并聯(lián)管路氣液兩相流分流實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬

馬立輝，何利民*，米祥冉，羅小明

(1.中國石油大學(xué)(華東)儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院/山東省油氣儲(chǔ)運(yùn)安全省級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青島 266580；2.中國石油國際勘探開發(fā)有限公司，北京 100034)

在石油化工系統(tǒng)中，通常會(huì)將管路中的氣液兩相流分流到兩個(gè)甚至更多的分支管路中。當(dāng)兩相流經(jīng)過分流構(gòu)件時(shí)，通常會(huì)產(chǎn)生不均勻分配的狀況。由于兩相流自身的不確定性，并聯(lián)立管中的泰勒氣泡的長度與數(shù)量也有所不同，這會(huì)導(dǎo)致兩根立管中液塞的長度不同，導(dǎo)致兩根立管中的液相不能同時(shí)排出，從而導(dǎo)致了氣液兩相流不能夠在兩根立管中均勻分配。氣液兩相流不均勻分配對下游設(shè)備的安全運(yùn)行以及運(yùn)行效率產(chǎn)生很大的影。由于兩相流的復(fù)雜性，對氣液兩相流的分流機(jī)制理解相對較少。

用于兩相流分流的常用構(gòu)件為T形管。Azzopardi[1]和 El-Shaboury等[2]對于T形管(沖擊型T形管和分支型T形管)作為分流構(gòu)件給出了詳細(xì)的評論。影響氣液兩相流分流的因素有很多，主要的因素包括分流構(gòu)件的幾何形狀、入口的氣液速度、管路中的流型、分支管路的方向、通道結(jié)構(gòu)、流體的性質(zhì)、管路尺寸以及下游管路設(shè)備等[3]。通常認(rèn)為，沖擊型T形管在幾何上是對稱的，相比于沖擊型T形管，兩相流流經(jīng)沖擊型T形管時(shí)更趨向于均勻分配。文獻(xiàn)[4-8]對沖擊型T形管處氣液兩相流分流進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)所采用的管路均為水平管路，實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖窍掠喂苈诽幱诜菍ΨQ狀態(tài)時(shí)得到氣液兩相流均勻分配。

Alvarez等[9]研究了氣液兩相流在水平并聯(lián)管路中的分配情況。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)兩根分支管路管徑相同時(shí)，兩相流流經(jīng)沖擊型T形管時(shí)，始終處于均勻分配的狀態(tài)。當(dāng)下游兩根分支管路中的阻力不同時(shí)，兩相流始終處于偏流狀況。米祥冉等[10]對段塞流在沖擊型T形管處的分配進(jìn)行了研究，結(jié)果表明管路條件對稱時(shí)，段塞流在沖擊型T形管處分成長度相同的兩根較短的液塞。

Tshuva等[11]研究了氣液兩相流在兩根平行管路中分流狀況。在實(shí)驗(yàn)中，兩根并聯(lián)管可以向上傾斜，角度為0～90°。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)兩根并聯(lián)管路處于水平狀態(tài)時(shí)，氣液兩相流經(jīng)過沖擊型T形管時(shí)，兩相流始終均勻分配。隨著管路傾角的增大，兩相流在兩根管路中出現(xiàn)不對稱的流動(dòng)，并且隨著管路傾角的增大，不對稱流動(dòng)區(qū)域不斷擴(kuò)大。當(dāng)兩相流出現(xiàn)不均勻分配時(shí)，所有的氣相和液相從一根管路中流出，而另一根管路為靜止的液柱。這種狀況被稱為極端偏流，并用最小壓降解釋了這一點(diǎn)。Taitel等[12]采用4根并聯(lián)的管路，觀察到了相同的現(xiàn)象。Taitel等[12]采用壓降分析Pustylnik等[13]采用穩(wěn)定性分析解釋了這一現(xiàn)象。Pustylnik等[14]還對并聯(lián)管路出口增加孔板進(jìn)行了研究，結(jié)果表明增加孔板有利于兩相流在管路中更均勻的分配。上述實(shí)驗(yàn)中不對稱流動(dòng)是基于觀察而不是對兩根管路中的流量進(jìn)行測量。

Henkes等[15]在殼牌技術(shù)中心對氣液兩相流從水平管路分流到并聯(lián)雙立管進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)水平管中的流型為分層流，并聯(lián)立管中的流型為彈狀流或攪混流，并且出現(xiàn)了一個(gè)反轉(zhuǎn)現(xiàn)象即一段時(shí)間內(nèi)所有的氣相和液相從一根立管中流出，另一根立管中為上下波動(dòng)的液柱，一段時(shí)間后，兩根立管的流動(dòng)狀態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)變。這一現(xiàn)象與Tshuva等[11]的研究結(jié)果一致。Beekers[16]在實(shí)驗(yàn)室中對高氣液速下氣液兩相流分流進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明，如果兩根立管中的流動(dòng)狀態(tài)始終保持在環(huán)狀流，兩根立管中的氣液兩相流流量始終處于均勻分配。王玲等[17]對氣液兩相流在并聯(lián)立管中分流特性進(jìn)行了研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)液速較小時(shí)，兩相流在并聯(lián)立管中容易產(chǎn)生不均勻分配現(xiàn)象。

張興旭等[18]采用數(shù)值模擬方法對分流岐管內(nèi)的流場特性進(jìn)行了研究，結(jié)果表明橫向支管截面的長寬比較小時(shí)，出口處的氣相流量趨向于均勻分配。楊宏剛[19]采用數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方式對流體的流場進(jìn)行了研究，得到了調(diào)節(jié)流量分配均勻的方法。

上述研究表明，氣液兩相流流經(jīng)T形管處的分流行為十分復(fù)雜，尤其是帶有并聯(lián)立管的結(jié)構(gòu)。現(xiàn)以沖擊型T形管為核心構(gòu)件，研究了在帶有并聯(lián)立管的實(shí)驗(yàn)管路中，氣液兩相流分流的結(jié)果?，F(xiàn)通過實(shí)驗(yàn)研究兩根立管中不同的流動(dòng)狀態(tài)是否對氣液兩相流分流產(chǎn)生影響，并通過數(shù)值模擬方法研究不同入口氣液速下，對氣液兩相流分流產(chǎn)生的影響。以期為消除并聯(lián)立管中氣液兩相流偏流現(xiàn)象提供理論基礎(chǔ)，減小由于氣液兩相流偏流對下游設(shè)備造成的危害。

1 實(shí)驗(yàn)管路與方法

在實(shí)驗(yàn)室中設(shè)計(jì)并建造了水平管-雙立管實(shí)驗(yàn)流動(dòng)回路。圖1為氣液兩相流分流實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)流程圖。實(shí)驗(yàn)管路包括入口管路和兩個(gè)并聯(lián)的立管。所有管路的直徑均為40 mm。入口管路與T形管相接，T形管后分別接有兩根0.7 m長的水平管路。水平管路后接有長0.3 m、高0.5 m的90°彎頭。兩根立管的總高度為2.3 m，兩根立管之間的距離為2.4 m。兩個(gè)分離器的內(nèi)徑為300 mm，高度為3.5 m。每臺(tái)分離器氣液相出口分別接有質(zhì)量流量計(jì)。

圖1 氣液兩相流分流實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)流程圖Fig.1 Flow diagram of the gas-liquid two-phase splitting experimental facility

表觀液速的范圍為0.03～0.4 m/s，表觀氣速的范圍為0.1～5 m/s。根據(jù)流量需求選擇合適的孔板流量計(jì)。通過調(diào)整進(jìn)氣閥門V2～V4為流動(dòng)回路提供合適的氣體速度。通過閥門V5調(diào)節(jié)液相流速。閥門V8用來調(diào)節(jié)兩臺(tái)分離器內(nèi)的壓力。通過閥門V9、V10調(diào)節(jié)兩個(gè)分離器內(nèi)的液位。當(dāng)分離器內(nèi)的液位達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，對兩相流分流數(shù)據(jù)開始記錄。

對于T形管處兩相流的分流，氣液質(zhì)量流量應(yīng)滿足如下關(guān)系式：

MG0=MG1+MG2

(1)

ML0=ML1+ML2

(2)

式中：ML0為總液相質(zhì)量流量；MG0為總氣相質(zhì)量流量；ML1、ML2為兩根分支管路中的液相質(zhì)量流量；MG1、MG2為兩根分支管路中的氣相質(zhì)量流量。

水的密度變化可以忽略不計(jì)，可以通過體積流量進(jìn)行表征：

QL0=QL1+QL2

(3)

QL0為入口液相體積流量；QL1、QL2分別為兩根分支管路出口的體積流量。

FG1和FL1是描述氣液兩相流分流的主要參數(shù)，計(jì)算公式為

(4)

(5)

式(5)中：FG1為管路1中總氣體質(zhì)量流量分?jǐn)?shù)；FL1為管路1中總液體質(zhì)量流量分?jǐn)?shù)。當(dāng)兩相流處于均勻分配時(shí)，F(xiàn)G1=FL1=50%。

考慮到瞬時(shí)流量具有一定的波動(dòng)性，可將一段時(shí)間內(nèi)的累積流量作為主要指標(biāo)，分別用mG1、mG2、VL1、VL2表示，即

(6)

(7)

式中：mG1、mG2為分離兩臺(tái)分離器中氣相累計(jì)質(zhì)量流量；VL1、VL2為兩臺(tái)分離器中液相累計(jì)體積流量；t為時(shí)間。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 管路對稱性測試

在實(shí)驗(yàn)回路構(gòu)建過程中，保證T形管后兩根分支管路處于對稱狀態(tài)。并且通過單相水和單相氣對管路對稱性進(jìn)行了測試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，單相氣在兩相分支管路中分配比例幾乎為50%∶50%，與均等分配之間的差值小于1%。單相水的實(shí)驗(yàn)結(jié)果幾乎也為50%∶50%，與均等分配之間的差值最大為3%。通過單相對實(shí)驗(yàn)回路的測試，表明管路具有良好的對稱性。

2.2 并聯(lián)立管流動(dòng)狀態(tài)

水平來流管路中的流型為分層流和段塞流，兩根并聯(lián)立管中的流動(dòng)狀態(tài)為彈狀流和攪混流。彈狀流的特點(diǎn)是在管路的截面上含有較大的子彈狀的氣泡。攪混流是一種高度擾動(dòng)的氣液兩相流流型。氣速的增加會(huì)導(dǎo)致管路中的液塞變的不穩(wěn)定，導(dǎo)致液塞的破裂和回落?；芈涞囊后w與底部的液塞相遇然后繼續(xù)向上運(yùn)動(dòng)，反復(fù)不斷斷裂。氣液兩相流從單管分流到并聯(lián)立管中時(shí)，由于入口管路不同的氣液速組合，一共有三種流動(dòng)狀態(tài)在管路中被觀測到。并聯(lián)立管中三種不同的流動(dòng)狀態(tài)分別為彈狀流-彈狀流、攪混流-攪混流和彈狀流-攪混流如圖2所示。

圖2 并聯(lián)立管中氣液兩相流動(dòng)狀態(tài)Fig.2 The gas-liquid two-phase flow state in the parallel risers

當(dāng)入口氣液流速較低時(shí)，并聯(lián)立管中的流動(dòng)狀態(tài)為彈狀流-彈狀流。但是由于兩根立管中的氣泡長度與氣泡個(gè)數(shù)不相同，所以兩根立管中液面高度更高的一側(cè)優(yōu)先排出，導(dǎo)致立管底部的壓力急劇下降，與此同時(shí)由于底部壓力的突然下降，另一根立管中的液塞產(chǎn)生回落現(xiàn)象。隨后液相在管路底部重新積累，重復(fù)這一過程，液相在兩根立管中排出是一種隨機(jī)的現(xiàn)象。

當(dāng)入口的氣液流速較高時(shí)，并聯(lián)立管中的流動(dòng)狀態(tài)為攪混流-攪混流。并聯(lián)立管中的兩相流是穩(wěn)定的。當(dāng)兩相流從水平管路流入到并聯(lián)立管中時(shí)，與彈狀流-彈狀流不同的是氣液兩相在立管的底部是連續(xù)的，并沒有出現(xiàn)液相阻塞的現(xiàn)象。因此氣液兩相在立管出口連續(xù)不斷地流出。

在彈狀流-彈狀流與攪混流-攪混流之間發(fā)現(xiàn)了一種彈狀流-攪混流的流動(dòng)狀態(tài)。在一根立管中，存在上下波動(dòng)的液塞并伴有小氣泡不斷流出，但是并沒有液相流出。另一根立管中，以攪混流的方式不斷從出口流出。彈狀流-攪混流是一種極其不穩(wěn)定的流動(dòng)狀態(tài)，隨著入口氣液速微小的變化，容易轉(zhuǎn)變?yōu)閺棤盍?彈狀流和攪混流-攪混流。

2.3 兩相流分流結(jié)果

第一種流動(dòng)狀態(tài)的分流結(jié)果如圖3(a)和圖3(b)所示，盡管兩根立管中的流動(dòng)狀態(tài)相同，但是并聯(lián)立管中也可能產(chǎn)生嚴(yán)重的流量分配不均勻狀況。當(dāng)兩根立管中的流動(dòng)狀態(tài)為攪混流-攪混流時(shí)，氣液兩相的分流結(jié)果如圖3(c)所示，此種流動(dòng)狀態(tài)下兩相流始終處于均勻分配狀態(tài)。圖3(d)為彈狀流-攪混流的分流結(jié)果，兩根立管中的流動(dòng)狀態(tài)并不對稱，氣液兩相流跟偏向于流入到立管中流型為攪混流的一側(cè)。所以只有在較高的氣液流速下氣液兩相流才處于均勻分配的狀態(tài)。

USL為表觀液速；USG為表觀氣速圖3 并聯(lián)立管中兩相流分流結(jié)果Fig.3 The splitting results of the parallel risers

2.4 壓降分析

對兩相流壓降進(jìn)行無量綱處理，即

(8)

PDF為壓降概率密度圖4 雙立管壓降曲線及其概率密度Fig.4 The pressure drop curve and probability density of parallel risers

三種不同流動(dòng)狀態(tài)的無量綱壓降以及概率密度如圖4所示，在彈狀流-彈狀流和攪混流-攪混流兩種流動(dòng)狀態(tài)下，兩根立管中壓降波動(dòng)曲線基本重合，兩根立管中的壓降波動(dòng)相同，而在彈狀流-攪渾流的情況下，兩根立管中的壓降出現(xiàn)了較大的偏差，在壓降-概率密度曲線上得到了很好的體現(xiàn)。當(dāng)兩根立管中的流動(dòng)狀態(tài)相同時(shí)，兩根立管中的壓降波動(dòng)相同。當(dāng)兩根立管中壓降不相同時(shí)，兩相流一定出現(xiàn)偏流狀況。

3 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

3.1 數(shù)學(xué)模型

實(shí)驗(yàn)過程中入口管路中氣液兩相流流型均為分層流或段塞流，所以模擬過程中采用VOF(volume of fluid)界面追蹤模型。VOF模型求解方程為

(9)

(10)

(11)

式中：ui、uj為速度分量；xi、xj為坐標(biāo)分量；ρ為密度；μ為黏度；p為壓力；k為湍流動(dòng)能；ε為湍流耗散率；σk為紊流普朗特?cái)?shù)；G為紊動(dòng)能產(chǎn)生相。

3.2 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證

所建立的三維模型采用正六面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分，為此模型建立了5種不同數(shù)量的網(wǎng)格。網(wǎng)格的局部示意圖如圖5所示。通過5種不同數(shù)量的網(wǎng)格數(shù)來驗(yàn)證網(wǎng)格的獨(dú)立性。選擇彎管處的壓力作為網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證的特征參數(shù)。結(jié)果如圖6所示，最后兩種網(wǎng)格計(jì)算結(jié)果比較相似，考慮到數(shù)值計(jì)算的精度要求和計(jì)算效率，選用第4種網(wǎng)格(82 100)對并聯(lián)立管中氣液兩相流分流進(jìn)行數(shù)值模擬。

圖5 管路局部網(wǎng)格(網(wǎng)格數(shù)為82 100)Fig.5 Local grid of pipeline (the number of grids is 82 100)

圖6 網(wǎng)格數(shù)對彎管處壓力的影響Fig.6 The influence of the number of grids on the pressure at the elbow

3.2 模擬結(jié)果

氣液兩相流分流所采用的模擬邊界條件為速度入口，自由流出口。如圖7所示為較低氣液速(入口液速為0.3 m/s，氣速為3 m/s)下數(shù)值模擬的氣液兩相云圖分布。從并聯(lián)立管中的云圖分布可以看出，在較低氣液速時(shí)，氣液兩相在兩根立管中的流動(dòng)狀態(tài)并不對稱，一根立管中氣液兩相流動(dòng)狀態(tài)為攪混流，而另一根立管為靜止的液柱并伴有小氣泡不斷流出。

圖8為兩根立管出口持液率隨時(shí)間變化圖，從圖8可以看出，液相流量大部從出口2流出(攪渾流一側(cè))，而出口1只有少量的液相流量流出，模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果同時(shí)表明，在較低的氣液速下，氣液兩相在并聯(lián)立管中分流并不能均勻分配。

提高入口氣速，入口氣相速度由3 m/s變?yōu)? m/s，氣液兩相模擬云圖如圖9所示，從圖9可以看出，隨著入口速度的提升，兩相流在并聯(lián)管路中的流動(dòng)狀態(tài)變?yōu)閿嚮炝?，并?lián)立管中的流動(dòng)處于對稱狀態(tài)。

圖10所示為并聯(lián)立管出口持液率隨時(shí)間變化曲線。從圖10可以看出，并聯(lián)立管出口的持液率曲線波動(dòng)基本保持一致，表明氣液兩相流在并聯(lián)立管中處于均勻分配的狀態(tài)。模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相同，表明在較高的氣液速下氣液兩相流在并聯(lián)立管中始終處于均勻分配狀態(tài)。模擬結(jié)果表明，所建立的數(shù)學(xué)模型能夠準(zhǔn)確地預(yù)測氣液兩相流在并聯(lián)管路中的分配狀況。

圖7 不同時(shí)刻下氣液兩相云圖分布Fig.7 The cloud map distribution of two-phase

圖8 并聯(lián)立管出口持液率Fig.8 Liquid holdup rate of parallel riser outlet

圖9 不同時(shí)刻下氣液兩相云圖分布Fig.9 The cloud map distribution of two-phase

圖10 并聯(lián)立管出口持液率Fig.10 Liquid holdup rate of parallel riser outlet

4 結(jié)論

通過室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)值模擬對氣液兩相流在并聯(lián)立管中的分流狀況進(jìn)行了研究并得出以下結(jié)論。

(1)通過實(shí)驗(yàn)將并聯(lián)立管中的流動(dòng)狀態(tài)劃分為彈狀流-彈狀流、攪混流-攪混流以及彈狀流-攪混流三種流動(dòng)狀態(tài)，結(jié)果表明只有在入口氣液速較高的攪混流-攪混流時(shí)兩相流才能處于完全均勻分配狀態(tài)。

(2)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)兩根立管中的流動(dòng)狀態(tài)對稱時(shí)，兩根立管的壓降波動(dòng)基本一致，但是當(dāng)兩根立管中的流動(dòng)狀態(tài)處于彈狀流-攪混流時(shí)并聯(lián)立管中的壓降波動(dòng)出現(xiàn)較大偏差，此種狀態(tài)時(shí)，兩相流處于極端偏流的狀況。

(3)建立了氣液兩相流在并聯(lián)立管中分流的數(shù)學(xué)模型，所建立的數(shù)學(xué)模型能夠準(zhǔn)確地預(yù)測不用氣液速下氣液兩相流在并聯(lián)立管中的分流情況，為消除氣液兩相流在并聯(lián)管路中的偏流狀況提供了準(zhǔn)確簡潔的方法。