節(jié)流對(duì)立管內(nèi)流型及壓降變化影響的數(shù)值研究

楊 洋

（中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司設(shè)計(jì)研發(fā)中心，天津 300452）

海底管道作為“海洋油氣生命線”，其運(yùn)行狀態(tài)直接關(guān)乎著整個(gè)深海油氣系統(tǒng)的安全運(yùn)行。Yocum[1]最早發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重段塞流是存在于集輸-立管系統(tǒng)中的一種有害流型，嚴(yán)重段塞流形成時(shí)，直接影響海管系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行，所以消除嚴(yán)重段塞流的危害是降低海管運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)的關(guān)鍵。

國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者通過實(shí)驗(yàn)對(duì)嚴(yán)重段塞流的消除方法進(jìn)行了深入研究，Schmidt[3]等最早提出了采用立管頂部節(jié)流方法增加系統(tǒng)背壓來抑制和消除嚴(yán)重段塞流；Jansen等提出氣舉法來減緩或消除嚴(yán)重段塞流，足夠多的注氣量也可以使立管中流型轉(zhuǎn)變?yōu)榄h(huán)狀流；本文采用數(shù)值模擬技術(shù)，針對(duì)立管嚴(yán)重段塞流的節(jié)流控制進(jìn)行三維數(shù)值模擬，研究了不同節(jié)流度對(duì)段塞流流型及壓降變化規(guī)律的影響。分析入口流速和出口壓力對(duì)段塞流流型變化的影響。所得成果可為實(shí)驗(yàn)及理論研究提供一定的指導(dǎo)。

1 模型的建立

1.1 物理模型

本文采用氣水兩相作為研究對(duì)象，立管內(nèi)徑26mm，節(jié)流下端管長(zhǎng)1 000mm，節(jié)流上端管長(zhǎng)500mm；節(jié)流段內(nèi)徑12mm，長(zhǎng)40mm，結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格單元?jiǎng)澐郑?，305，800，計(jì)算步長(zhǎng)0.01s，整個(gè)三維計(jì)算模型采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行單元?jiǎng)澐帧?/p>

1.2 數(shù)學(xué)模型

采用CLSVOF耦合算法來求解氣水兩相流動(dòng)問題。CLSVOF算法是Level Set方法與VOF方法的一種耦合算法，在求解表面張力為主導(dǎo)的問題上，能夠得到更精確的相界面曲率值，可有效提高計(jì)算精度。氣水兩相流動(dòng)控制方程如下：

2 數(shù)值模擬及結(jié)果分析

Schmidt（1980），Taitel（1986），王鑫（2006）等 國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究表明，嚴(yán)重段塞流常發(fā)生于氣液流速相對(duì)較低的集輸-立管中，完整的嚴(yán)重段塞流包括液塞生長(zhǎng)、液體流出、進(jìn)入立管、噴發(fā)與回落四個(gè)階段，為了分析節(jié)流部件對(duì)嚴(yán)重段塞流及立管壓力分布規(guī)律的影響，計(jì)算初期，節(jié)流部件內(nèi)充滿水，再以空氣速度為0.5m/s進(jìn)入研究對(duì)象，使其在立管底部形成彈狀氣柱（段塞氣柱），用來模擬嚴(yán)重段塞流發(fā)生時(shí)，立管頂端液體流出和大氣泡進(jìn)入立管底端階段，通入空氣0.5s后管道內(nèi)氣液兩相分布云圖如圖2所示。

如圖1所示，當(dāng)通入空氣0.5s，立管管道底端已經(jīng)形成了長(zhǎng)度約0.25m的段塞氣柱，模擬大氣泡進(jìn)入立管底端形成段塞氣柱，0.5s后，立管底部入口開始注入水相，節(jié)流部件下端形成氣液段塞間歇式流動(dòng)，不同時(shí)刻，立管與節(jié)流部件管內(nèi)氣液兩相三維空間分布流型顯示，當(dāng)段塞氣泡前端運(yùn)移到節(jié)流部件時(shí)，在壓力快速變化的擾動(dòng)下，大團(tuán)氣泡逐漸開始破裂，部分小氣泡在通過節(jié)流部件后，又開始重新聚并，形成泡狀流。從計(jì)算的結(jié)果來看，節(jié)流部件可減小甚至消除嚴(yán)重段塞流與之產(chǎn)生的危害，但是節(jié)流度的設(shè)置及節(jié)流級(jí)數(shù)還需要根據(jù)實(shí)際工況進(jìn)行優(yōu)化。

圖1 管道內(nèi)氣水兩相分布圖（混相、剖面）

圖2給出了段塞流發(fā)生前，管內(nèi)液相流動(dòng)壓降曲線。通過曲線可知：當(dāng)液相流體流經(jīng)節(jié)流部件時(shí)，由于阻力突然增大，流速加快，壓力降低，節(jié)流前后出現(xiàn)負(fù)壓，形成空化。圖3給出了段塞流運(yùn)移過程，不同時(shí)刻立管軸向壓降的變化曲線。由圖3不難看出，氣塞在流經(jīng)節(jié)流部件前，氣塞段壓力較高，且隨著氣塞不斷前移，高壓端也隨之前移，這也是段塞流危害的主要表現(xiàn)，當(dāng)氣塞流經(jīng)節(jié)流部件時(shí)，由于流道突然變窄，氣速過快，壓力迅速降低，且波及范圍較廣，此時(shí)節(jié)流前端整個(gè)管段均處于負(fù)壓區(qū)。

圖2 不同時(shí)刻管道軸向壓降曲線

圖3 不同時(shí)刻管道軸向壓降曲線

3 段塞流影響因素分析

3.1 節(jié)流度

表1-2給出了不同節(jié)流孔徑在不同位置的壓力變化，從計(jì)算數(shù)據(jù)可知，隨著節(jié)流孔徑的減小，節(jié)流部件前節(jié)點(diǎn)壓力升高，不同位置壓降差值增大，最終出口壓力降到0。由此可見，增加節(jié)流部件，在不同節(jié)流孔徑的作用下，會(huì)提高管內(nèi)背壓，抑制氣團(tuán)向上運(yùn)動(dòng)，節(jié)流孔徑越小，背壓越大，氣團(tuán)上升的速度越慢。

表1 節(jié)流孔徑12mm不同位置的壓力變化

表2 節(jié)流孔徑10mm不同位置的壓力變化

由表1-2可知，不同節(jié)流孔徑在不同位置的壓力波動(dòng)規(guī)律一致，隨著節(jié)流孔徑的減小，介質(zhì)通過節(jié)流孔徑的阻力增加，節(jié)流部件入口處壓力急速下降，通過節(jié)流部件的流速增加，導(dǎo)致氣團(tuán)以彌散小氣泡的形式通過節(jié)流孔徑，形成穩(wěn)定的泡狀流，這樣的泡狀流在管道內(nèi)并非均勻分布，氣泡長(zhǎng)度減小，消除了嚴(yán)重段塞流現(xiàn)象。

3.2 出口壓力

表3-4給出了節(jié)流口徑10mm，不同出口壓力條件下的管內(nèi)不同位置的壓力變化。從計(jì)算的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，隨著出口壓力的提高，整個(gè)管道壓力均升高。從不同位置的壓力與出口壓力的差值看出，在節(jié)流孔徑不變的情況下，隨著出口壓力的升高，節(jié)流部件前端管內(nèi)不同位置的相對(duì)壓力基本相同，這符合不可壓縮流體的基本特性。當(dāng)氣塞流經(jīng)節(jié)流部件時(shí)（120s），壓力隨之變化，整體表現(xiàn)為節(jié)流前端，隨著出口壓力的升高，管內(nèi)不同位置的壓力隨之增大，節(jié)流后端，隨著出口壓力的升高，管內(nèi)壓力隨之降低。

表3 出口總壓力0Pa不同位置的壓力變化

表4 出口總壓力0.2MPa不同位置的壓力變化

圖4給出了不同出口壓力條件下的管內(nèi)氣泡運(yùn)行規(guī)律及流型變化，對(duì)于低壓系統(tǒng)來說氣相可認(rèn)為不可壓縮，從得到的氣相分布云圖來看，相同孔徑不同出口壓力，節(jié)流前端氣相分布規(guī)律基本相同，受系統(tǒng)壓力的影響較小。

圖4 不同出口壓力不同時(shí)刻管內(nèi)流型圖

4 結(jié)論及建議

本文采用FLUENT軟件建立立管節(jié)流部件模型，對(duì)氣團(tuán)進(jìn)入純液立管發(fā)生嚴(yán)重段塞流進(jìn)行模擬：

1）節(jié)流部件可以減緩或消除立管嚴(yán)重段塞流，將嚴(yán)重段塞流轉(zhuǎn)變?yōu)榕轄盍?，且?jié)流孔徑越小，阻力越大，氣團(tuán)上升的速率越慢，節(jié)流前端整個(gè)管段均處于負(fù)壓區(qū)。

2）同一孔徑不同出口壓力條件下，節(jié)流前端氣相分布規(guī)律基本相同，受系統(tǒng)壓力的影響較小，對(duì)立管內(nèi)流型轉(zhuǎn)變影響較小。

3）位于立管旁通處安裝多級(jí)節(jié)流部件或單多級(jí)節(jié)流部件+閥門操作，對(duì)嚴(yán)重段塞流的抑制和消除效果有待進(jìn)一步研究。

4）考慮節(jié)流部件截面結(jié)構(gòu)、管道長(zhǎng)度，油氣水三相介質(zhì)等更多因素，將三維數(shù)值模擬簡(jiǎn)化二維，提高計(jì)算速率，增加進(jìn)出口條件工況點(diǎn)，進(jìn)一步研究對(duì)集輸管線壓降的影響規(guī)律。