濕天然氣在上傾管道的氣液兩相流動(dòng)特性研究

邢 鵬

（西安石油大學(xué)，陜西 西安 710065）

1 研究背景

傾斜管內(nèi)ZNLF條件下的流動(dòng)實(shí)驗(yàn)，是由Gregory等[1]人最早進(jìn)行研究的，實(shí)驗(yàn)過(guò)程是先向管內(nèi)注入一定量的液體，接著逐漸增加氣體流量，直到管內(nèi)的液體被全部排出。Gregory等給出了一系列結(jié)論：當(dāng)初始液相體積不變時(shí)，持液率會(huì)相應(yīng)增大，但當(dāng)管徑增大到一定程度，管徑對(duì)持液率的影響將減??；當(dāng)初始液相體積增大時(shí)，壓降會(huì)相應(yīng)增大。

Kokal和Stanislav[2]用 Gregory的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)合Dukler和Nicholson等人的模型，提出了一種壓降與持液率隨臨界攜液流速變化較好的模型。

M Birvalski和 G B Koren（2014）[3]的實(shí)驗(yàn)方法建立在Amaravadi[4]上。但是，由于他們比較關(guān)注管道上傾段的液層，即臨界狀態(tài)下的液層，因此擴(kuò)展了設(shè)置和實(shí)驗(yàn)方法來(lái)收集這些條件下的所有相關(guān)數(shù)據(jù)。

2 模型建立與網(wǎng)格劃分

起伏地形濕氣管道示意圖如圖1所示。該管道包含下傾段和上傾段，其中上下管道與水平方向夾角分別為θ2、θ1。液相（積液） 為水，氣相為空氣。管道上傾段與下傾段長(zhǎng)度均為15D。

圖1 起伏地形濕氣管道示意圖

本文使用ANSYS Workbench中自帶的Mesh模塊對(duì)計(jì)算域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，本文使用六面體網(wǎng)格來(lái)提升網(wǎng)格質(zhì)量。在對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行無(wú)關(guān)性驗(yàn)證之后，最終網(wǎng)格數(shù)確定為35萬(wàn)。

3 結(jié)果與討論

圖2 液體在管道上傾段的平鋪過(guò)程

如圖2所示，當(dāng)入口氣速在4m/s左右，氣液界面上并未產(chǎn)生較為明顯的波動(dòng)，只能夠觀察到在氣液界面上產(chǎn)生細(xì)微的波動(dòng)，此時(shí)的流型屬于光滑分層流；當(dāng)氣體的入口速度提升至5m/s左右，液層起始處將會(huì)產(chǎn)生明顯的波動(dòng)；當(dāng)氣體入口流速增大到7m/s左右，液層起始處就會(huì)產(chǎn)生較大的波動(dòng)，此時(shí)流型將轉(zhuǎn)換為波浪分層流；隨著氣體入口流速的不斷增加，上傾管段液層平鋪長(zhǎng)度增加，厚度變?。划?dāng)入口速度增加到9m/s左右，管道中的積液將全部被帶離彎頭并平鋪于上傾管段[5]。

如圖3所示，由于初始入口氣速過(guò)低，氣體無(wú)法攜帶液體向管道上傾段移動(dòng)，因此上傾段液層長(zhǎng)度為積液在上傾段的初始平鋪長(zhǎng)度。當(dāng)入口氣速低于5m/s時(shí)，氣體流速對(duì)流動(dòng)幾乎沒(méi)有影響。當(dāng)入口氣速大于5m/s，管道上傾段液層長(zhǎng)度明顯增大。當(dāng)入口氣速達(dá)到9m/s時(shí)，液層已經(jīng)完全平鋪于管道上傾段。

圖3 入口氣速對(duì)液體向管道上傾段移動(dòng)的影響

4 結(jié)語(yǔ)

為了描述這一現(xiàn)象，首先需要將力的方向作以下定義：與氣體流動(dòng)方向相同的力為動(dòng)力，與氣體流動(dòng)方向相反的力為阻力。氣液界面上的剪切應(yīng)力為動(dòng)力；液體受到管道方向的重力分力為阻力。當(dāng)動(dòng)力大于阻力時(shí)，液體會(huì)朝著管道上傾段加速流動(dòng)，管道彎頭處的持液率會(huì)下降；當(dāng)動(dòng)力小于阻力時(shí)，液體會(huì)朝著管道上傾段相反的方向加速流動(dòng)，管道彎頭處的持液率會(huì)上升，液體會(huì)朝著管道彎頭處積聚。