基于计算流体力学的90° 弯管气液两相流数值模拟及流型演化

doi:10.16183/j.cnki.jsjtu.2021.185

基于计算流体力学的90° 弯管气液两相流数值模拟及流型演化

王志伟¹, 何炎平^,¹, 李铭志¹, 仇明², 黄超¹, 刘亚东¹

1.上海交通大学海洋工程国家重点实验室; 船舶海洋与建筑工程学院; 海洋装备研究所,上海 200240

2.启东中远海运海洋工程有限公司,江苏启东 226200

Numerical Simulation and Flow Pattern Evolution of Gas-Liquid Two-Phase Flow Passing Through a 90° Pipe Bend Based on CFD

WANG Zhiwei¹, HE Yanping^,¹, LI Mingzhi¹, QIU Ming², HUANG Chao¹, LIU Yadong¹

1. State Key Laboratory of Ocean Engineering; School of Naval Architecture, Ocean and Civil Engineering; Institute of Marine Equipment, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China

2. COSCO Shipping (Qidong) Offshore Co., Ltd., Qidong 226200, Jiangsu, China

通讯作者: 何炎平,男,特聘教授,博士生导师,电话(Tel.):021-34206706;E-mail:hyp110@sjtu.edu.cn.

责任编辑: 陈晓燕

收稿日期: 2021-05-31

基金资助:

国家自然科学基金(51779143)
上海交通大学深蓝计划(SL2020ZD101)
上海交通大学新进青年教师启动计划(19X100040072)

Received: 2021-05-31

作者简介 About authors

王志伟(1993-),男,山东省聊城市人,博士生,从事气液两相流研究.

摘要

为研究竖直上升管内气液两相流通过90° 弯管后的流动演化特性,分别采用流体体积多相流模型以及Realizable k-ε湍流模型对其进行数值模拟,重点分析气液两相流通过90° 弯管后的速度变化、压力分布、截面含气率及流型演化规律.结果表明:不同气液两相流流型通过 90° 弯管后会产生不同程度的二次流现象,并且切向速度呈现双峰分布,随着流动发展最终耗散成为单峰分布;气液两相流入口速度越大,则弯管外壁面所受压力越大.截面含气率的变化与流型转化相关,泡状流流过弯管后演化成为细长段塞流,截面含气率减小;段塞流、搅动流及环状流通过弯管后演化成为分层-波浪流,截面含气率变化较小.研究结果可为气液两相流输送弯管设计开发及诱导应力预测提供一定的理论支持.

关键词： 计算流体力学; 气液两相流; 90° 弯管; 流体体积模型; 流动演化特性

Abstract

In order to investigate the evolution characteristics of gas-liquid two-phase flow passing through a 90° pipe bend, the volume of fluid (VOF) multiphase flow model and the Realizable k-ε turbulence model are used to conduct numerical simulations. The evolution of velocity, pressure distribution, gas void fraction, and flow pattern passing through a 90° pipe bend is studied in detail. The results show that different gas-liquid two-phase flow patterns will produce different degrees of secondary flow phenomenon after passing through the 90° pipe bend, and the tangential velocity presents a bimodal distribution, which eventually dissipates into a unimodal distribution in the horizontal pipe. The pressure on the outer wall of the pipe bend increases as the inlet velocity increases. The change of gas void fraction is related to the transformation of the flow pattern, the bubbly flow evolves into a slender slug flow in the horizontal pipe after passing through the 90° pipe bend, and the gas void fraction will decrease. The slug flow, the churn flow, and the annular flow evolve into the stratified-wave flow in the horizontal pipe after passing through the pipe bend, and the variation of the gas void fraction is relatively low. The research results can provide certain theoretical support for the design and development of gas-liquid two-phase flow conveying elbows and the prediction of induced stress.

Keywords： computational fluid dynamics (CFD); gas-liquid two-phase flow; 90° pipe bend; volume of fluid (VOF) model; evolution characteristics of flow

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本文引用格式

王志伟, 何炎平, 李铭志, 仇明, 黄超, 刘亚东. 基于计算流体力学的90° 弯管气液两相流数值模拟及流型演化[J]. 上海交通大学学报, 2022, 56(9): 1159-1167 doi:10.16183/j.cnki.jsjtu.2021.185

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气液两相流在化学工程、核能工程、低温工程及油气输送工程等领域广泛存在^[1-2],在实际工程应用中,管道输送一般具有不同方向的流动通道,需要通过弯管来改变气液两相流流动方向,其中90° 弯管应用最为广泛^[3].与单相流相比,两相流在气相上引入了液体浮力,流过90° 弯管时,在重力、离心力和浮力的综合作用下会产生复杂的流动特性,如逆转流、溢流及二次流^[4]等现象,对于管道完整性造成潜在威胁.

目前,气液两相流流经 90° 弯管的研究主要采用试验及数值模拟,Kim等^[5-6]研究了90° 和45° 弯管对于气液两相流局部参数及输运特性的影响,结果表明,弯管的存在可以导致气泡破裂,进而改变截面含气率的变化,研究主要为竖直管内的单一泡状流型.Saidj等^[7]通过电导探针方法测量了弯管处的截面含气率变化,表明通过弯头后截面空隙率有所增加.Vieira等^[8]通过相关试验研究了90° 弯管对于水平管内分层流及环状流的影响,结果表明,经过弯头后,气液相位分布及截面速度发生显著变化.Yadav等^[9]采用传感器监测流经弯管的空隙率分布,开发了耗散长度模型来量化弯管影响区域的长度.Liu等^[10]针对气液两相流流经弯管开展了相关试验,结果表明,气液两相流通过 90° 弯管会产生一定的脉冲力,弯管可以抑制离心力的高频波动分量.综上所述,目前的研究成果主要集中于 90° 弯管处的流动特性,而没有综合考虑气液两相流通过弯管后的流型发展特性,并且相关研究主要集中于单一流型,但是在实际工程应用中,含气率的差异会导致在竖直上升管内形成泡状流、段塞流、搅动流及环状流等不同气液两相流型^[11-12].不同气液两相流型流经 90° 弯管是一个复杂多变的过程,因此需要考虑更大范围的气液混合速度,可以包括竖直管内不同气液两相流型,探究弯管对于不同气液两相流型的影响.

为补充目前研究内容的空缺,本文以竖直上升 90° 弯管为研究对象,基于Fluent软件,分别采用流体体积(VOF)多相流模型以及Realizable k-ε湍流模型进行数值模拟,针对竖直上升管内特定气液两相流流型,对比实验结果,验证了数值模型的有效性.利用计算流体力学(CFD)数值模型进行大范围气液混合入口速度的数值模拟,重点探究 90° 弯管对于不同气液两相流流型演化、压力分布、速度分布以及截面含气率的影响规律.研究 90° 弯管对流动特性影响的数值模拟方法以及流动特性演化,对后续流固耦合研究及工程设计等具有一定参考意义.

1 数值模型

1.1 控制方程

VOF模型^[13-14]通过求解单一的动量方程并跟踪区域内单相流体的体积分数来模拟两种或两种以上的非混溶流体,能精确地追踪气液相界面的运动变化.在本文研究中,不考虑气液间相变传递过程,其控制方程如下.

连续性方程:

(1)

\begin{matrix} \frac{\partial (α_{q} ρ_{q})}{\partial t} + Δ \cdot (α_{q} ρ_{q} v_{q}) = 0 \end{matrix}

式中:α_q为第q相流体的体积分数;ρ_q为第q相的密度;t为时间;v_q为第q相的速度.

各相体积分数在VOF中满足:

(2)

\begin{matrix} \overset{n}{\sum_{q = 1}} α_{q} = 1 \end{matrix}

动量方程:

(3)

\begin{array}{l} \frac{\partial (ρ v)}{\partial t} + Δ (ρ v v) = \\ - Δ p + Δ [μ (Δ v + Δ v^{T})] + ρ g + F \end{array}

式中: ρ为体积加权平均密度;v为混合速度;p为压力;μ为体积加权平均黏度;g为重力加速度;F为表面张力.

(4)

\begin{matrix} ρ = α_{l} ρ_{l} + α_{g} ρ_{g} \end{matrix}

(5)

μ = α_{l} μ_{l} + α_{g} μ_{g}

式中:α_l、α_g 分别为液相、气相体积分数;ρ_l、ρ_g 分别为液相、气相密度;μ_l、μ_g 分别为液相、气相黏度.

采用连续表面力(CSF)模型模拟气液相界面表面张力,并且将表面张力视为源项添加至式 (3) 中,有

(6)

F = σ \frac{2 ρ k_{1} Δ s_{1}}{ρ_{l} + ρ_{g}}

(7)

k_{1} = Δ \cdot n_{l}

式中: σ 为表面张力系数; $k_{1}$ 为表面曲率; $s_{1}$ 为界面处的表面法向量; $n_{l}$ 为单位法向量.

Realizable k-ε 模型由湍流动能方程(k方程)和湍流耗散率方程(ε方程)组成,在计算过程中保持雷诺应力与真实湍流一致,在含有二次流的复杂流动计算中具有一定优势,输运方程如下:

(8)

\frac{\partial}{\partial t} (ρ k) + \frac{\partial}{\partial x_{i}} (ρ k μ_{i}) = \frac{\partial}{\partial x_{j}} [(μ + \frac{μ_{t}}{σ_{k}}) \frac{\partial k}{\partial x_{i}}] + G_{k} + G_{b} - ρ ε - Y_{M} + S_{k}

(9)

\frac{\partial}{\partial t} (ρ ε) + \frac{\partial}{\partial x_{i}} (ρ ε μ_{i}) = \frac{\partial}{\partial x_{j}} [\frac{\partial ε}{\partial x_{j}} (μ + \frac{μ_{t}}{σ_{ε}})] + ρ C_{1} S_{ε} - ρ C_{2} \frac{ε^{2}}{k + \sqrt{v ε}} + C_{1 ε} \frac{ε}{k} G_{b} + S_{ε}

式中: $x_{i}$ 、 $x_{j}$ 为各坐标分量; $μ_{i}$ 为黏性系数分量; $μ_{t}$ 为湍流黏性系数; $σ_{k}$ 和 $σ_{ε}$ 分别为湍动能(k)和耗散率(ε)的湍流普朗特数; $G_{k}$ 为速度梯度引起的湍流动能项; $G_{b}$ 为由浮力引起的湍流动能项; $Y_{M}$ 为脉动扩张项; $S_{k}$ 和 $S_{ε}$ 为自定义源项.湍流模型常数定义如下:

\begin{array}{l} C_{1} = 0.45, C_{1 ε} = 1.44, C_{2} = 1.9, \\ σ_{k} = 1.0, σ_{ε} = 1.2 . \end{array}

1.2 物理模型及网格划分

本文主要研究竖直上升 90° 弯管对于气液两相流流动演化特性的影响,物理模型取自于文献[10].物理模型包括 90° 弯管、竖直上升管段及水平管段,垂直上升管段长2.5 m,水平管段长4.5 m,直管段内径0.0525 m,弯管半径为 0.0762 m,如图1所示.气相采用空气,液相采用水,模拟温度为20 ℃,操作压力为 101325 Pa,水和空气的物理参数如表1所示.

图1

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图1 90° 竖直上升弯管几何模型及网格划分(m)

Fig.1 Geometrical model and meshing of 90° vertical pipe bend (m)

表1 气液两相物理参数

Tab.1 Physical parameters for gas-liquid two-phase

物理特性	水	空气
密度/(kg·m^-3)	998.6	1.236
黏度×10⁴/(Pa·s)	8.89	0.185
表面张力/(N·m^-1)	0.072	-

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在CFD数值仿真中,网格质量、网格样式及网格数量决定数值仿真的精度,相关研究表明结构化网格更适合两相流数值模拟,因此采用ICEM软件对计算区域进行O型网格划分,并且对管道壁面网格进行加密处理,生成的计算网格如图1所示.

在数值模拟中,入口采用气相混合速度入口边界条件,出口采用压力出口边界条件,壁面采用无滑移壁面边界条件,采用PISO算法进行非稳态离散求解,压力采用PRESTO格式.动量方程、雷诺应力方程及能量方程均采用二阶迎风格式,容积比方程采用Geo-Reconstruct格式,管道入口速度边界条件的数学表达如下:

(10)

\begin{array}{l} v_{s g} = \frac{q_{V, g}}{A} \\ v_{s l} = \frac{q_{V, l}}{A} \\ v = \frac{q_{V, l} + q_{V, g}}{A} = v_{s g} + v_{s l} \end{array}\}

式中:v_sg 为气相折算速度;v_sl 为液相折算速度;q_V,_g为气相体积流量;q_V,_l为液相体积流量;A为管道截面积.

2 数值模型验证

2.1 网格无关性验证

在相同工况条件下,选取网格总数分别为553328 (网格1)、668008 (网格2)和 782688 (网格3)的3种网格进行网格无关性验证.图2(a)显示了3种网格在水平管道上游x=0.5 m处的混合速度(v)分布(y为截面中轴线),对于网格2和网格3,截面轴线处的速度分布逐渐吻合.图2(b) 为网格数量对截面空隙率α的影响,并且与文献[10]中的实验结果进行了对比.从图中可以看出,基于截面空隙率时间曲线的网格独立性验证具有一定的挑战性.因此,将截面空隙率的波动根据标准差及均值进行量化,如表2所示.网格2的标准差和均值与实验数据更吻合.因此,根据速度分布以及空隙率的标准差和均值,将数量为 668008 的网格视为网格无关, 用于后续的数值模拟.

图2

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图2 网格独立性验证

Fig.2 Mesh independency verification

表2 不同网格下空隙率均值与标准差

Tab.2 Mean value and standard deviation of void fraction with different mesh

类别	均值	标准差
实验	0.427	0.262
网格1	0.4425	0.273602
网格2	0.4265	0.261828
网格3	0.42163	0.28246

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2.2 模型验证

利用Saidj等^[15]的流型实验结果验证CFD模型的有效性,数值模拟的边界条件参考实验设置.图3所示为实验与数值模拟的流型对比图,图中α_air为气相(空气)体积分数,当混合相中含气量较低时,气相在液相中以小而分散的气泡分布,管道中心气泡分布较多,为泡状流流型.当较小的气泡连接在一起,气体塞在管道中形成,细长气泡的直径小于管道的直径,并且占据了管道的中心部分,此时为段塞流.当细长气泡开始坍塌并形成不稳定流动,此时为搅拌流.因此,文中选用的CFD模型可以明确区分竖直上升管内的不同气液两相流流型,并且与实验结果相吻合.

图3

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图3 实验与数值模拟结果的流型对比图

Fig.3 Comparison of flow patterns of experimental results and numerical simulations results

为了进一步定量分析CFD模型的有效性,将数值模拟得到的截面空隙率与文献[10]中的实验数据进行对比,如图4所示,图中α_ave为界面空隙率均值.由图4(a)可知,截面空隙率的波动特性与实验结果基本一致.将不同气液流流型下的空隙率的波动曲线进行均值化,气泡流、段塞流、搅拌流及环状流的平均空隙率分别为 0.1282、0.4265、0.8342 及 0.89532,实验测量均值分别为0.134、0.427、0.823及0.86,如图4(b)所示,仿真结果均在误差范围内.通过定性分析与定量分析相结合,进一步验证了本文CFD数值模型的可行性.

图4

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图4 数值模拟空隙率与实验数据对比

Fig.4 Comparison of numerical simulation void fraction with experiment result

3 结果与讨论

3.1 流型演化特性

图5所示为 90° 弯管对于不同气液两相流流型演化特性的影响规律.对于泡状流,流过弯管后气泡在液相浮力的作用下不断向管壁上端移动,液相占据管壁下端.由于气相速度较低,在液相附带作用下,小气泡管壁上端形成细长的气泡段塞,随着流动充分发展,在水平管内演变成特殊的细长段塞流.竖直上升管内的气体段塞通过 90° 弯管后没有出现明显的结构破裂,进入水平管后,在液体浮力作用下气体段塞上移,导致水平管内存在短暂的段塞流型的过渡.随着流动充分发展,在水平管内部发展成为分层-波浪流.搅动流与环状流中含气率较高,竖直上升管内的气柱在经过 90° 弯管后,在液相浮力和重力的作用下气体逐渐向管壁上端移动,而少量液体集中于管壁下端,最终在水平管道演化成为以气相为主的分层-波浪流.

图5

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图5 流经90° 弯管后气液两相流流型演化特性

Fig.5 Evolution of gas-liquid two-phase flow pattern after passing through 90° pipe bend

为了进一步定量分析气液两相流流型的演化特性,分别在垂直管段和水平管段设置截面P1与截面P2,监测截面平均含气率的演化特性,如图6所示.对于泡状流流型,经过弯管后,受气液两相流流型转化影响,截面含气率减小并且出现周期性波动,这是由于在水平管内,液相受重力作用分布于管壁下端,气相在管壁上端不断拉长,导致截面含气率减小.对于段塞流,流过弯管后,在水平管内存在段塞流型的过渡,所以截面含气率仍然存在一定的周期性波动,并且在水平管内,截面含气率的周期变长、数值变化较小.对于搅动流和环状流,由于气体含量较高,流动型态较为稳定, 90° 弯管对于流型演化影响较小,但是在重力和液体浮力的作用下导致气液分层,截面含气率略有减小.

图6

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图6 不同流型截面含气率发展特性

Fig.6 Evolution characteristics of across-section void fraction in different flow patterns

3.2 压力分布特性

图7所示为不同气液两相流流型下截面压力分布图(包括xOy截面和yOz截面),图中D为内径.对于泡状流,由于入口混合速度较低,受弯管离心力作用较小,在弯管段压力分布均匀.流经弯管后,水平管内不同截面处绝对压力呈规则分布,管壁下端压力较高.对于段塞流来说,流体在离心力作用下被甩到曲率半径较大的外侧壁面,导致内侧压力较小而外侧压力值较大.随着流动充分发展,最大压力分布于管壁下端.对于搅拌流和环状流,由于入口混合速度较大,流经弯管段时,受离心力作用更加明显,外侧壁面压力明显大于内侧壁面压力.流出弯管后,压力呈现不规则分布,随着流动充分发展,最大压力位于管道下端.因此,随着气液两相流入口速度的增加,受离心力的作用更加明显,弯管外壁面所受的压力越大.同时,气相的引入增加了管道内部压力分布的不规则性.

图7

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图7 不同气液两相流压力分布图

Fig.7 Pressure distribution diagram of different gas-liquid two-phase flows

图8所示为 90° 弯管内不同气液两相流工况下的轴线总压(p_tot)分布,其中横坐标表示沿垂直管段与水平管段的轴线位置.泡状流与段塞流具有相同的变化趋势,这是由于较大的液体流量会产生较大的摩擦压力损失, 所以在竖直上升管段压力下降趋势明显.进入水平管后,由于水平管内只有摩擦压降,而在竖直上升管内同时受到摩擦压降和流体静压头的作用,所以水平管段压力变化趋于平缓.对于高含气率的搅拌流与环状流,沿轴线压力变化梯度较小.因此,在气液两相流流动中压降损失主要由液相含量决定.

图8

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图8 不同气液两相流流型工况下轴线总压分布

Fig.8 Axial total pressure distribution under different gas-liquid two-phase flow conditions

3.3 速度分布特性

当气液两相流通过弯管段时,在离心力、浮升力及重力的作用下,压力分布与流速发生急剧变化,以弯管出口截面为研究对象,截面上压力分布与流速v'(切向速度)如图9所示.压差是驱动二次流形成的主要原因,对于泡状流来说,弯管出口截面压力呈现上下对称分布,在压差的作用下出现对称的一对旋涡,标志着二次流的形成.对于段塞流型,由于弯管出口截面压力分布,导致流体由高压区向低压区流动,呈现单一旋涡,此时没有形成明显的二次流现象.对于搅拌流与环状流,由于气相速度较高,弯管出口截面压力分布没有明显的规律,但是在压差的作用下,会形成无规则的二次流现象,并且强度更大.因此,气相的加入使得流过弯管的二次流现象更为复杂.

图9

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图9 不同气液两相流型下压力和速度矢量分布

Fig.9 Pressure and velocity vector distribution in different gas-liquid two-phase flow patterns

图10所示为环状流型下切向速度沿水平管的演化特性.由图可知,在弯管出口处为双峰分布,随着流动的进行,双峰逐渐耗散,在沿x轴方向的长度为24D处,涡量的影响基本消失.因此可以通过切向速度的分布演化表示二次流强度的大小,耗散所需时间越长代表二次流的强度越大.

图10

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图10 环状流型下切向速度沿水平管的演化特性

Fig.10 Evolution characteristics of tangential velocity along a horizontal tube in annular flow pattern

4 结论

以 90° 竖直上升弯管为研究对象,采用CFD方法针对竖直管内不同气液两相流流型通过 90° 弯管后的流动演化特性进行数值模拟,得到不同气液两相流流型通过弯管后的流型转换规律、压力分布、速度分布及截面含气率等流动演化特性,主要结论如下:

(1) 基于VOF模型和Realizable k-ε 湍流模型的CFD数值模型可明确区分竖直上升管内气液两相流中的泡状流、段塞流及搅动流等流型,并且与实验结果相吻合.

(2) 不同气液两相流流型通过 90° 弯管后会产生不同程度的二次流现象,在弯管出口处切向速度呈现双峰分布,随着流动发展最终耗散成为单峰分布.通过切向速度的耗散时间可以定性判断二次流的强度.气液两相流通过弯管时,由于离心力的作用,弯管外壁所受面压力高于内壁面,并且随入口混合速度的增加,外壁面所受压力逐渐增加.

(3) 泡状流通过 90° 弯管后在水平管内演化成为细长段塞流,截面含气率减小并且呈现周期性波动.段塞流通过弯管后在水平管内存在段塞流流型的过渡,最终演化成为分层-波浪流,截面含气率整体变化较小.搅动流及环状流由于含气率较高,弯管对于流型的影响较小,流经弯管后演化成为气相为主的分层-波浪流.通过全面的气液两相流流型演化特性研究,为竖直上升 90° 弯管气液两相流诱导应力预测提供必要的理论依据和计算参数.

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DEENDARLIANTO, ANDRIANTO

, WIDYA-PARAGA

, et al.

CFD Studies on the gas-liquid plug two-phase flow in a horizontal pipe

[J]. Journal of Petroleum Science and Engineering, 2016, 147: 779-787.

DOI:10.1016/j.petrol.2016.09.019 URL [本文引用: 1]

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胡志华, 杨燕华, 周芳德.

水平管内气液两相环状流形成机理实验研究

[J]. 上海交通大学学报, 2005, 39(5): 823-826.

[本文引用: 1]

Zhihua

, YANG

Yanhua

, ZHOU

Fangde

Experimental investigation on the formation of gas-liquid two phase flow in horizontal pipes

[J]. Journal of Shanghai Jiao Tong University, 2005, 39(5): 823-826.

[本文引用: 1]

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HIRT

C W

, NICHOLS

B D

Volume of fluid (VOF) method for the dynamics of free boundaries

[J]. Journal of Computational Physics, 1981, 39(1): 201-225.

[本文引用: 1]

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SAIDJ

, HASAN

, BOUYAHIAOUI

, et al.

Experimental study of the characteristics of an upward two-phase slug flow in a vertical pipe

[J]. Progress in Nuclear Energy, 2018, 108: 428-437.

DOI:10.1016/j.pnucene.2018.07.001 URL [本文引用: 1]

Air-water two-phase bubbly flow across 90° vertical elbows Part II: Modeling

2018

... 气液两相流在化学工程、核能工程、低温工程及油气输送工程等领域广泛存在^[1-2],在实际工程应用中,管道输送一般具有不同方向的流动通道,需要通过弯管来改变气液两相流流动方向,其中90° 弯管应用最为广泛^[3].与单相流相比,两相流在气相上引入了液体浮力,流过90° 弯管时,在重力、离心力和浮力的综合作用下会产生复杂的流动特性,如逆转流、溢流及二次流^[4]等现象,对于管道完整性造成潜在威胁. ...

On the prediction of two-phase pressure drop across 90° vertical elbows

2018

Effect of deflectors on the flow characteristics of a square pipe with a 90° bend

2021

Air-water two-phase bubbly flow across 90° vertical elbows. Part I: Experiment

2018

Interfacial structures in horizontal bubbly flow with 90-degree bend

2007

... 目前,气液两相流流经 90° 弯管的研究主要采用试验及数值模拟,Kim等^[5-6]研究了90° 和45° 弯管对于气液两相流局部参数及输运特性的影响,结果表明,弯管的存在可以导致气泡破裂,进而改变截面含气率的变化,研究主要为竖直管内的单一泡状流型.Saidj等^[7]通过电导探针方法测量了弯管处的截面含气率变化,表明通过弯头后截面空隙率有所增加.Vieira等^[8]通过相关试验研究了90° 弯管对于水平管内分层流及环状流的影响,结果表明,经过弯头后,气液相位分布及截面速度发生显著变化.Yadav等^[9]采用传感器监测流经弯管的空隙率分布,开发了耗散长度模型来量化弯管影响区域的长度.Liu等^[10]针对气液两相流流经弯管开展了相关试验,结果表明,气液两相流通过 90° 弯管会产生一定的脉冲力,弯管可以抑制离心力的高频波动分量.综上所述,目前的研究成果主要集中于 90° 弯管处的流动特性,而没有综合考虑气液两相流通过弯管后的流型发展特性,并且相关研究主要集中于单一流型,但是在实际工程应用中,含气率的差异会导致在竖直上升管内形成泡状流、段塞流、搅动流及环状流等不同气液两相流型^[11-12].不同气液两相流型流经 90° 弯管是一个复杂多变的过程,因此需要考虑更大范围的气液混合速度,可以包括竖直管内不同气液两相流型,探究弯管对于不同气液两相流型的影响. ...

Geometric effects of 45-deg elbow in horizontal air-water bubbly flow

2009

Experimental investigation of air-water two-phase flow through vertical 90° bend

2014

Experimental investigation of the effect of 90° standard elbow on horizontal gas-liquid stratified and annular flow characteristics using dual wire-mesh sensors

2014

Characterization of the dissipation of elbow effects in bubbly two-phase flows

2014

Experimental study of internal two-phase flow induced fluctuating force on a 90° elbow

2012

... 本文主要研究竖直上升 90° 弯管对于气液两相流流动演化特性的影响,物理模型取自于文献[10].物理模型包括 90° 弯管、竖直上升管段及水平管段,垂直上升管段长2.5 m,水平管段长4.5 m,直管段内径0.0525 m,弯管半径为 0.0762 m,如图1所示.气相采用空气,液相采用水,模拟温度为20 ℃,操作压力为 101325 Pa,水和空气的物理参数如表1所示. ...

... 在相同工况条件下,选取网格总数分别为553328 (网格1)、668008 (网格2)和 782688 (网格3)的3种网格进行网格无关性验证.图2(a)显示了3种网格在水平管道上游x=0.5 m处的混合速度(v)分布(y为截面中轴线),对于网格2和网格3,截面轴线处的速度分布逐渐吻合.图2(b) 为网格数量对截面空隙率α的影响,并且与文献[10]中的实验结果进行了对比.从图中可以看出,基于截面空隙率时间曲线的网格独立性验证具有一定的挑战性.因此,将截面空隙率的波动根据标准差及均值进行量化,如表2所示.网格2的标准差和均值与实验数据更吻合.因此,根据速度分布以及空隙率的标准差和均值,将数量为 668008 的网格视为网格无关, 用于后续的数值模拟. ...

... 为了进一步定量分析CFD模型的有效性,将数值模拟得到的截面空隙率与文献[10]中的实验数据进行对比,如图4所示,图中α_ave为界面空隙率均值.由图4(a)可知,截面空隙率的波动特性与实验结果基本一致.将不同气液流流型下的空隙率的波动曲线进行均值化,气泡流、段塞流、搅拌流及环状流的平均空隙率分别为 0.1282、0.4265、0.8342 及 0.89532,实验测量均值分别为0.134、0.427、0.823及0.86,如图4(b)所示,仿真结果均在误差范围内.通过定性分析与定量分析相结合,进一步验证了本文CFD数值模型的可行性. ...

Effect of flow obstructions on the flow pattern transitions in horizontal two-phase flow

1983

CFD Studies on the gas-liquid plug two-phase flow in a horizontal pipe

2016

水平管内气液两相环状流形成机理实验研究

2005

... VOF模型^[13-14]通过求解单一的动量方程并跟踪区域内单相流体的体积分数来模拟两种或两种以上的非混溶流体,能精确地追踪气液相界面的运动变化.在本文研究中,不考虑气液间相变传递过程,其控制方程如下. ...

水平管内气液两相环状流形成机理实验研究

2005

Volume of fluid (VOF) method for the dynamics of free boundaries

1981

Experimental study of the characteristics of an upward two-phase slug flow in a vertical pipe

2018

... 利用Saidj等^[15]的流型实验结果验证CFD模型的有效性,数值模拟的边界条件参考实验设置.图3所示为实验与数值模拟的流型对比图,图中α_air为气相(空气)体积分数,当混合相中含气量较低时,气相在液相中以小而分散的气泡分布,管道中心气泡分布较多,为泡状流流型.当较小的气泡连接在一起,气体塞在管道中形成,细长气泡的直径小于管道的直径,并且占据了管道的中心部分,此时为段塞流.当细长气泡开始坍塌并形成不稳定流动,此时为搅拌流.因此,文中选用的CFD模型可以明确区分竖直上升管内的不同气液两相流流型,并且与实验结果相吻合. ...

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