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螺旋管气液两相流数值模拟 王志国( 机械设计及理论) 指导教师：刘猛教授 摘要 螺旋管是一种在动力、化工、石油和核工业中都有广泛应用的空间 曲线管。受离心力和重力的影响，螺旋管的流场比较复杂。 按照计算流体力学理论。建立了描述螺旋管常温绝热两相流动的两 流体模型。支配气液两相流动的基本方程包括分相的连续方程和考虑了 曳力、虚拟质量力、升力和湍流分散力等界面力的动量方程，液相湍流 模型采用重整化群k - 模式，近壁面低雷诺数区采用壁面函数处理。 结合l e v e ls e t 方法对立式螺旋管内浮力气泡的变形和运动过程进行 了数值模拟。计算过程将气泡内部作为计算区域，界面处采用局部平均， 避免了计算过程对气泡形状的反复而复杂的修正，同时获得了更加精确 的界面形状。 采用自由网格和几何多重网格求解器对卧式螺旋管两相流流场进行 了稳态模拟。模拟表明，卧式螺旋管内的两相流截面含气率的分布随螺 旋周角的增大星三角函数规律分布，当体积流量增大时，由于湍流分散 力的作用，螺旋管内局部含气率的分布趋于均匀。 关键词：气液两相流；螺旋管：两流体模型：l e v e ls e t 方法 t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no f a i r - w a t e rt w o - p h a s ef l o w i nh e l i c a lp i p e l i n e s w a n g z h i g u o ( m e c h a n i c a ld e s i g n & t h e o r y ) a b s t r a c t t h eh e l i c a lp i p e l i n e sa r eak i n do f c u r v ep i p e sw i d e l yu s e di ne n g i n e e r i n g c h e m i c a l ，p e t r o l e u ma n dn u c l e a ri n d u s t r i e s t h ef l o wf i e l di sm o r ec o m p l e x b e c a u s et h ei n f l u e n c eo f t h e c e n t r i f u g a lf o r c ea n dt h eg r a v i t y t h et w o - f l u i dm o d e li sd e v e l o p e df o rt h ea d i a b a t i ct w o - p h a s ef l o wi nt h e h e l i c a lp i p e l i n e sb a s eo nt h ec o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s t h et w op h a s e s a r cg o v e r n e db yt h es e p a r a t ec o n t i n u i t ye q u a t i o na n dt h em o m e n t u m e q u a t i o n t h ei n t e r f a c ef o r c e si n c l u d i n gt h ed r a gf o r c e ，v i r t u a lm a s sf o r c e ，l i f tf o r c e a n dt u r b u l e n c ed i s p e r s i o nf o r c ea l ec a l c u l a t e di nt h em o m e n t u me q u a t i o n s t h et u r b u l e n tm o t i o no ft h ew a t e rp h a s ei se x p r e s s e dw i t hr e n o r m a l i z a t i o n g r o u p ( r n g ) k - et w o - e q u a t i o nm o d e l ， a n dt h el o wr e y n o l d sn u m b e ra r e a n e a r b yt h ew a l li ss i m u l a t e d 州t l lt h ew a l lf u n c t i o n t h ed i s t o r t i o na n dm o v e m e n tp r o c e s s e so ft h eb u o y a n tb u b b l ei nt h e v e r t i c a lh e l i c a lp i p e l i n e sa r es i m u l a t e dw i t i it h el e v e ls e tm e t h o d t h ef i e l di n t h eb u b b l e si sa l s oc o n s i d e r e da sp a r t so f t h es o l u t i o ns u b d o m a i nt oa v o i dt h e r e i t e r a t i v ea n dc o m p l e xc o r r e c t i o no ft h ei n t e r f a c es h a p ed u r i n gt h es o l u t i o n t h ei n t e r f a c eo f t h ea i ra n dw a t e ri sp r o c e s s e db yt h el o c a la v e r a g i n gm e t h o d t h ef r e em e s ha n dg e o m e t r i cm u l t i i 鲥ds o l v e ra 地u s e df o rt h es t e a d y - s t a t e a n a l y s i so ft h ef l o wf i e l di n h o r i z o n t a lh e l i c a lp i p e l i n e s t h es i m u l a t i o n s h o w st h a tt h ev o i df r a c t i o nu n e v e n n e s si st h et r i g o n o m e t r i cf u n c t i o no ft h e h e l i c a la n g l e a n dw i t ht h ei n c r e a s eo f t h ev o l u m ef l o wr a t et h ev o i df r a c t i o n t r e n d st oe v e l l n e s sb e c a u s et h ei n f l u e n c eo f t h et u r b u l e n c ed i s p e r s i o nf o r c e k e yw o r d s ：a i r - w a t e rt w o p h a s ef l o w ；h e l i c a lp i p e l i n e s ；t w o - f l u i dm o d e l ； l e v e ls e tm e t h o d 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得石油 大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同 志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢 意。 签名：王乏凼孔田年j ，月 ，j 一日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留送交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保 存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 学生签名：王壶划7 o 。7 年 r 月岁，日 导师签名：薹竺g 圭 州年 f 月，厂日 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 第l 章前言 1 1 引言 气液两相流广泛存在于石油、化工、动力等领域，气液两相作用力 是两相流研究领域极其重要的课题，也是存在气液两相流动的设备中进 行设计和确定相关运行参数( 如泵的选择及相关动力参数的确定等) 的 依据。 螺旋管是一种典型的空间曲线管，因能自由膨胀，可以有效的消除 工作过程中的温度应力，又大幅度减少了管子与管板的焊接，泄漏机率 小，可靠性好，且结构紧凑，传热效率高，具有自生的离心力场和二次 流，而且能有效推迟传热恶化的发生【l 】，因而在动力、化工、石油和核 反应堆蒸汽发生器中广泛应用，世界各国已把它作为快中子增殖堆、气 冷堆内蒸汽发生器的主要型式1 2 圳。螺旋管系统可以卧式放置，也可以立 式放置。当卧式放置时，螺旋管系统重心低、稳定性好，便于运载，且 传热效率高，因此特别适用于航海、航天技术中异型闭式循环热动力推 进系统；而在立式螺旋管中，由于重力与离心力夹角始终一致，使得立 式螺旋管的流动相对卧式而言则不是那么复杂【5 1 。据实验观察，作为一 种新型除砂及油气分离器，立式螺旋管要比卧式螺旋管效率高得多。目 前最先进的m k 5 0 型热动力推进鱼雷锅炉反应器、核反应堆一体化蒸汽 发生器及6 0 0 m w 超临界直流锅炉等均已采用这种管圈。航天及航海技 术中的热交换设备经常运行在不同的方向，因此对不同倾角放置螺旋管 内气液两相摩擦阻力特性的研究具有很高的学术及工程应用价值。 1 2 多相流动的特点 多相流动是一种比较复杂的流体运动形式，目前还没有很成熟的认 识，g b w a l l i s 称其为“不确定( i n s e c u r e ) 科学”。它的复杂性表现在气 体释放、液体气化、各相之间具有可变形的相界面以及界面分布状况的 不均匀等。因此，其物理特性及数学描述要比单相流复杂得多，表现在 以下几个方面： ( 1 ) 流型的多变性 单相流中只有层流和湍流之分，而多相流中，除此之外还要根据相 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第1 章前言 与相之问的相对位置、相对速度和相对温度划分为各种流型，并且各种 流型又会随流体的物理性质、边界条件、热负荷以及压力的不同而发生 变化。在同一根混输管路中，甚至会出现多种流型并存的情形。因此。 对多相流的分析、计算远比单相流复杂。 ( 2 ) 能耗增大 单相流中，若不计粘性损失就基本上可忽略能耗问题。但在多相流 中，即使忽略壁面边界层粘性损失也存在相间磨擦损失以及蒸发或冷凝 引起的能量损耗。所以，多相流能耗一般要比单相流大得多。对于能量 回收来说：如管路的上下坡段，单相液体在无摩擦损失的条件下可以回 收几乎全部能量。单相气体由于管路位置分布不同，可能会造成能量损 失，但它仍能回收相当能量。而多相流管路则完全不同，它在下坡段几 乎完全不能回收上坡段的能量。因此，多相流的能量损失有其新的特点， 这使得多相流的研究更加复杂。 ( 3 ) 相间相互作用强 单相流动一般不存在相问相互作用，但在多相流中相间的相互作用 是非常强烈的。比如油气混输管线中出现的段塞流就是由于气液单相之 间的剧烈扰动而产生的。就这种相互作用的大小而言，它与流体物性以 及外界条件有关。因此，很难建立一种一成不变的关系式来描述这类作 用。 ( 4 ) 物性变化临界值降低 单相流的物性变化通常较小，在两相流中由于至少存在两种成份或 状态，其物性将随容积比、重度比、温度等而变化，故多相流中必须定 义更多的物性参数。另外，当其中一相的容积率从无到有，从而形成两 相流时，将引起原临界量的急剧变化。例如，当液体中含有少量气体时。 其临界速度、临界流量将会大幅度下降，直到气量增加到一定程度后， 下降率才会开始变缓。 ( 5 ) 数学描述难度大 单相流中只有体积力，数学上较易描述。而在多相流中，相间摩擦、 传热、传质、化学反应等都发生在微元体内部，相互作用强，因此描述 这种现象的守恒方程( 动量、能量、质量和物性方程) 、辅助公式和定解条 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 件不仅数量多，形成复杂，而且方程组的非线性程度和耦合程度都大为 增加，这使得多相流的数值解法相当复杂，至今仍处于发展和研究阶段。 1 3 国内外研究现状 目前，国外已形成许多多相流研究中心。美国中西部2 0 多所大学与 阿贡国家实验室及工矿企业联合成立了多相流研究所，在日本成立了全 国性的多相流学会，学术活动十分活跃，涉及多相流问题的国际学术会 议平均每年十多次，刊登有关多相流学术论文的国际杂志已超过3 0 0 种。 近十年来，国内多相流及其传热传质特性研究也很活跃，召开了多次国 际学术会议及国内学术会议，我国台湾省及香港也已举办了两相流体力 学国际会议，中国力学学会、中国化学工程学会、中国工程热物理学会 成立了有关多相流的专业委员会。 在实验方面，1 9 7 1 年，a k a g a w a 对螺旋管内热水加热的f r c o n 工质 进行了研究，实验证实：单管较并联管容易发生流量漂移：1 9 7 7 年，n a r i a l 对螺旋管中水的沸腾流动进行了研究，实验指出：螺旋管入口节流系数 较大时，其稳定效果随之变得不明显，实验还得出了密度波脉动的两种 主要频率。1 9 9 3 年v a t a a a b e 等人应用嵌入式电导探针对立式螺旋管内的 气液两相流环状流液膜厚度进行了实验研究，实验证实：螺旋管内外侧 波类型有很大不同，且内外侧液膜厚度也不相同，螺旋直径对界面波没 有影响。 国内从8 0 年代到9 0 年代初期，在西安交通大学、浙江大学、大庆 油田及中国科学院力学所等单位均建立了相应的测试装置。西安交通大 学对立式和卧式螺旋管内气( 汽) 液两相流的二次回流、摩擦阻力、截面含 气( 汽) 率、气( 汽) 泡运动规律、流型及其转变规律、强制对流沸腾 传热及干涸后传热特性、临界热负荷、管束间流动与传热等方面进行了 全面深入系统的研究，拥有比较全面的关于螺旋管内两相流流动及传热 特性的研究成果，这在国际上处于领先地位。其中提出了“液膜影响区” 新概念，首次应用两相d e a n 数摄动法对螺旋管内两相环状流速度场进行 理论求解，同时应用激光测速仪测量了环状流液膜的局部速度分布，导 出了临界热负荷关系式及螺旋管干涸后周向壁温的分布，得出了干涸后 的传热特性，这样深入研究二次回流的机理及在高压下进行螺旋管内干 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 涸后传热特性研究，在国内外尚属首次。此外，提出了国际上第一张卧 式螺旋管内高压汽水两相流流型图，首次实现了高压条件下的可视化和 高速摄影测量。 从1 9 9 6 年开始，郭烈锦、李广军、于立军队冯自平 6 - m j 等在西安交 通大学动力工程多相流国家重点实验室对两种不同尺寸的卧式螺旋管进 行了油气两相流流型的实验研究。根据实验观察，不同周角处各流型的 细微特征及其转变条件尽管不同，但以近水平区段处的流型向安全型流 动结构的转变最为困难，因此作者只给出最后一圈出口近水平区段的流 型。由观察实验发现此位置有分层流、气弹状流、环状流泡状流4 种流型。 1 3 1 立式螺旋管内向下流动流型转变研究 立式螺旋管内向下流动的气液两相流动结构的分类基本上与水平管 和立式螺旋管内向上流动的流型相近，主要可分为分层流、波状流、柱 塞状流、弹块状流、环状流和分散泡状流等6 种流型。这里将柱塞状流 与弹块状流统称为间歇状流。是立式螺旋管内各典型流型如图卜1 所示。 4 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 冬髦一 i n 图卜1 立式螺旋管内各典型流型示意图 ( a ) 分层流；( 1 3 ) 波状分层流；( c ) 弹块状流； ( d ) 柱塞状流：( e ) 环状流；( f ) 分散泡状流 在立式螺旋管向下流动过程中不存在由波状流直接向环状流的转 变，这与向上流有些不同，可能是由于在液相流量不够大，气速也不够 高时，向下流动时液体流动较快，液层较薄，更难被卷吸到管壁上半部 壁面特别是顶壁所致。 同时，随着螺旋曲率直径比d d 的减小，分散泡状流转变发生在较 低液速下，低气速下分散泡状流转变液速随d d 变化不大，仅略有上升， 原因可能是低气速下离心力与重力的作用使小螺旋直径管内气液两相更 趋分离，由二次流紊流扰动引起的对抗分离作用在同样液速下较大螺旋 曲率直径比管圈要小，所以转变液速要求更高；随d d 减小，环状流区 域向较小气速方向移动，转变提前：而分层流区域随d d 减小而减小， 波状流区域则随d d 减小而扩大。原因是流动方向的急剧变化加强了气 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 液界面的动量交换，界面更易波动。 1 3 2 卧式螺旋管内环状流转变研究 b u t t e r w o r t h 分析了已有的研究工作，指出影响环状流的形成及其稳 定性的因素包括： ( a ) 表面张力的吸附作用使液体贴壁； ( b ) 主流中紊流扰动动强度及二次流的影响对液相颗粒的离散作 用； ( c ) 气液界面的波动与发展； ( d ) 气相中心流对液体界面的卷吸引起的夹带和中心气柱夹带液粒 向液膜或管壁面的再沉积。 t a i t e l 等人( 1 9 7 6 年) 假设两相流动的起始流型都是平稳分层流( 二 维) 。同时，气液界面上的波动只沿管长轴向传递，同一管子截面上同一 时刻的界面波波幅是相等的。据此建立了水平管内环状流形成的模型。 他们认为，当气速达到一定值时，分层气液流动界面要发生k e l v e n h e l m h o l z 不稳定性，这时流型将发生转变。 郭烈锦等( 1 9 8 9 年) 对卧式螺旋管内环状流形成的条件与转交特性 进行了试验与理论研究；全面系统地分析和讨论了导致转变发生的多种 机制及各因素对转变的影响，导出了转变的判别准则。 卧式螺旋管内的流体，沿管圈流动时，要经历由倾斜上升到倾斜下 降全周位的变化，流动方向的连续改变。致使作用在流体质点上的体积 力( 包括重力和径向离心力) 的大小、方向及作用机制也发生变化，固 此两相流体在卧式螺旋管内不同圆周角位置处的流型特征及其转变机理 都存在着差异。通过详细认真的观察和比较，试验结果表明：由于液相 重力的作用卧式螺旋管内上升流动的半圈常常积聚足量的液体，在上升 段的很大一部分区段充塞着液块，螺旋直径越大，充塞液块的高度也越 大，多数工况下，上升管段的壁面总是能得到液体的良好保护的，在上 升流动半圈内除了顶部( o = 1 8 0 0 ) 和底部( 肛o o ) 附近存在分层流动特 征外，其它位置处只存在混块状流动，分散泡状流或泡状流动和环状流 动3 种流型。下降流动的半圈情况则相差极大，在小动量下。两相介质 的流动惯性不足以克服上升流半圈内聚积液块的重力，上升半圈内部分 6 中国石油大学( 华东) 硕士论文第l 章前言 区段被液块充塞时，下降流半圈内大部分区段被气体所占据。随着两相 流速的增加，惯性动量的增大，整个管圈内始终有连续的两相介质流动， 这时下降流半圈内除垂直下降位置处呈环状或半环状形式流动外，其余 区段都以彼状分层流的形式流动。只不过在不同的周角位置液膜贴壁的 位置和厚度不同而已。液速进一步增加，在上升和下降各区段都出现典 型的块状或间歇状流动。在较小液速下层流液膜向干燥壁面的浸润，大 液量下的液桥被冲断以至夹带和卷吸而抛向壁面是形成环状流的重要原 因。观察表明，同一工况下上升半圈的液体流速较下降半圈要低，面液 膜厚度较大：下降半圈的截面含液率较上升半圈小得多，小液速下，液 量略有减小，这半圈上的稳定液膜就可能破裂而形成条状或带状；环状 流转变的最困难处总是在下降流动半圈内，而且转变发生的最迟位置随 工质流速变化而变化，小液量下，在0 = 3 1 0o 3 4 0 。圆周角区段的环状 流极难形成，较大液量下则在o = 1 8 0o 及0 = 0o 1 0 0 附近更为困难；不 同螺旋周角位置截面上液膜厚度呈不同的分布，同一截面上的液膜厚度 也是不均匀的，和一般观念不一致的是除了在顶部和底部以外，其它截 面上液膜厚度最小处不是在内、外侧壁面，而是在左、右两侧，这对传 热工况的分析很重要。试验表明，随着螺旋直径比d d 的减小，环状 流转变的气速减小，在d d 5 0 附近，趋势反向；卧式螺旋管内的环 状流形成较之水平直管和立式螺旋管要早得多。强烈的二次流扰动与主 流流向变化引起的搅混加剧了气柱中心液相的离散化，重力改变其本身 在水平管和立式螺旋管内始终起破坏环状流稳定性的作用机理，而变得 有利于液膜贴壁和周向均匀化等原因，促使了环状流转变在卧式螺旋管 内的更早发生。 通过对卧式螺旋管内环状流流变的诸多影响因素进行分析，有如下 的控制方程： 厂( o ，j g ，矾，w e g ，d i d ) = 0 ( 1 - 1 ) 式中 o ，嵋o 气相、液相折算速度，r o d s ； 以：娶黑翼尝：圪( 1 - 2 ) o r 2 瓦菊丽瓢叫一 7 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 矾= 岛瞄伺g ( 岛一& ) + ( 见瑶一以噶) c o s o c o s 口r i d ) ( 1 - 3 ) 式中d 螺旋直径，d - 2 r ，m ； d 管内径，m ； 卜螺旋升角，。： a 圆周角。 卧式螺旋管内，气液两相工质经历3 6 0 0 全周角的流向变化，其流型 及其转变特性都极其复杂；多种机理同时发生作用，并且在不同的周角 位置，导致环状流转变的主要机理也不尽相同。观察表明卧式螺旋管内 环流形成的最困难区域在向下流动半圈；定的液体流量对向下倾斜区 段的转变起关键性的制约作用；在近水平区段气流的卷吸和夹带对环状 流的形成起决定作用，因此，郭烈锦研究认为卧式螺旋管内全管圈环状 流转变的条件主要由液粒的横向抛移机理及主流夹带沉积机理所决定， 全管圈的转变应综合考虑上述两种作用。 1 3 3 卧式螺旋管内泡状流转变研究 泡状流动实际上有2 种类型：在主流液体流速很低时，其紊流强度 根本不足以将气相离散化，但气体流量极小，仍可观察到液体中携带有 稀疏孤立的小气泡的流型，可称之为泡状流，即b u b b l yf l o w 。在高液速 下，主流液体的紊流强度足够的大，紊流应力足以使得汽相分裂成较小 的类球形小汽泡以离散密集方式分布在液流中，同时紊流应力还起着防 止离散汽泡聚积的作用，这种流型称之为分散泡状流，即d i s p e r s e d b u b b l y f l o w 。这两种流型的区别并不是非常清晰可辨的，分散泡状流在整个倾 斜角范围内的管内流动中都可以观察到；而小泡状流则只出现在垂直上 升或垂直下降位置附近的流动中，并且只存在于管径相当大、干度极小 的条件下。 由小泡状流向弹块状流的转变需要气泡的聚结和长大，因此气泡密 集度的大小直接影响着小泡状流动的稳定性。m i s h i m n 和i s h i i ( 1 9 8 4 年) 对弹泡状流从一简单的几何分析中指出，魄= 0 3 即为小泡状流出现不稳 定转变的界限，但他们并未对小泡状流与分散泡状流加以区别。b a m e a 等( 1 9 8 7 年) 指出小泡状流存在应满足2 个条件： ( a ) t a y l o r 气泡的速度要大于小气泡速度，这一条件在大管径内能 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 得到满足。 ( b ) 管子偏离水平的倾斜角应足够大，可避免气泡漂移到管子的顶 壁。 陈学俊，郭烈锦，周芳德从单个气泡的运动与形状不稳定性条件出 发对卧式及立式向下流螺旋管内分散泡状流动的转变机理进行了分析并 提出了判定准则。通过对前人工作进行的总结和试验观察，郭烈锦提出： 分散泡状流动的转变机理在所有的倾斜位置基本一致，即紊流应力克服 浮力、表面张力及其它力的作用而使汽泡分裂并阻止聚积是分散泡状流 存在的主要条件。 卧式螺旋管内汽液两相流体要经历3 6 0 。全周角的流向变化，对整个 管圈而言上述两种泡状流动都是存在的，而离心力和浮力的结合使得问 题更为复杂 对于低液速下小汽泡状流的转变只出现在垂直位置附近此时含气 量也极小，对主流基本不起大的作用，卧式螺旋管内小泡状流发生转变 的条件与垂直管和倾斜管相同。 对于高液速下的分散泡状流，紊流应力起着破碎和离散气相成小汽 泡并阻碍其聚结的作用。在一定紊流强度下的主流液体中离散泡有一最 大稳定直径，大于该直径的气泡将由于紊梳扰动而破碎。据h i n z e ( 1 9 5 5 年) 对低密度离散泡的尺寸特征的研究结果及c a l d e r b a n k 对含气量对形 成的气泡尺寸的影响的研究结果，b a r n e a 提出了离散泡的稳定直径关系 式。在卧式螺旋管内，离散泡的运动特征除了所受紊流力的大小不同外， 与直管内并无多大区别。 当气泡尺寸足够大时将引起偏离球形的扰动，气泡合并的可能性 增大，从而发生偏离分散泡状流的转变。根据b r o d k e y ( 1 9 6 7 年) 的研 究，气泡发生变形与否主要受表面张力制约，其保持形状不变的临界直 径为： 厂、； = k i 旦_ ( i - 4 ) k w , 一p 1 1 9 ) 考虑浮力以及离心力对气泡的聚积、碰撞与合并长大的作用机理， 9 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 假设离散泡状流动的转变受制于如下两种过程。其中任何一种机理作用 下的结果达到了界限，则发生流型转变： 1 ) 大的变形气泡的自然聚结与合并长大； 2 ) 在水平位置附近气泡由于浮力和离心力作用而向管子顶壁的漂移 导致的聚合。 当紊流扰动强度所决定的气泡最大稳定直径矗。小于由表面张力和 汽泡内外压力等决定的维持形状不变的临界直径矗。时，汽泡离散化的 倾向强于聚合，分散泡状流动是稳定的，否则流型就会发生转变。 1 3 4 螺旋管气液两相流在石油行业中的应用 在海洋采油平台和水下生产系统中，由于操作空间和承载能力的严 格限制。要求所用的油气水分离器结构简单、体积小、重量轻、分离效 率高、安全可靠、能适应多相流各种流态。因此，小型、高效、快速油 气水分离设备的研制，成为国内外海洋石油行业的重点研究目标。 在中国科学院与中国海洋石油总公司“十五”重大科技合作项目支 持下，力学研究所吴应湘研究员领导的应用流体力学研究小组提出了结 合离心、重力、膨胀、振动等多种分离原理于一体的复合式高效分离油 气水技术方案，并建成了相关的实验装置。现已对不同粘度、不同油气 水混合比条件下的多相流体在螺旋管中进行了大量实验1 1 7 1 9 1 ，其性能指 标达到中国海洋石油总公司提出的技术要求，证明这一新型分离器技术 方案的可行性。 图1 1 螺旋管油气分离器模型1 2 0 j o 中国石油大学( 华东) 硕士论文第l 章前言 1 3 5 螺旋管气液两相流研究的趋势 对于螺旋管内气液两相流的研究，未来研究的内容仍应包括基础理 论、实验模拟和数值模拟三个方面，当前的发展趋势大致是： 在两相流基础理论研究方面，趋向于利用数学模型进行工况模拟， 再以较少的试验结果去验证和修正，使之部分地代替试验研究，并取得 更广泛的研究效果。 在气液两相流实验方面，需深入研究气泡运动、喷雾和液滴运动、 两相流声波及激波的传输；研究两相流湍流、相界面传输、多组份两相 流、微重力场两相流：研究两相流不稳定性、瞬态条件两相流；研究受 热沸腾临界热负荷、干涸后传热、传热恶化、瞬态传热等：以及研究多 孔介质两相流及沸腾传热、射流冲击传热、相分离机理等。 在数学模型与数值计算方面，建立多相流理论模型、基本控制方程 与闭合条件、离散化方法及离散化方程求解、计算程序等；建立多相流 诊断技术及专家系统。在机理性研究的基础上，发展包括影响因素比较 全面、预测结果比较准确的大型成套两相流与传热应用软件为工程设 计和自动控制等提供依据。加强基础理论与工程应用相结合的研究，也 是目前多相流动研究的一个重要方面。 1 4 课题研究的目的及意义 对管内流动，至今有关直角坐标系下直管模型和算法的研究较多， 而对用直角坐标描述较为困难的螺旋管等对象，相应的模型和数值方法 研究则少见报道，而且相关报道多采用了一维或者二维假设【2 “2 2 1 ，忽略 了螺旋管两相流动的大量信息。 同时，工业设备中所采用的u 型、j 型、蛇型及微波浪型管式换热 设备都有9 0 0 及18 0 。弯管段，其传热及流动特性与螺旋管是相似的；且 当螺旋管的螺旋直径变成无穷大时即成为水平管；当螺旋管节距变成 无穷大时，即成为垂直管，因此该类型装置的研究具有普遍意义。 1 5 研究方法计算流体力学 1 5 1c f d 数值模拟原理 n a v i e r - s t o k e s 方程精确描述了自然界流体流动现象，但是绝大多数 工程流体都属于高度非线性的，无法通过解此微分方程得到解析解。随 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 着计算科学与工程( c o m p u t a t i o n a ls c i e n c ea n de n g i n e e r i n g ，简称c s e ) 的日 益发展，人们试图通过数值方法直接求解各种控制方程，工业也要求用 数值模拟手段解决各种设备及过程的设计与模拟，从而形成和发展了计 算流体力学( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ，简写为c f d ) 这一学科分支。 计算流体力学的原理是用数值方法求解非线性联立的质量、能量、组分、 动量和自定义的标量的微分方程组。经过近几十年的发展，计算流体力 学日益成熟，一个主要的标志就是各种c f d 通用商务软件陆续出现，专 门用来进行流场分析、流场计算、流场预测田j 。除了应用于航空、航天、 船舶、水利方面外，应用的范围逐步扩大到化工、冶金、建筑、环境、 食品等相关领域【2 4 j 。通过c f d 软件，可以分析、显示流场中的现象，在 较短时问内预测其性能，并通过改变各种参数，达到最佳设计效果。c f d 的数值模拟，能使我们更加深刻地理解问题产生的机理，为实验提供指 导，节省实验所需的人力、物力和时间，并对实验结果的整理和规律的 得出起到很好的指导作用。 1 5 2c f d 数值模拟的步骤 c f d 是用计算数学将对流场的控制方程离散到一系列的网格节点上 求其离散的数值解的一种方法。其模拟的主要步骤为：首先选择建立过 程的基本方程和理论模型，依据的基本原理为流体力学、热力学、传热 传质等守恒定律：其本构方程为连续性方程，动量守恒方程，能量守恒 方程。其次确定计算域，并给定计算域的进出口条件和边界条件，由流 体的流动假设使本构方程封闭；然后对封闭的一系列方程组进行离散化， 选择合适的方法求解；最后针对本实验和模拟结果，反复修改模型及解 法，直至得到合理满意的结果【2 5 1 。c f d 模型应该包括如下几个方面的内 容： l 、本构方程，包括连续性方程、动量守恒方程、能量方程等； 2 、湍流模型，与层流不同，必须考虑流体单元的脉动速度，从模型 的构建及求解过程来看，其实质是寻找由于脉动而引起的运动粘度的表 达式； 3 、多相流模型，对于多相流模拟，除了简单的湍流模型外还要寻 求各相问的运动规律及相间作用力的规律； 中国石油大学( 华东) 硕士论文第l 章前言 4 、模型的求解数值解法计算时，必须选择好的差分格式、松弛 因子、时间步长等，以便占用较少的c p u 计算时间获得收敛的结果。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章螺旋管气液两相流两流体模型 第2 章螺旋管气液两相流两流体模型 气液两相流与传热研究发展至今，由于问题的复杂和实验的艰难昂 贵，人们已深刻认识到：仅靠实验是难以快速并全面地了解掌握两相流 运动规律的。需要建立数理模型及结构关系体系，借助数值模拟方法来 减少实验规模和次数，更准确系统地把握现象及过程发展的规律，以指 导实践。 2 1 气液两相流物理模型 从连续介质力学出发。人们已对气液两相流建立了均相流模型、分 相流模型、漂移流模型和两流体模型等物理模型。 2 1 1 均相流模型 均相流模型( h o m o g e n e o u sf l u i dm o d e l ) 把气液两相流混合物看成均 匀介质，其流动的物性参数取两相介质的相应参数的平均值。均相流模 型的建立主要依靠了两个基本假设： ( 1 ) 气相和液相的实际速度相等，从而推导出了滑差、滑动比均为 零，真实含气率与体积含气率相等，真实密度与流动密度也相等等一系 列简化结论。 ( 2 ) 两相介质己达到热力学平衡状态。压力、密度等互为单值函数。 均相流模型的守恒方程形式上与单相流的相同，只是在一系列结构 关系式中才给出两相流的特征。这种数学模型求解简单，对于流速较高 或两相介质均匀混合的情况( 如泡状流和雾状流) 具有较好的计算精度； 但是由于这种模型回避了两相介质之间的相互作用，对两相介质非均匀 混合的情况误差较大：对于弹状流和段塞流，需要进行时间平均修正； 对于层状流，则误差较大。但是，由于均相流模型计算简单，使用方便， 因而在工程中大量的气液两相流动计算图表目前都是用均相流模型作出 的。 2 1 2 分相流模型 分相流模型( s e p a r a t e df l u i dm o d e l ) 把气液两相流动看成是气、液相 各自分开的流动，对两相给出质量、动量和能量守恒方程，并考虑了气、 液两相间的动量、能量和质量交换，可以反映各种物理现象的内在机理， 1 4 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章螺旋管气液两相流两流体模型 所以从原则上说这种模型可以描述两相流的各种复杂工况。分相流动模 型认为每相介质都具有其平均流速和独立的物性参数。因此需要建立每 一相介质的流动动力特性方程式，这就要求预先确定每一相占有的过流 面积份额( 即真实含气率) 以及介质与管壁的摩擦力以及两相介质之间 的摩擦力。同时由于场方程数目多，还要补充许多结构关系式，所以求 解困难，运算量大。此外，由于对某些规律，特别是两相交界面处的规 律认识还不够，有些结构关系式难于准确建立，从而使这种完善的数学 模型的精度受到影响。分相流动模型主要依据以下两个基本假设： ( 1 ) 两相介质分别有各自的按所占面积计算的断面平均流速； ( 2 ) 虽然两相介质之间可能有质量交换，但两相之间是出于热力学 平衡的，压力和密度互为单值函数。 在分相流模型中考虑了两相界面上的机械能损失，两相之问的相 互做功以及两相之间的热量和质量交换，所以能量方程式较动量方程式 复杂得多。因此在分相流动的研究中，多倾向于使用动量微分方程式。 但是能量方程式的有利之处在于它不必考虑在向上流动的环状流和塞状 流中有时会在管壁上出现的液相倒流现象，而这在动量方程中则是必须 要注意的。 2 1 3 漂移流模型 ， 漂移流模型( d r i f t - f l u x m o d e l ) 是由z u b e r 和f i n d l a y 针对均相流模型、 分相流模型与实际的两相流动之间存在的偏差而提出的特殊模型【2 6 1 。在 均流模型中，没有考虑两相问的相互作用，而是用平均运动参数来模拟 两相介质。在分流模型中，尽管在流动特性方面分别考虑了分相介质以 及两相界面上的作用力，但是各分相的流动特性仍然是孤立的。丽在漂 移流动模型中，既考虑了气液两相之间的相对运动。又考虑了空隙率和 流速沿过流断面的分布规律。漂移流动模型是以描述气泡分布和气、液 相对滑移的两个结构参数为基础建立起来的。从整体上，它具有均匀流 模型的特点，求解简单。而同时又可以表现两相流的局部特性。这种模 型在许多场合可以得到相当满意的结梨2 7 】。 z u b e r - f i n d l a y 漂移模型用代表两相介质横向分布的量c 0 和代表两相 之间局部相对速度的量v 。来描述两相流的特征，其分析的重点在于相与 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章螺旋管气液两相流两流体模型 相之间的相对运动，而不是各相自身的运动。漂移模型的一般形式有五 个场方程( 两个质量方程、两个能量方程和一个混合动量方程) 和一个用 于描述两相间相对运动的动能方程。这里假设两相处于相平衡，即相当 于预先规定了一个相温度，从而可以减少相间能量交换的结构性条件， 并可省去单相介质的能量方程，质量方程也以混合物平均的形式给出， 则模型为只包含三个守恒方程的混合物漂移模型。 当使用漂移流动模型确定真实含气率时，必须知道分布系数和漂移 速度的加权平均值( 或气相漂移流率的断面平均值) ，由于气液两相流动 的复杂性，这三者的计算目前主要是根据经验公式。 漂移模型就有较普遍的适用性，在某些场合，如弹状流时使用这个 模型效果相当好。 在这四种模型中，两流体模型较完善地考虑了相界面上的质量、动 量和能量交换，结合适当的结构关系式，可取得很高的计算精度，已成 为多数通用软件的首选【2 s j 。 2 2 两流体模型的基本原理 对于气液两相流动，两流体模型是最易接受的一种模型，两流体模 型是以连续介质力学为基础，针对两相分别写出质量、动量和能量守恒 方程，通过考虑相变和各个方向上界面动量与能量传递，用时间平均框 架发展起来的。在这种模型中气液两相均被看作连续介质。通过相间相 互作用( 质量、动量和能量的交换) 来耦合。其基本思想是将整个流场 看作两种流体各自的运动及相互作用的综合，且假定： 两种流体共存。可以理解为在一个有限空间单元中，两种流体各 占一定体积，也可以理解为在一个空间位置上两种流体各以一定的几率 出现。两种流体共存的概念实际是在一定的时间间隔和一定的空问范围 内平均的概念，因为在积分区域离散化的过程中，时间步长和空间网格 都是有限大小的，所以数值分析中的量实际上就是有限时间、有限空间 内的平均值。 将两种流体当作可以互相渗透的连续介质处理，它们的运动规律 遵守各自的控制微分方程。为了把多相流定义为相互渗透的连续相，两 流体模型中引入了相体积分率的概念，体积分率用吼( k = ，g ) 表示。 1 6 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章螺旋管气液两相流两流体模型 体积分率代表每个相所占的空间体积。 两相之间可能存在着质量、动量和能量方面的相互作用。如液体 的蒸发或者蒸汽的凝结会导致两种流体之间的质量交换：气体与液体之 间的阻力等作用力会导致两种流体之间的动量交换：两种不同温度的流 体相互接触会导致两种流体间的热能交换等。 这种方法不必引入其它人为假设，而且对两相流的种类和流型没有 任何限制，适用于可当作连续介质研究的任何二元混合物，所建立的两 相流方程式目前最为全面完整，求得的解中包含的信息丰富完全。但是 两流体模型包含的变量多，方程复杂，因此求解比较困难。 2 3 螺旋管气液两相流两流体模型的建立 流体流动和传热过程都受最基本的三个物理规律的支配，即质量守 恒、动量守恒及能量守恒。三个守恒定律的数学表达式偏微分方程 也称为本构方程。由于本次模拟所选用的介质为常温绝热流动，故能量 方程可以不予考虑。 2 。3 。1 质量守恒方程 。 液相质量守恒方程： 警+ v 【( 1 一口) 舟露】- 吨 ( 2 1 ) 式中源项s 。是从液相到气相的质量增量( 主要是由液体的蒸发造成的) 。 式( 2 1 ) 即为两流体模型连续相质量守恒方程的一般形式，也称连 续性方程，对于不可压缩流体的绝热流动，有： f p ，= e o n s t 1s：0(2-2) 式( 2 1 ) 可以简化为： v 【( 1 - a ) v , 】= 0 ( 2 3 ) 同理，气相质量守恒方程可以写为： v陋匕】=0(2-4) 2 3 2 动量守恒方程 液相动量守恒方程： 1 7 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章螺旋管气液两相流两流体模型 昙【( 1 一口h e 】+ v 【( 1 一口h e 厉】0 口) 即，+ ( 1 一口h 季+ v 亏+ i ? ( 2 5 ) 式中：亍剪应力张量：i s h i i 2 9 l 建议用下面的方程对该项进行模化： 亍= 物扣l ；) + ( v 咿】+ 五1 己i 1 【( 诵婀玎】 ( 2 - 6 ) 式中 物一一有效粘性系数，p a s 。 厶单位体积内相界面面积的大小，m 。 玩相界面上的速度脉动值，r i d s ； 噍相界面的单位梯度向量。 只有当相界面上流体的速度和平均速度相差很大时，即相界面的形状波 动很大时，花括号内的第二项才会对计算结果产生较大的影响。在这次 计算中。这一项的影响可以忽略，即： 手= 打【( v 巧) + ( v 露) 7 】 ( 2 7 ) 式中? 一一作用在液相的界面力， 对于液相的有效粘性系数，一般表示为： p 唾2 p p t 其表达式将在2 4 节中给出。 ( 2 8 ) 式中 鸬一一液相湍流粘性系数，p a s 对于气相而言，分子粘性力与压力梯度和相间作用力相比比较小， 因此v t 项可以忽略，则气相动量守恒方程可以写成： a ， 一、一一 一d 云b 匕j + v 。( d 致) = 一a v p g + a p g 营+ f g ( 2 9 ) 2 4 界面力封闭 在气液两相混合物体系中，存在着相间作用。故采用两流体模型时， 需要解决的一个关键问题是给出正确的相间作用力模型。两流体模型描 述两相流时，每一种流体都用流体力学的方式将其连续介质化。流场中 任一点都同时存在两种组元，两种流体各自按自己的规律运动。由于它 们存在于同一空间中，它们之间有相互作用，而且也只是作用于微元内 的相界面上。抽象化后，在两流体模型中，这种相互作用也被均布到整 1 8 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章螺旋管气液两相流两流体模型 个微团内。因此在两流体模型的基本方程中，其附加项不仅是由于两相 各自的速度、压力及气含