油气混输管道流动特性研究.doc

39油气混输管道流动特性研究油气混输管道流动特性研究摘 要在石油工业中，通常石油和天然气是一同生产出来并以混合物的方式进行输送。混合物在管路中流动时，不同参数的变化，形成许多不同的流型。不同的两相流态具有不同的动力学和传热特性，因而进行流态分析对两相流的理论研究与参数测量非常重要。 本篇论文主要介绍了气液两相流型的分类以及主要的研究方法，利用数值模拟软件FLUENT对管道内气液两相流态进行模拟分析。 参照对两相流动的特点的分析，分析FLUENT软件中多相流模型的使用特点，选定了用于模拟多相流在管道中流动的模型VOF模型。采用非稳态、隐式分离求解算法进行数值计算，对管道内流型进行分析。 模拟结果表明：VOF模型可以用来模拟多相流流型中的分层流、波浪流、气泡流、气团流、段塞流以及环状流；液量不变、气量增加条件下以及气量不变、液量减少条件下流型的变化趋势与理论分析相同。将油气两相模拟结果与Bfill流型图进行对比可知基本吻合。 关键词：两相流，流型，数值模拟，FLUENT Study on Flow Pattern ofTwo phase Flow Oil-gas Mixture Pipes ABSTRACT In the petrolemn industry，oil and natural gasar e generally produced at the same time and sent in the form ofmixture When the mixture flows in pipeline，different flow patterns will be formed varying with various parameterschanges The dynamics and heat transfer characteristic is different for different flow patterns of multiphase flowTherefore it is very important to study the flow regimes for the theoretical research of multiphase flow and the measurement of parameters Paper introduces the flow patterns of oilgas flow as well as the major research method，and simulate the flow regimes in pipeline with numerical simulation software FLUENT Through analyzing the characteristics of multiphase flow and the features of use of the multiphase models in FLUENT，the VOF model is selected to simulate the flow regimes of multiphase flow in pipePaper uses the unsteady，implicit，segregated slover to carry out the numerical calculation and does the qualitative analysis for the flow patterns in pipes The simulation results show that VOF model can be used to simulate the stratified flow, stratified wavy flow, bubble flow, plug flow, slug flow and annular flowUnder the condition that gas flow increases or liquid flow reduces，changes of the flow pattern are the same as experiment conclusionsComparing oil-gas flow with the Brill Flow Pattern figure，we know that it is approximately consistent respectively KEY WORDS：Two-phase Flow, Flow Pattern，Numerical Simulation，FLUENT目 录摘 要IStudy on Flow Pattern ofIITwo phase Flow Oil-gas Mixture PipesIIABSTRACTII第一章 绪论31.1 背景及研究目的和意义31.2 本课题领域的研究概况31.2.1 气液两相流动特性的研究31.2.1.1 气液两相牛顿流体流动特性研究41.2.1.2 油气两相非牛顿流体流动特性研究51.3 技术路线和理论依据7第二章 流体动力学数值模拟82.1 数值计算软件的选取82.2 多相流模型及模型计算原理92.2.1 VOF模型92.2.2 混合模型102.2.3 欧拉模型102.3 边界条件的确定112.3.1 入口、出口边界112.3.2 壁面及内部边界条件122.4 湍流模型122.4.1 湍流模型的选取122.4.2 定义湍流参数122.5 解算器的选择及网格划分142.5.1 选择解算器的具体格式142.5.2 网格划分142.6 可压缩流体流动模拟原理152.6.1 可压缩流动基本概念162.6.2 可压缩流动的基本方程162.6.3 可压缩流动模拟的参数输入162.6.4 可压缩流动求解注意事项172.6.5 求解非定常问题的步骤172.7 本章小节18第三章 数值模拟计算结果及其分析193.1 煤油和空气两相流数值计算结果分析193.1.1 空气的流速变化对流型的影响193.1.2 液体(煤油)的流速变化对流型的影响263.1.3 管径的变化对流型的影响333.2 本章小结37致 谢38参考文献39第一章 绪论1.1 背景及研究目的和意义 油气管道运输是用管道作为运输工具的一种长距离输送液体和气体物资的运输方式，是一种专门由生产地向市场输送石油、煤和化学产品的运输方式，是统一运输网中干线运输的特殊组成部分。管道运输石油产品比水运费用高，但仍然比铁路运输便宜。大部分管道都是被其所有者用来运输自有产品。油气管道运输的主要优点可概括为：运量大、占地少，管道运输建设周期短、费用低。运输安全可靠、连续性强。管道运输耗能少、成本低、效益好。油气混输是当下普遍应用的油气管路运输方式。由于两相流体形态的特殊性，在不同管径、管网布置、流速、油气混合比例下，对整套运输系统的损害程度不同。因此，为了使管道运输系统得到最低伤害并延长其使用寿命,降低维修成本，对石油和天然气输送管道、混合流动特性进行研究和分析。混合料运输的普遍性使得油气混输管道在分析流态方面显得十分必要。石油和天然气的两相流是较为复杂的流动现象，其参数变化将形成许多不同的流型。在工程应用中，气液两相流动压降、界面相份额、传热传质速率、界面稳定性都和流型有着密切的关系。只考虑流型影响的前提下，两相流的研究才能实现足够的精度，基于不同的结果的流型分析计算才可以达到最高的准确性。两相流流型能否准确客观的识别是实现油田气液两相流精确、高效、可靠的生产和技术进步的重要前提。因此，客观上要求对各种流型要有准确的认识。如果采用FLUENT软件对水平管道内的油气两相流动特性进行模拟研究，从中得到了流场分布及其他有价值的参数，这样的话，在设计直径、管网布置、速度、石油和天然气的混合比例的时候，有了直观的参考条件，就会最大程度上减轻了运输的损害程度，使得效益最大化。实际的油气混输过程中，管路的走向较为复杂。本文本着为实际操作提供理论依据的思路，对应用最为广泛的水平直管道进行了研究分析，倾斜管道、垂直管道及其他特殊形态未予分析。1.2 本课题领域的研究概况1.2.1 气液两相流动特性的研究气液两相流用来描述在同一流量系统中同时存在气体和液体两流介质流动现象。气液两相流与单相流重要区别是流动的每个阶段之间存在分界面，并且各阶段的界限和形状随时间的分布、空间、流动而变化，随着流量、物性、管道的几何尺寸、位置等因素的变化，会呈现出多种流动形态。流型是描述气液两相流系统的基本要素之一，在气液两相流的研究和工程应用都有重要的意义。对不同流型的成因和特点的认识，是研究两相流理论和规律的重要组成部分，也会影响到两相流其他的研究。被广泛认可的气液两相流分析方法主要有以下三种。第一种是经验方法，即从物理概念进行分析，用得到的基本微分方程式描述一个两相流的无因次参数，再根据实验数据得到经验公式。第二种是半经验的方法，即根据研究过程的特点，在适当的条件下，从两相流的基本方程描述这个过程的函数形式，然后根据实验结果得到的方程中获得经验关系式。第三种方法是首先区分气液两相流的流型，然后根据各种流型的特点，分析了其流动特性，建立方程。一般来说，最后一种方法是建立在两相流实质性特点的基础上进行研究分析，更具有推广意义。1.2.1.1 气液两相牛顿流体流动特性研究 (1)气液两相牛顿流体流型划分有关气液两相流研究分析多数是重力条件下的气体和牛顿液体(空气一水)的两相流流型和流型图，特别是在水平和垂直上升管流型、流型图的研究相对较为完善。重力的作用引起流动的不对称性,使得垂直流动流型比水平管内更复杂。所以液体堆积在管道下部的流体中，两相流流型变得更加复杂。两相流流型的定义目前并没有统一的标准，综合分析研究认为，随着气体流量的增大，液体流量水平管道类型大致分为：泡状流(Bubbly Flow)；气团流(Plug Flow)：分层流(Stratified Flow)；波浪流(Wavy Flow)：段塞流(Slug Flow)；环状流(Annular Flow)；弥散流(Spray Flow)等。泡状流和弥散流属于分散型，团状流和段塞流属于间歇型，而分离型包括层状流，波浪流和环状流。 很多研究者对气液两相流进行了研究，Shoham(1982)提出将水平管中的气水两相 流流型分为6种，如图1-1所示。 图1-1气液两相流水平管流型【3】Kokal and Stanislav(1989)所得到的流型比较详细，基本囊括了多数研究者所提到的所有流型，他把流型划分成了三个基本的区域：液体控制，气体控制和间歇的流动。其中液体控制的流动分为：分散气泡流和分散泡沫流(Dispersed Bubble and Froth，DBI)；气体控制的流型分为：分层光滑流、分层波浪流、环状管壁流(Annular Wall，AW)和状流型；间歇流型分为：狭长气泡流(Elongated Bubble，EB)、携带分散气泡的狭长气泡流(Elongated Bubble and Dispersed Bubbles，EDB)、段塞流和段塞泡沫流型(Slug Froth，SLF)。 Bamea等学者从多相流连续性出发进行流型划分，按介质形态划分为连续(eontinuous)、间断的(intermitent)、弥散的(dispersed)。这种划分考虑介质连续性，既可以把两相流问题与单相流流体力学理论联系起来，又能将不同流型归结为较少几种模式，相互之间有比较明确的区别特征，简化了研究对象，方便了气液两相流的应用。 Bamea将流型划分为：分层流(分层光滑流和分层波浪流)、间歇流(团状流、段塞流和搅动流)、环状流、泡状流和分散泡状流。 (2)气液两相牛顿流体流型图 对于流型的研究，起初都是通过实验的方式进行的。直到现在，流型的可视化研究依旧是流型研究的最直接最有效的方法。用实验的方式归纳适用于不同条件下的流型图，对于流型的预测有很大的作用，也方便使用。尽管目前众多人对于气液两相流流型判断的理论方法都进行了研究，但是由于对流动机理缺乏深入的了解，所建立的理论模型常常存在较大的误差。如今大多数的流型图都是在绝热常压的条件下得出，应用时不能超出该流型图实验范围。目前存在以下几个问题：通用流型图大多采用二维坐标，主要是由气相和液相等几个参数决定的，忽略其它影响因素，使得流型图确定流型的准确性受到影响，尤其在流型转换区域特别明显；大部分流型图所依据的实验数据来源于空气一水流动，流型图适用范围有限；不同研究者得出流型图多数不一致，存在很大差异，表明对流型形成机理的研究处于经验阶段，把所有的流型统一到一个流型图是不可能的。1.2.1.2 油气两相非牛顿流体流动特性研究气体一非牛顿液体的两相流动，是上世纪中叶兴起的一个研究领域。在石油工业中是经常遇到的，在油气集输中，油井所生产的油气或者油气水混合物，其流变性呈现屈服应力或剪切稀释的特点，属于非牛顿液体。因此对石油工业而言，气体非牛顿液体的两相管流研究是十分重要的。国内外众多学者对气体一非牛顿液体的两相流动进行了研究，Baker流型图早在 1954年就发表于Oil&Gas Journal，但早期的计算两相压降并未考虑流型的影响。国内学者对气体一非牛顿液体两相流的研究是近几年才开始的。以大庆石油学院陈家琅教授为代表的一批学者对这一领域进行了较深入的研究，其研究成果对国内油田解决集输问题提供了很大的帮助。尽管世界上众多学者都进行了大量的研究，但是他们多采用聚丙烯酰胺水溶液(PAM)和羧基甲基纤维素水溶液(CMC)之类的聚合物水溶液作为液体介质，而对于高粘度液体气液两相流的实验数据十分匮乏。而且，至今尚未得出不同流型下较为准确的压降计算方法。我国的气体一非牛顿液体两相流的研究，近年来取得了长足的进步，但依旧存在众多缺陷。比如在考虑液相的非牛顿性质时，一般总认为是幂率液体，这是不全面的。从总体上说，还需要对气体一非牛顿液体两相流进行更深入的研究。(1)油气两相非牛顿流体流型划分 气体一非牛顿液体的两相流动，是上世纪中叶兴起的一个研究领域。在油气集输中，油井所生产的油或者油水混合物，其流变性呈现屈服应力或剪切稀释的特点，属于非牛顿液体。因此对石油工业而言，气体非牛顿液体的两相管流研究是十分重要的。199394年，陈家琅等人连续发表文章，对气体与液体两相水平管流的压降和持液率提出了一个综合的流型模型。认为流动型态是决定两相管流压降规律的重要因素，并且对不同流型的流动机理和特点进行了探讨，给出了不同的压降计算方法和统一的持液率计算式。作者将流型分为六种：泡状流、层状流、波状流、团状流、冲击流和环状流，给出了流型图和流型分界线的回归方程。(2)油气两相非牛顿流体流型图 Brill用空气一煤油、空气一润滑油为介质，在管径38.1毫米的管路内，进行了倾角对流型影响的试验。流型图如图1.1所示。他认为有的学者把流型分得过细，而某些流型事实上仅存在于很狭小的区域内，它们与其它流型的差别并不显著，也难客观地进行辨别。因此，他主张把流型只分为气泡、分层、段塞、环状流四种。通过试验，Brill得出一组以无因次准数表示的，适用于各种倾角的流型分界相关式，流型的判别中，考虑了粘度、密度、表面张力对流型的影响。图1-2水平管道空气一煤油Brill流型图51.3 技术路线和理论依据为了更好掌握油气混合两相流的流型划分和流动特性，采用fluent数值模拟软件，采用理论和软件模拟相结合的方法，并结合现有的相关技术和研究成果对这一课题进行深入研究。总体的研究思路是：借鉴国内外最新的研究成果，用数值模拟分析的方式进行流型分析，通过分析模型的准确选取和边界条件的准确设置对流型进行准确的分析划分。通过本课题的研究，希望能够对油气混输两相流有一个较为深入的了解，希望所得数据及分析结果对实际操作当中管路设计、管网布置、流速及各相体积分数的选取有所帮助。另外，FLUENT模型理论模拟流型的研究作为比较新的方法运用，这种方法是否正确和如何完善，仍然有待大量的试验等方式去验证改进。 第二章 流体动力学数值模拟 随着有限元理论的不断发展，用数值方法模拟分析已能够准确的进行流量特性的数值模拟。目前，先进的流体力学分析软件FLUENT不仅可以模拟复杂二维或三维流场的压力、温度、速度等的分布情况，也可以由质量守恒、动量守恒和能量守恒方程的速度分量、压力和温度得到许多出口的结果。如马赫数、总压、流动和传热系数的函数。此外，该软件还还可以用湍流态方程来模拟湍流流动。2.1 数值计算软件的选取 计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics，简称CFD)是建立在经典流体动力学与数值计算方法基础之上的一门新型独立学科。通过采用数值计算方法直接求解描述流体运动基本规律的非线性数值方程组，经过计算机数值计算和图像显示，在时间和空间上定量描述流场的数值解，从而达到对物理问题研究的目的。CFD的基本思想可以归结为：把原来在时间域及空间域上连续的物理量的场，用一系列有限个离散点上的变量值的集合来代替，通过一定的原则和方式建立起关于这些离散点上场变量之间关系的代数方程组，然后求解代数方程组获得场变量的近似值。Fluent的软件设计基于“CFD计算机软件群的概念”，对每一种物理问题的流动特点，采用适合它的数值解法，选择显式或隐式差分格式，在计算速度、稳定性和精度等方面达到最佳。Fluent将不同领域的计算软件组合起来，成为CFD计算机软件群，软件之间可以方便地进行数值交换，并采用统一的前、后处理工具，省却了科研工作者在计算方法、编程、前后处理等方面投入的重复、低效的劳动，可以将主要精力和智慧用于物理问题本身的探索上，高效率地解决各个领域的复杂流动的计算问题。计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics，简称CFD)是基于经典流体动力学数值计算方法基础上的一门新型的独立学科。利用数值计算方法直接求解描述流体运动基本规律的非线性数值方程组。提出了非线性数值通过计算机数值计算和图像显示，在时间和空间上的定量描述流场的物理问题的数值解，从而达到研究的目的。CFD的基本理念可以归结为：在时间域和空间域上连续的物理量的领域，具有一系列的离散点一组数量有限的变量的参数值，通过一定的原则和方法，能够建立关于这些离散点之间的关系，然后通过变量求解线性代数方程组得到近似变量。Fluent软件设计基于CFD计算机软件群的概念”，对每一种物理问题的流量特性都可以找到适合于它的数值解法。通过选择显式或隐式差分格式，使得计算速度、稳定性和精度达到最佳。Fluent将不同领域的计算软件整合起来，成为CFD计算机软件群。该软件可以轻松进行数值交换，并利用数值统一的前、后处理工具,省却了科研工作者在计算方法、编程、处理前后的重复、低效率精力投入。就可以将主要精力放在物理问题的探索，有效解决复杂流本身的各个领域的计算问题。总而言之，FLUENT软件具有很高的精度和较快的收敛速度，可以模拟亚声速，跨声速和超声速流动的很大范围内的可压缩流动。对于模拟复杂流场结构的可压缩流动来说，FLUENT是很理想的软件。2.2 多相流模型及模型计算原理在气液两相流的数值模拟三种基本模式：第一种模型将气液两相介质看作一种混合流体，也就是所谓的的单相流模型；第二种将气液两相作为独立和相互作用的两种流体，称为双流体模型；第三种流体将(液体或气体)为背景,将另一项流体离散粒子分布作为背景流体中的液体或微粒，利用欧拉法在研究背景流体，采用拉格朗日方法对流体的运动颗粒相进行跟踪，被称作欧拉一拉格朗日模型。相对于欧拉一拉格朗日模型,将前面的两种模型，即前面单个流体和双流体模型，统称为欧拉一欧拉模型。气液两相流计算中常用的模型包括离散相模型(Discrete Phase Model，DPM)、混合物模型(Mixture Model)、欧拉模型(Eulerian Model)、VOF模型(Volume ofFluids)、Level Set模型等。离散相模型主要用于液滴流和气泡流计算。这个模型假设液滴或气泡(后面统称为颗粒)的体积不能过大，而且大体上均匀分布于离散相中，即颗粒的局部体积浓度比要小于10。离散相模型属于欧拉一拉格朗日型模型。在计算液滴流时，气体是连续相，液滴是离散相。离散相模型就是通过大量液滴的计算模拟大量液滴的运动。混合物模型和欧拉模型都是欧拉一欧拉计算模型。这两种模型都将计算中的相作为共存于同一空间中的流体进行计算。不同的是混合物模型通常计算二种流体相，而欧拉模型则可以将不同的相作为组分进行处理并分别建立方程进行求解，因而可以计算多种不同流体的流场。VOF模型和Level Set模型都属于界面追踪模型，主要用于带自由界面问题的计算。VOF模型用流体的体积比函数判断追踪流体界面。Level Set方法在1988年由Osher提出，主要思想是将分层流的边界面作为追踪函数的零等值面，并在计算中始终保持为零等值面的方法追踪边界面位置。 2.2.1 VOF模型 所谓的VOF模型,是一种固定的欧拉网格下的表面跟踪方法。当需要得到一个或多个互不相溶的交界面的时候,可用此模型。VOF模型中不同流体组分共享一套动量方程,流场各计算单元内,通过记录各流体组分所占有的流体体积率,从而确定界面运动位置。利用VOF模型的例子包括分层流，自由表面流动、灌注、晃动、液体中大气泡流动,水坝决堤时的水流, 对喷射衰竭的预测以及求得任意液一气分界面的稳态或瞬时分界面。VOF模型的应用有以下限制： (1) 只能采用分离算法(segregatedsolver)，不能采用耦合算法(coupled solver)； (2) 所有控制容积内要么充满其中一相流体，要么充满两相流体，不允许控制容积内没有流体；(3)只有一相是可压缩的；(4)不能用该模型求解粒子混合和反应流；(5)不能采用大涡模拟(LES)湍流模型；(6)对时间步不能采用二阶隐式格式；(7)不能用于无粘流。2.2.2 混合模型混合模型是一个简化的多相流模型，它也可以用来解决以不同速度的多相流体的运动。混合模型可以用于两相流或多相流体(液体或微粒)。它假设很小的空间尺度上的均衡，相之间的耦合非常强烈。因此，可用于均相流和有相间滑移的多相流动。混合模型可以用于n相流体和颗粒运动，该模型方程组方程是通过混合物的动量方程、连续性方程、能量方程、第二相体积分率方程和相间滑移速度的代数表达式组成，通过相对速度来描述离散相。 混合模型是欧拉模型的简化。该模型有以下应用限制。(1)只能采用分离算法，不能采用耦合算法；(2)只有一相是可压缩的；(3)该模型不能用于Streamwiseperiodic flow；(4)不能用于粒子混合和反应流动；(5)不能用于凝固和熔化；(6)不能采用大涡模拟(LES)湍流模型；(7)对时间步不能采用二阶隐式格式；(8)不能用于无粘流。2.2.3 欧拉模型欧拉模型是FLUENT中最复杂的多相流模型。它建立了一套包含有N个动量方程和连续性方程来求解每一相。压力项和各界面交换系数是耦合在一起的，耦合的方式则依赖于所含相的情况。颗粒流(流一固)的处理与非颗粒流(流一流)是不同的：对于颗粒流，可应用分子运动理论来求得流动特性。通过FLUENT的用户自定义函数，可以自己定义动量交换的计算方式。欧拉模型的应用包括气泡柱、上浮、颗粒悬浮以及流化床。该模型的使用限制条件为：(1)只能用湍流模型；(2)粒子跟踪时只考虑各相和连续相(初始相)的相互作用；(3)该模型不能用于Streamwiseperiodic flow；(4)不能用于不可压缩流；(5)不能用于无粘流；(6)对时间步不能采用二阶隐式格式；(7)不能用于粒子混合和反应流动；(8)不能用于凝固和熔化；(9)不能考虑热传递。本文主要选用VOF模型进行计算模拟，VOF模型依靠的是两种或多种流体(或相)没有互相穿插这一事实，对增加到模型里的每一附加相，引进一个变量：即计算单元里的相的容积比率(volume fraction ofthephase)。在每个控制容积内，所有相的体积分数之和为1。所有变量及其属性的区域被各相共享并且代表了容积平均值，只要每一相的容积比率在每一位置是可知的。这样，在任何给定单元内的变量及其属性或者纯粹代表了一相，或者代表了相的混合，这取决于容积比率值。2.3 边界条件的确定 边界条件：边界条件就是流场变量在计算边界上应该满足的数学物理条件。边界条件与初始条件一起并称为定解条件，边界条件和初始条件的确定，才会存在唯一流场的解。边界条件决定了物理模型边界的流动变量。适当的界定这些条件对数值模拟来说非常重要。具体的边界类型有：(1)流动入口、出口边界；(2)壁面和极边界；(3)内部区域；(4)内部面边界。2.3.1 入口、出口边界 本篇论文中气液两相流中的气体为可压缩气体，气体是可压缩的，液体不可压缩，可压缩流体随压力降低，密度减少，体积增大，但其入口流速不会变化，可压缩流体选择流速入口边界比较合适。因此，管道的进口设为流速入口，管线的出口设为压力出口，管线管壁设为固体壁面。在使用VOF模型时，对边界上的次要相的体积百分比也需要定义。对压力出口边界的选用主要依据是将压力出口边界用来界定流动出口的静压，使用压力出口边界条件替代流动出口可以保证较为理想的收敛，尤其是在迭代过程中发生回流时，流动出口边界适用于对流动问题的流速、压力事先不了解的情况（本篇论文研究输送管路对回流问题不进行讨论）。当出口流动接近于充分发展流时，使用流动出口边界是可行的，这是由于流动出口边界对所有的流动变量均假设为零梯度(压力除外)，但不适用于计算本论文中的可压缩流体。压力出口边界需要指定的参数包括：静压、回流总温和湍流参数。设定静压在压力出口边界，将其作为压力出口边界条件往往导致很好的收敛，尤其在迭代过程中发生回流时，只用于出口亚声速情况。如果出现超声速情况，压力要从上游条件推导出来，此时无需静压值。而且出口压力的设置对收敛流场特别是激波位置的影响较大，所以设定时要参照设计时出口条件，切忌压力过大或过小。忽略壁面散热和其它形式的能量损失时，总能量保持不变，回流总温与入口总温相等。压力的设定是数值计算过程中重要因素，对计算结果影响很大。FLUENT计算中，首先要设定的是操作压力operating pressure。本数值计算过程中设操作压力为大气压。输入进出口表压，流动过程中有压降。2.3.2 壁面及内部边界条件壁面处为非滑移边界条件，热流量考虑为零热流量，即壁面为绝热壁面、光滑壁面。多相流模拟中，分散相模型壁面边界假定为反射类边界，即颗粒壁面间发生完全弹性碰撞(碰撞前后没有动量损失)。管壁的设置对气团流、段塞流和环状流的影响很大，对气泡流、分层流和弥散流影响较小，因为气泡流和段塞流的气体都生成大的气团与管壁直接接触，管壁有附着力，且气泡与管壁之间有接触角，需考虑准确这些影响因素，环状流管壁上部的液膜与管壁接触也需认真考虑，否则结果可能不理想。本文估略认为，气水之间的接触角为60，油和水之间的接触角为90，气和油之间的接触角为30。内部主要是指流体条件，由于研究的流体性质已经确定，对于其属性就没有必要设定。 2.4 湍流模型 2.4.1 湍流模型的选取FLUENT提供的湍流模型有Spalartt-Allamaras标准一模型、RNG一模型及Reynolds应力模型等。大量的紊流计算表明一模型具有较好的计算稳定性、经济性和计算结构的准确性。本论文采用标准一模型。 在FLUENT中，自从Launder and Spalding提出标准一模型之后，标准一模型就变成了工程流场计算中主要的工具。该模型适用范围广、经济、精度合理，这就使得它在工业流场和热交换模拟中有着广泛的应用，本数值计算目前采用的也是标准一模型，该模型的k方程与可实现的一方程以及RNG一方程形式一样，只是常数不同，但占方程的形式相差很多。标准一模型是个半经验公式，主要是基于湍流动能和扩散率。k方程是个精确方程，方程是个由经验公式导出的方程。一模型假定流场完全是湍流，分子之间的粘性可以忽略。标准一模型因而只对完全是湍流的流场有效。 2.4.2 定义湍流参数 1、湍流强度、水力直径的确定由于湍流模型选用的是一模型，指定湍流强度和粘性比作为湍流参数。湍流强度是脉动速度的均方根u与平均速度uavg的比值。小于或等于1的湍流强度通常被认为低强度湍流，大于10被认为是高强度湍流。完全发展的管流的核心的湍流强度可以用下面的经验公式计算： （2-1） 式中下标DH是水力直径的意思。水力直径是表征湍流受到障碍物的阻碍时，湍流涡旋受到限制程度的物理量，它是根据管线的水力直径决定的，这里水力直径等于管线直径。2、雷诺数ReDH确定其中两相流模拟时雷诺数ReDH的确定是按照分散相模型进行，具体计算如下所述。假定：(1)气液两相有各自的按所占流通面积计算的平均速度wg和wi。(2)气液两相间没有质量的交换，而且气液两相间处于热力学平衡状态，相间无热量传递。入口流动在保持层流情况下，可以经过计算求得入口处气相流通面积占入口面积的百分比。即可以求出。的值，从而可以确定入VI处截面含气率。 图2一l入口处气、液相区分布示意图7 （2-2）截面含液率为： （2-3）式中，R管径。 -由于体积含气率、体积含液率分别为： ； （2-4） （2-5） 由杜克勒II法可以计算出流体流动的雷诺数： （2-6） 式中，气液相混合物密度，； （2-7） w一两相混合物流速，； （2-8） d一管径； 一两相混合物粘度，； （2-9） 一表示水力直径。2.5 解算器的选择及网格划分2.5.1 选择解算器的具体格式一般情况下，FLUENT单精度解算器高效准确。因此被广泛应用，在收敛性和精度方面都能取得较为理想的结果。因此在这里采用单精度解算器来计算压差。FLUENT提供了三种求解格式：分离求解器、耦合隐式求解器和耦合显式求解器。分离求解器和耦合求解器都适用于从不可压流到高速可压流很大范围的流动，区别在于所使用的线化方法和求解离散方程的方法是不同的。分离求解方法即分别求解上面的各个控制方程，最后得到全部方程的解；耦合方式则是用求解方程组的方式，同时进行计算并最后获得方程的解。计算高速可压缩流动时耦合格式比分离格式性能更好，相比之下耦合格式能有效抑制发散，更快达到收敛。其中耦合隐式算法所需内存较大，而耦合显式算法比耦合隐式算法收敛性稍差一些，但是它需要的内存少。由于流型的发展变化是一个非稳态的过程，因此选用非稳态的求解计算器进行求解，可以得出在不同时刻的流型图。综上所述，圆管低速流动的流场是选用分离求解器较合适。 2.5.2 网格划分本文所模拟的管道模型的长度为5m，管径为0.2m，采用结构化网格划分方式，网格长宽比不宜超过5。考虑壁面分界层对湍流的影响，对临近壁面附近进行了网格加密。在非常靠近壁面的地方，粘性阻尼减少了切向速度脉动，壁面也阻止了法向的速度脉动。离开壁面稍微远点的地方，随着平均速度梯度的增加，湍动能产生迅速变大，因而湍流增强。因此近壁区域的处理会显著影响数值模拟的结果，因为壁面是涡量和湍流的主要来源。实验研究表明，近壁区域可以分为三层，最近壁面区域被称为粘性底层，流动是层流状态，分子粘性对于动量、热量和质量输运起到决定作用。外区域成为完全湍流层，湍流起决定作用。在完全湍流与层流底层之间底区域为混合区域(Blending region)，该区域内分子粘性与湍流都起着相当的作用。网格的划分对模拟结果的准确性有着至关重要的影响，本篇论文将管壁边界层加密，因为流体的边界层很薄，所以加密5层即可。GAMBIT结构化网格划分和边界层加密如图2-2所示。图2-2 网格的划分2.6 可压缩流体流动模拟原理模型中气相为可压缩理想气体，在FLUENT模拟时考虑气体的可压缩性，当气流速度很大，或者流场压力变化很大时，流体就受到了压缩性的影响。马赫数定义为：M=uc，这里，c是气体的音速，为：，（比热比）。当马赫数小于1时，流动为亚音速流动：当马赫数远远小于1(如M0.1)时，流体的可压缩性及压力脉动对密度变化影响都可以忽略。当马赫数接近l时候(跨音速) 可压速性响就显得十分重要了。如果马赫数大于1，流体就变为超音速流动。FLUENT对于亚音速，跨音速以及超音速等可压流动都有模拟能力。经理论分析以及参考相关文献得知，流体的可压速性及压力脉动对密度变化影响都可以忽略。但是为了使模拟更符合实际情况，模拟过程中还是考虑了气体的可压缩性和压力脉动对密度变化的影响。2.6.1 可压缩流动基本概念 描述理想气体可压缩流动离不开参数总压P。和总温瓦与静压与静温之间的关系为： （2-10） （2-11）式中，一总压； 一总温： 一静压； 一静温； y一压缩因子； 一比热容； M一马赫数；上述关系成立的条件是等熵过程。 2.6.2 可压缩流动的基本方程FLUENT提供的标准连续和动量方程就可以描述可压速流动问题，除了下文说明的可压速流动处理以外，不需要其它特别的物理模型。需要指出的是，求解可压缩问题，一定要求解能量方程。如果用segregated solver求解，一定要考虑粘性耗散项(粘性加热)。 对于可压速流动，理想气体方程为： （2-12）这里，是运行条件里确定的运行压力，p是当地静压，R是通用气体常数，根据输入的气体分子量计算；用能量方程求得。2.6.3 可压缩流动模拟的参数输入1、设定运行压力。Defineoperatingconditions2、求解能量方程3、Segregated solver only（如果Fluent模拟的是湍流流动问题，考虑粘性耗散。）Define models viscous(耦合求解，不需要，因为耦合求解自动考虑粘性耗散。)4、材料面板设置。Definematerials(1)选择理想气体(2)定义物性(比如，分子量，导热系数等)5、设定边界条件。(1)Flowinlets压力进口：进口总温，总压；对于超音速流动，静压质量进口：进口质量流率和总温(2)Flowexits 压力出口：出口静压(如果出口是超音速，可以忽略)需要特别指出的是，输入的边界条件中，无论是静压还是总压，都必须是表压(与前面给定的P的差)。进口温度给定必须是总温(滞止温度)，不是静温。2.6.4 可压缩流动求解注意事项求解可压缩流动问题的难点主要在于流体速度，密度，压力和能量的高度耦合。这样的耦合会导致求解过程中的不稳定性。因此要得到收敛解必须做一些调整。下面介绍较好的求解步骤：l、(Segregated solver only)速度的松弛因子调低(0.2-0.3)。2、(Segregated solver only)压力松弛因子用0.1，采用SIMPLE算法。3、对压力温度设置合适的限制条件Solution limits。特别注意的是给定的压力和温度初始值要合理，如果给定的限制条件得到的收敛结果不好，可以更改继续计算，直至取得满意结果。有时候可以考虑用无粘收敛结果做初始场会出现比较好的收敛效果。 2.6.5 求解非定常问题的步骤l、击活求解非定常问题面板：define-model-solver。一阶精度的隐式格式对很多问题都适合。显式格式只能用于coupled explicit solver，用于捕捉移动波。2、定义相关的模型和边界条件。自定义函数边界条件可以是跟时间相关。3、如果用segregated solver选用PISO来处理压力速度耦合。Solve-controls-solution 4、监视计算结果。Solve-monitors-Statistic5、设置初始条件。Solve-initialize-initizlize也可以读入稳态计算结果做初始值。File-read-data6、存贮中间结果。File-write-auto-save指定文件名字和存贮频率。7、设定时间相关项处理方法(1)如果采用一阶或者二阶隐式，需要设置如下参数：每个时间步最多积分次数。时间步长t。虽然隐式格式没有对时间步长进行太多限制，但是在我们模拟的一些瞬态问题的时候，还应该把这个时间步定义为流动最小时间常数小一个数量级。最好的选择时间步的方法是看需要多少积分步才能收敛。理想的积分步是每个时间步长上为1020次。如果需要迭代的次数过多，证明时间步过大，需要进行调小。如果迭代一两次就收敛了，证明时间步长可以调大。对于周期下性的流动问题，时间步可以根据周期来确定。比如，一个周期可以分成20个积分步长。(2)如果选择显式非稳定形式，则：定义求解变量solve-controls-solution。(必须没有多重网格，没有残差光滑，而且必须courantnumber of 1) 选择积分次数，求解。8、存储结果，以便处理和进一步计算。File-write-data 2.7 本章小节 1、确定了两相流混输管道中的流动选用的数值模拟模型VOF模型。采用非稳态、 隐式分离求解算法进行数值计算。数学模型采用常用的标准湍流模型，并通过讨论对一些模型常量进行选取。2、密度和粘度计算：空气为可压缩理想气体，油和气的物性通过计算公式获得。3、边界条件：两相进入管线的进口设为质量入口，管线的出口设为压力出口，管线管壁设为固体壁面（默认值即为固体壁面）。4、初始条件：设操作压力为大气压，定义了湍流特征参数I、DH(湍流强度、水力直径)，确定了湍流强度的经验计算公式，水力直径取为管线直径。5、求解可压缩模型：可压缩流体流动模拟原理，注意事项，求解非定常问题步骤。 第三章 数值模拟计算结果及其分析假设在流动过程中温度恒定300K，气相为可压缩理想气体，液体不考虑可压缩性，建立VOF模型模拟多相流混输流体管道中流动时形成的各种流型，模拟计算各相在圆管中的分布。本次数值模拟选用5m长直圆管进行多相流混输流体流型模拟。所模拟管道的内径为0.2m，左端为混输流体进口，右端为混输流体出口，管路中两相分别选取煤油和空气。由于流型发展变化是一个非稳态的过程，因此选用非稳态的求解计算器进行求解，可以得出在各个时刻的流型分布图。数值模拟分别研究了气相流量变化、液相流量变化及管径变化对流型的影响，得出不同流量下的流型。本论文参照水平管道空气一煤油Brill流型图选取不同的液相气相表观速度进行数值模拟，将模拟结果与其进行对比。本文在边界入口条件设置时，选用气体流速和液体体积分数作为入口参数进行模拟分析。液体体积分数的确定是通过液相的质量流量确定。3.1 煤油和空气两相流数值计算结果分析3.1.1 空气的流速变化对流型的影响液相质量流量不变Ml=35kg/s，液相折算速度wsl=3.0m/s。 以下各国为不同时刻空气体积分数图。 1、 进口wsl=3.0m/s，wsg=0.3m/s此时，入口液相的体积分数为0.9207模拟结果见下图，分别为不同时间步下的模拟结果。由下图可知：初始的气体含气率很低，初始阶段气体在混输管道内呈小气泡分布，随着时间的发展流态的变化，在重力的作用下，气泡逐渐上浮，聚集后形成大的气泡，待稳定后形成气泡流。图301 wsl=3.0m/s，wsg=0.3m/s起始空气体积含率图图302 wsl=3.0m/s，wsg=0.3m/s发展形态空气体积含率图图303 wsl=3.0m/s，wsg=0.3m/s稳定空气体积含率图2、 wsl=3.0m/s，wsg=1.0m/s 此时入口液相体积分数为0.7432图311 wsl=3.0m/s，wsg=1.0m/s起始空气体积含率图图312 wsl=3.0m/s，wsg=1.0m/s发展形态空气体积含率图图313 wsl=3.0m/s，wsg=1.0m/s稳定空气体积含率图由上图可知：液相不变气相增加时，图像与wsl=3.0m/s，wsg=0.3m/s流型类似初始阶段气体在混输管