shù)的影響。結(jié)果表明:液相分流系數(shù)與主管氣相折算速度關(guān)系較小;當(dāng)主管液相流速大于0.08 m/s，取樣孔數(shù)目為8，直徑為5 mm，位置距離整流器出口50 mm時，分流效果最好，能保證取樣的均勻性和穩(wěn)定性;數(shù)值模擬的液相分流系數(shù)平均值為0.064，與試驗(yàn)實(shí)測結(jié)果0.08相差較小。

氣液兩相流;流量測量;分流分相法;分流特性;取樣孔;分流系數(shù);數(shù)值模擬

氣液兩相流廣泛存在于石油、化工、能源等許多工業(yè)領(lǐng)域，兩相流體的流量測量一直是多相流研究前沿。分流分相法是一種新型兩相流量測量方法，其特點(diǎn)是從被測兩相流體中取樣分流出一部分兩相流體，將其分離成單相氣體和單相液體，分別用單相流量儀表測量，然后根據(jù)取樣流體與主流體間的比例關(guān)系計算被測兩相流體的流量［1］。分流取樣方法的關(guān)鍵是利用分配器從主管路取得部分兩相流樣品，取樣量與被測主管路流量保持穩(wěn)定和確定的比例，取樣孔具有好的分流特性是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的關(guān)鍵。目前已有三通管型、取樣管型、轉(zhuǎn)鼓型、轉(zhuǎn)輪型、旋流型管壁等取樣分配裝置的研究，其中旋流型管壁取樣孔通過多孔取樣和流型整改保證了取樣的代表性，無運(yùn)動部件，取樣孔不易堵塞，適于海上油氣田的開發(fā)。近幾年，國內(nèi)學(xué)者對旋流型管壁取樣孔做了相應(yīng)的試驗(yàn)研究工作［2-5］，主要集中在對取樣孔數(shù)和大小的研究上，并沒有充分考慮到取樣小孔的取樣位置、形狀和在圓周上的開孔位置也決定著分流系數(shù)的大小和穩(wěn)定。因此，筆者結(jié)合對取樣小孔的氣液兩相流的數(shù)值模擬和室內(nèi)試驗(yàn)研究，探索取樣孔的分流特性，以保證取樣的穩(wěn)定性和均勻性以及液相分流系數(shù)(取樣孔分出的總液體質(zhì)量和主管液相質(zhì)量的比值)的穩(wěn)定。

1 旋流型管壁取樣分配器結(jié)構(gòu)及流量測量原理

1.1 分配器結(jié)構(gòu)

氣液兩相流在管路中流動，其流動特性復(fù)雜，不同的流量下形成的流型不同，如果只是采取管壁上開孔取樣，會導(dǎo)致取樣缺乏代表性，不能反映整個取樣截面的氣液相分布狀況。為了使其不受流型的影響，在設(shè)計管壁取樣的基礎(chǔ)上又增加設(shè)計了整流裝置:旋流葉片［6］和整流器。來流經(jīng)過旋流葉片使兩相流體產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，使原來不對稱分布的液膜、液滴在圓周方向進(jìn)行混合和重新分布，變成一種關(guān)于軸線對稱的流型;再經(jīng)過整流器的整改，進(jìn)一步改善相分布和速度分布的對稱性，最終將分層流、段塞流、波浪流以及不對稱的環(huán)狀流等其他流型轉(zhuǎn)變?yōu)閷ΨQ的環(huán)狀流，使管壁的每一個小孔取樣均趨于一致，實(shí)現(xiàn)分流系數(shù)的恒定。圖1為設(shè)計的旋流型管壁取樣分配器結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 旋流型管壁取樣分配器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure of swirled pipe wall sampling distributor

1.2 取樣孔結(jié)構(gòu)

取樣小孔的取樣位置、大小、形狀和在圓周上的開孔位置不僅關(guān)系到取樣的穩(wěn)定性和均勻性，還直接決定著分流系數(shù)的大小和穩(wěn)定性。水平管氣液兩相流由于重力的影響，造成管截面上氣液相分布不均勻，即使在環(huán)狀流型下，液膜沿周向分布也是不一致的，頂部液膜較薄，底部液膜較厚。采用單孔取樣方法很難保證取樣效果［7］，雙孔和六孔取樣不能完全消除重力對取樣的影響，奇數(shù)孔取樣由于其對稱性不好也不能保證取樣效果;四孔和八孔取樣由于其對稱性和多方位，可以彌補(bǔ)單孔取樣方法的不足，取樣效果較好，但是孔數(shù)的增加會帶來分流管路流量的增加和兩相分離器尺寸的加大，因此取樣孔設(shè)計為2種布置形式(圖2)，分別為取樣孔沿周向均勻分布的4孔和8孔取樣結(jié)構(gòu)。

圖2 取樣孔結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of sampling hole

2 取樣器數(shù)值模型的建立

2.1 取樣器幾何模型

取樣器幾何模型截面圖如圖3所示。

圖3 取樣器截面圖Fig.3 Section of sampling device

2.2 計算模型

FLUENT中基于歐拉-歐拉方法的模型有VOF模型、混合模型和歐拉模型。本文模擬氣液兩相流混合流動的分配問題，不適用VOF模型，因此選用混合模型或歐拉模型?？紤]到歐拉模型的計算精度高，所以對于該問題的流場計算采用歐拉模型［8］。

2.3 網(wǎng)格劃分

用GAMBIT軟件對計算區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用3D網(wǎng)格單元包括六面體、四面體，并且對網(wǎng)格進(jìn)行局部加密，以提高數(shù)值模擬的精度。

2.4 湍流模型

RNG k－ε［9］模型適用于涉及快速應(yīng)變、中等渦、局部轉(zhuǎn)捩的復(fù)雜剪切流動，RNG模型相比于標(biāo)準(zhǔn)k－ε模型對瞬變流和流線彎曲的影響能作出更好的反應(yīng)。由于分配器中含有旋流葉片，因此，對于分配器氣液兩相流的流動采用RNG k－ε模型。

2.5 邊界條件和初始條件

數(shù)值模擬中的流體介質(zhì)為空氣和水，入口設(shè)置為速度入口，由于液相分流系數(shù)與主管氣相折算速度關(guān)系較小，因此保持氣相入口折算速度不變。氣相折算速度由主管氣體渦街流量的流量和管徑折算得到，為16 m/s;液相入口折算速度則由主管液量質(zhì)量流量和管徑折得到，為0.2 m/s，液相的體積含液率都為0.2，出口都設(shè)置為壓力出口;管道內(nèi)壁和葉片表面選擇wall為壁面邊界條件。

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 取樣孔數(shù)對分流特性的影響

為了進(jìn)一步對比4孔取樣和8孔取樣對分流特性的影響，保持其他各參量不變，分別對周向孔數(shù)為4和8的圓形取樣孔(孔徑為3 mm)進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果見圖4。

從圖中可以看出，隨著液相流量的增大，取樣孔的分液相流量也相應(yīng)的增大，這主要是由于液膜厚度的增大造成的，而且從Fluent質(zhì)量報告中還可以看出液相分流系數(shù)基本上與取樣孔的數(shù)目成正比。8孔的液相分流系數(shù)幾乎為4孔的液相分流系數(shù)的2倍，此外8孔取樣較4孔取樣更均勻，各孔的流量基本上趨于一致，因此液相分流系數(shù)更加穩(wěn)定，能更好地消除重力的影響，分流效果更好。

圖4 孔數(shù)不同時取樣孔截面出口處的液相速度矢量分布圖Fig.4 Distribution of liquid phase velocity vector of sampling hole's section for different number of hole

3.2 取樣孔形狀對分流特性的影響

在取樣孔個數(shù)確定的條件下，液相分流系數(shù)的大小和穩(wěn)定性主要取決于取樣孔的形狀、大小和在圓周上的取樣位置。在保證取樣孔面積不變的前提下，分別對直徑為5 mm的圓孔、矩形孔和正方形孔進(jìn)行了數(shù)值模擬，圖5是各種孔形下取樣孔所在截面處的液相速度矢量分布。

圖5 矩形孔、正方形孔和圓孔下取樣孔截面處液相速度矢量分布圖Fig.5 Distribution of liquid phase velocity vector of sampling hole's section for rectangle，square and circular hole

從圖5中可以看出圓孔的取樣效果更好，流場的分布更均勻，水相的分流系數(shù)比較穩(wěn)定，而矩形孔和正方形孔的取樣效果不理想，流場的分布比較紊亂，不利于分流取樣計量。

3.3 取樣孔尺寸對分流特性的影響

取樣孔的尺寸也直接關(guān)系到取樣的均勻性、穩(wěn)定性、液相分流系數(shù)以及兩相分離器的尺寸。取樣孔大，流體流過取樣孔時，壓力損失小，氣相更容易擊穿液膜進(jìn)入小孔，增大了液相的分流系數(shù)，加上重力的影響和氣體擾動作用，取樣不均勻，同時取樣腔室流體流量的增大勢必會帶來兩相分離器尺寸的增加。圖6為取樣孔直徑為7.5、5和3 mm時取樣孔所在截面處的液相速度矢量圖。

從圖中可以看出，隨著取樣孔徑的增大，液相的分流系數(shù)越來越均勻，液相速度的分布也越來越均勻，但是同時也帶來液相分流系數(shù)的增加。當(dāng)取樣孔直徑為7.5 mm時，從液相質(zhì)量流量報告中計算液相分流系數(shù)已經(jīng)到了0.11左右，這樣勢必會造成兩相分離器尺寸的增大，發(fā)揮不了分流分相式多相計量的優(yōu)勢;取樣孔直徑為3 mm時，液相分流系數(shù)比較紊亂，有些取樣孔基本上沒有液相流出，原因可能在于孔徑太小時，氣體沖破液膜后高速噴出，攜帶的液相基本上都呈霧狀。因此，取樣孔直徑為5 mm分流效果應(yīng)該最理想。

3.4 取樣孔的安裝位置對分流特性的影響

在孔徑和孔數(shù)(8個)以及形狀一定的條件下，取樣孔在圓周上的分布也關(guān)系到取樣的均勻性、穩(wěn)定性和液相分流系數(shù)。當(dāng)只有一個取樣孔并且位于管道頂部時，液相分流系數(shù)基本上為0［10］;當(dāng)取樣孔位于管道底部時，液相分流系數(shù)基本上為1。數(shù)值模擬時，為了保證對流場的干擾性最小，采用對稱開孔，開孔的位置變化如圖7所示。

圖6 取樣孔直徑不同時取樣孔截面處的液相速度矢量分布圖Fig.6 Distribution of liquid phase velocity vector in sampling hole's section for different size of sampling hole

圖8為取樣孔在圓周上取樣位置不同時孔出口處的水相速度矢量分布。由于采用對稱開孔，0°和90°時開孔的情況重合。

從圖8可以看出，圓周上開孔位置的變化對取樣孔截面處液相的速度矢量分布影響很小，液相速度的分布都比較均勻，分流取樣效果都很理想，這也進(jìn)一步驗(yàn)證了8孔取樣的合理性和必要性。

圖7 取樣孔在圓周上的開孔位置示意圖Fig.7 Sketch map of opening location on circumference of sampling hole

圖8 取樣孔在圓周上取樣位置不同時取樣孔截面處液相速度矢量分布圖Fig.8 Distribution of liquid phase velocity vector of sampling hole's section different location on circumference

4 數(shù)值模擬與試驗(yàn)對比

當(dāng)主管氣相和液相入口速度分別為16.6 m/s(流量300 m3/h)和0.10 m/s，16.6 m/s和0.12 m/s，16.6 m/s和0.14 m/s，16.6 m/s和0.17 m/s四種工況，取樣孔數(shù)目為8，孔徑為5 mm，開孔位置距離整流器出口50 mm，并且孔在圓周上的分布位置為45°方向時，數(shù)值模擬的結(jié)果見圖9。液相分流系數(shù)穩(wěn)定，其平均值為0.064。

在中國石油大學(xué)(華東)多相管流環(huán)道試驗(yàn)架進(jìn)行的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)主管液相流速大于0.08 m/s(流量0.72 m3/h)時，其液相分流系數(shù)趨向于一個穩(wěn)定值0.08。當(dāng)液相流速小于0.08 m/s時，其液相分流系數(shù)呈現(xiàn)分散現(xiàn)象，液相分流系數(shù)最大為0.12，最小值降到了0.03。試驗(yàn)證明液相分流系數(shù)與主管氣相折算速度關(guān)系較小。液相分流系數(shù)數(shù)值模擬計算值與試驗(yàn)值相近，隨主管液相流速變化分流系數(shù)值是穩(wěn)定的，試驗(yàn)結(jié)果充分驗(yàn)證了數(shù)值模擬計算方法的正確性。試驗(yàn)結(jié)果證明了數(shù)值模擬計算選取的旋流型管壁取樣器的分流取樣效果好，分流系數(shù)穩(wěn)定。

圖9 液相分流系數(shù)與主管液相流量的關(guān)系Fig.9 Relationship between liquid extraction ratio and main liquid flow rate

5 結(jié)論

(1)液相分流系數(shù)與主管氣相折算速度關(guān)系較小。

(2)8孔取樣的水相分布情況更均勻，能更好地消除重力作用的影響，分流效果更理想。

(3)取樣孔直徑為5 mm，并且在圓周上均勻分布，且開孔位置距離整流器出口50 mm，當(dāng)主管液相流速大于0.08 m/s，模擬結(jié)果表明此時取樣孔分流效果最佳，能保證取樣的均勻性和穩(wěn)定性，液相分流系數(shù)趨于一致，模擬計算的平均值為0.064，試驗(yàn)測試液相分流系數(shù)也趨向于一個穩(wěn)定值0.08，兩者比較符合。

［1］王棟，林宗虎.氣液兩相流體流量的分流分相測量法［J］.西安交通大學(xué)學(xué)報，2001，35(5):441-444.WANG Dong，LIN Zong-hu.Extracting and separating method for gas-liquid two-phase flow measurement［J］.Journal of Xi'an Jiaotong University，2001，35(5):441-444.

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［6］鄭俐丹，趙宏，薛敦松.油氣多相泵的最新研究進(jìn)展［J］.水泵技術(shù)，2001(3):15-19.ZHENG Li-dan，ZHAO Hong，XUE Dun-song.The development of oil-gas-liquid multiphase pump［J］.Pump Technology，2001(3):15-19.

［7］梁法春.氣液兩相流體取樣分配器及其在流量測量中的應(yīng)用［D］.西安:西安交通大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，2006.LIANG Fa-chun.Gas-liquid two-phase flow sampling device and the flow measurement applications［D］.Xi'an:Colleage of Power Engineering and Engineering Thermophysics of Xi'an Jiaotong University，2006.

［8］馬寧.旋流型管壁取樣分配器技術(shù)研究［D］.東營:中國石油大學(xué)(華東)儲運(yùn)與建筑工程學(xué)院，2009.MA Ning.Study on Swirled Sampler Along the Circumference［D］.Dongying:College of Storage＆Transportation and Architectural Engineering China University of Petroleum(East China)，2009.

［9］王福軍.計算流體動力學(xué)分析:CFD軟件原理與應(yīng)用［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2004:124-125.

［10］梁法春，多相流體比例分配方法及流量測量［D］.西安:西安交通大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，2006.LIANG Fa-chun.Gas-liquid two-phase flow proportional division method and flow rate metering［J］.Xi'an:Colleage of Power Engineering and Engineering Thermophysics of Xi'an Jiaotong University，2006.

(編輯 修榮榮)

Extracting characteristics of pipe wall sampling hole in swirled distributor

CAO Xue-wen，WU Liang-hong，ZONG Yuan，YANG Tao，ZHANG Wen-jing
(College of Storage＆Transportation and Architectural Engineering in China University of Petroleum，Dongying 257061，China)

Based on the gas-liquid two-phase flow numerical simulation and experimental study on the flow rate measurement for sampling hole，extracting characteristics of sampling hole were investigated.The influence of sampling holes' number，location in the axial direction，size，shape，and opening location on the circumference，on the stability and uniformity of sampling and the liquid phase extraction ratio was analyzed.The results show that the liquid phase extraction ratio bears little relation to main gas reduced velocity.The sample is of uniformity and stability when the liquid phase extraction ratio of the primary pipeline is more than 0.08 m/s and eight sampling holes with the diameter of 5 mm as well as the holes located 50 mm away from the rectifier outlet.Under these circumstances，the simulated liquid phase extraction ratio is about 0.064，which is very close to the experimental results of 0.08.

gas-liquid two-phase flow;flow rate measurement;extracting and separating method;extracting characteristics;sampling hole;extraction ratio;numerical simulation

TE 868

A

10.3969/j.issn.1673-5005.2011.01.024

2010－01－20

“863”國家高科技研究發(fā)展計劃項(xiàng)目(2007AA09Z301);國家科技重大專項(xiàng)課題(2008ZX05017－004－)

曹學(xué)文(1966－)，男(漢族)，山東昌邑人，教授，博士，博士生導(dǎo)師，主要從事天然氣加工與處理、油氣水多相流理論及應(yīng)用、海底管道技術(shù)等研究。

1673-5005(2011)01-0119-05