張 濤，方 舟，董 皓，張君安

(西安工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，西安 710021)

管道流動(dòng)是一種極為常見的流動(dòng)形式，具有極強(qiáng)的隨機(jī)性與非線性，尤其是廣泛存在于核能、化工、石油和航天等工業(yè)設(shè)備中的管內(nèi)氣液兩相流的流動(dòng)。由于氣液兩相流流動(dòng)過程中的不確定性，兩相相間界面效應(yīng)的存在，使得氣液兩相流流動(dòng)過程變得十分復(fù)雜，而氣液兩相流中的含氣率是影響氣液兩相流相間界面效應(yīng)的關(guān)鍵因素，對揭示氣液兩相流流場形態(tài)的分布及流場特性具有重要的理論意義。

目前，國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域的專家學(xué)者們針對氣液兩相流的流場分布進(jìn)行了研究，文獻(xiàn)[1]對水平管氣液兩相流流型進(jìn)行了圖像信號分析，為進(jìn)行兩相流動(dòng)力學(xué)特性分析提供有效輔助診斷工具；文獻(xiàn)[2]采用實(shí)驗(yàn)研究的方法對氣液兩相流氣相速度場的分布進(jìn)行了研究，并利用數(shù)值模擬的方法對實(shí)驗(yàn)結(jié)論進(jìn)行了驗(yàn)證；文獻(xiàn)[3]論述了兩相流泵的研究成果，并探討了氣液兩相流領(lǐng)域中應(yīng)進(jìn)一步研究的問題；文獻(xiàn)[4]對氣液兩相流流動(dòng)特性進(jìn)行了可視化的研究，得到了不同工況下的流型變化特點(diǎn)及影響因素；文獻(xiàn)[5]采用阻力系數(shù)法對垂直管流的深度壓力進(jìn)行了計(jì)算，為解決油氣井的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了依據(jù)；文獻(xiàn)[6]對水平管內(nèi)氣液兩相流動(dòng)的動(dòng)態(tài)壓降信號與空隙率的關(guān)系進(jìn)行了研究，對氣液兩相流系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的在線監(jiān)測具有實(shí)用價(jià)值；文獻(xiàn)[7]采用數(shù)值計(jì)算的方法對氣液兩相流流動(dòng)的動(dòng)力學(xué)問題及兩相湍流流動(dòng)特性進(jìn)行了預(yù)測；文獻(xiàn)[8]通過構(gòu)建氣體體積分?jǐn)?shù)測量模型，提高了對氣液兩相流中氣體體積分?jǐn)?shù)測量的準(zhǔn)確度，并對其進(jìn)行了驗(yàn)證；文獻(xiàn)[9]對管道中潤滑油的輸送過程進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，認(rèn)為雷諾數(shù)是影響潤滑系統(tǒng)中油的狀態(tài)的關(guān)鍵因素；文獻(xiàn)[10]研究了廢熱鍋爐火管管束間的氣液兩相流流場、溫度場的分布狀態(tài)，得到了含氣率的分布規(guī)律及計(jì)算公式。

本文根據(jù)長圓管的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，通過改變氣液兩相流的混合比例，利用數(shù)值計(jì)算的方法，有針對性的研究含氣率對長圓管內(nèi)氣液兩相流流場特性的影響，其結(jié)果將有助于了解長圓管內(nèi)氣液兩相流的流動(dòng)機(jī)理。

1 長圓管內(nèi)部氣液兩相流流場分析模型

1.1 物理模型

根據(jù)長圓管的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其工作原理，建立長圓管物理模型如圖1所示。同時(shí)，根據(jù)數(shù)值計(jì)算的精度要求，建立長圓管的網(wǎng)格模型，如圖2所示，其中圖2(a)所示為長圓管工作狀態(tài)位置的網(wǎng)格圖，圖2(b)所示為局部網(wǎng)格放大圖，圖2(c)所示為六面體網(wǎng)格單元圖。

1-徑向氣浮支撐；2-長圓管

圖2 長圓管網(wǎng)格模型

本文主要研究的是含氣率對長圓管內(nèi)氣液兩相流流場特性的影響，其中涉及的氣液兩相流是由純水作為基本相，由空氣作為第2相混合而成。為了提高數(shù)值計(jì)算的效率，保證數(shù)值計(jì)算的精度，假設(shè)氣液兩相流為連續(xù)流動(dòng)的黏性不可壓縮流體，且各流體組分的物性參數(shù)均為常量，在流動(dòng)過程中不涉及熱傳遞。

1.2 控制方程

氣液兩相流在流動(dòng)過程中始終遵循質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律和能量守恒定律[11-13]，由于氣液兩相流在流動(dòng)過程中不涉及熱傳遞，故數(shù)值計(jì)算過程中不進(jìn)行能量方程的求解。根據(jù)氣液兩相流在長圓管內(nèi)的流動(dòng)特點(diǎn)，當(dāng)氣液兩相流的流動(dòng)為湍流流動(dòng)時(shí)，需要通過數(shù)值計(jì)算的方法求解氣液兩相流湍流流動(dòng)的湍動(dòng)能及湍流耗散率，從而實(shí)現(xiàn)對流體湍流流動(dòng)的數(shù)值模擬，即

(1)

式中：t為時(shí)間；k為湍動(dòng)能；ε為湍流耗散率；ρ為氣液兩相流密度；μl、μt分別為層流黏性系數(shù)與湍流黏性系數(shù)；σk為湍動(dòng)能k的湍流普朗特?cái)?shù)；Gk為層流速度梯度引起的湍流動(dòng)能；Gb為浮力引起的湍流動(dòng)能；σε為湍流耗散率ε的湍流普朗特?cái)?shù)；C1,ε、C2,ε、C3,ε為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)；x為流場位置坐標(biāo)。

由于氣液兩相流相間界面效應(yīng)的影響，使得氣液兩相流流動(dòng)過程中相間自由面形態(tài)的變化成為揭示氣液兩相流流動(dòng)的關(guān)鍵，因此，需求解多相流方程實(shí)現(xiàn)對氣液兩相流自由面運(yùn)動(dòng)形態(tài)的追蹤，即

(2)

2 長圓管內(nèi)氣液兩相流的流場分布

基于流體力學(xué)基本理論與多相流基本理論[14-15]，采用有限體積法，定義氣液兩相流的平均流速為v=0.5 m·s-1，通過數(shù)值計(jì)算的方法分析不同含氣率α的氣液兩相流流場分布狀態(tài)，如圖3所示，其中圖3(a)所示為水平截面位置的流場分布狀態(tài)，圖3(b)所示為豎直截面位置的流場分布狀態(tài)，圖3(c)為圓周A-A截面位置的流場分布狀態(tài)。

從長圓管不同截面的氣液兩相流流場分布狀態(tài)可以看出，當(dāng)長圓管內(nèi)的流體為單一液相時(shí)，流體流動(dòng)形態(tài)為均勻單相流體的湍流流動(dòng)，隨著氣相流體的加入，含氣率α=1%時(shí)，流體流動(dòng)過程中會

圖3 不同含氣率的氣液兩相流流場分布狀態(tài)

有一定量的氣泡出現(xiàn)，流動(dòng)形態(tài)表現(xiàn)為氣泡流；含氣率增大到α=10%時(shí)，受環(huán)境重力與氣液兩相相間界面效應(yīng)的影響，兩相分界面上出現(xiàn)波浪，形成波狀流；當(dāng)含氣率進(jìn)一步增大到α=50%時(shí)，氣液兩相流流動(dòng)形態(tài)保持波浪狀，相間界面效應(yīng)明顯；含氣率增大到α≥80%時(shí)，氣相流體對液相流體表面作用增強(qiáng)，液相流體的流動(dòng)效應(yīng)被削弱，波浪狀逐漸消失，流動(dòng)形態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閷訝盍鳌?/p>

3 仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)長圓管內(nèi)不同含氣率的氣液兩相流流場分布規(guī)律，去除外界環(huán)境因素及系統(tǒng)自身因素的影響，通過數(shù)值計(jì)算得到不同含氣率的氣液兩相流流場分布所引起的流場作用力，見表1。

表1 不同含氣率的氣液兩相流流場作用力

通過對數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合處理，得到氣液兩相流中含氣率的變化對氣液兩相流流場分布所引起的流場作用力的影響曲線，如圖4所示。

圖4 含氣率對流場作用力的影響曲線

從圖4中可以看出，氣液兩相流的平均流速為0.5 m·s-1時(shí)，氣液兩相流的流動(dòng)為湍流流動(dòng)，受湍流流動(dòng)效應(yīng)及流體物性參數(shù)的影響，含氣率為0，即流體為單一液相時(shí)，流體流動(dòng)產(chǎn)生的流場作用力最大。隨著含氣率的逐漸增大，氣液兩相相間界面效應(yīng)對流場作用力產(chǎn)生影響，表現(xiàn)為含氣率越大，氣相流體對液相流體產(chǎn)生的相間界面效應(yīng)越明顯，液相流體作用減弱，導(dǎo)致流體作用于長圓管管壁的流場作用力減小。

4 結(jié) 論

1) 隨著氣相流體的加入，受含氣率的影響，氣液兩相流在流動(dòng)過程中呈現(xiàn)出不同的流動(dòng)形態(tài)，表現(xiàn)為，含氣率α<50%時(shí)，氣液兩相界面效應(yīng)的存在使得兩相分界面出現(xiàn)波浪狀，含氣率α>50%時(shí)，液相流體流動(dòng)效應(yīng)減弱，兩相分界面呈分層狀。

2) 氣相流體加入液相流體中形成氣液兩相流時(shí)，由于氣液兩相流體各組成成分物性參數(shù)的差異，引起氣液兩相流相間界面效應(yīng)的變化，隨著氣液兩相流含氣率的增大，液相流體流動(dòng)效應(yīng)被削弱，長圓管內(nèi)壁受到的流場作用力減弱，且含氣率越大，管壁所受的流場作用力越小。