低压蒸汽管道气液两相流数值分析

它建立了一套包含有 ｎ 个动量方程和连续方程来求
解每一组ꎮ 压力项和各界面交换系数是耦合在一起
图 １ 管道模型及网格划分
的ꎮ 可用于模拟各相不同速度的两相流或多相流ꎮ
混合物模型求解的是混合物的动量方程并通过相
对速度来描述离散相ꎮ
混合物模型的连续性方程为:
∂
( ρ ｍ ) ＋ Ñ ( ρ ｍ ｖ ｍ ) ＝ ０
２ 计算结果及分析
２ １ 三个假设
假设: ①主相为蒸汽ꎬ 第二相为冷凝液滴颗
径的增大ꎬ 在弯头外侧湍流严重加剧ꎬ 管道阻力
液相比例增高湍流区域增加ꎬ 湍流活动加剧ꎬ 出
口管段的振动加剧ꎮ 出口湍流加剧ꎬ 导致管道阻
力损失增加ꎬ 也是导致管道振动一个因素ꎮ
随着液相颗粒直径变大ꎬ 颗粒直径对于管道
Ｋ ＝１
式中ꎬ ρ ｍ 为混合物ꎬ ｋｇ / ｍ ３ ꎻ ｖ ｍ 为质量平均速度ꎬ
ｍ / ｓꎻ μ ｍ 为 混 合 粘 性 系 数ꎬ Ｐａｓꎻ Ｆ 为 体 积 力ꎬ
∗潘兵辉: 工程师ꎮ ２０１０ 年毕业于江苏大学化工过程机械专业获硕士学位ꎬ 从事管道设计工作ꎮ 联系电话: １５１６８５５５９１６ꎬ
在相同的液相颗粒直径下?随着液相比例的增大?弯头内侧的静水压强较弯头外侧处明显减小?介质随着流体惯性运动?会冲击弯头外侧壁面?形成湍流造成管道阻力损失?随着液相比例的增加?弯头外侧处湍流区域变大?湍流静压强增大?出口处静水压强降低?出口湍流图2不同液相直径对应不同液相颗粒直径下流场静压分布云图区域增大?在相同液相比例条件下?随着颗粒直径的增大?在弯头外侧湍流严重加剧?管道阻力损失显著增大?运动至弯头出口直管段处?流型逐渐恢复?随着液相比例增加?弯头外侧湍流的部位随介质流动逐渐向上推移?说明管道中随着液相比例增高湍流区域增加?湍流活动加剧?出口管段的振动加剧?出口湍流加剧?导致管道阻力损失增加?也是导致管道振动一个因素?随着液相颗粒直径变大?颗粒直径对于管道流体损失起到主导作用?从弯头外侧及出口管段分析可以看出?在出口处压强呈逐渐递减趋势?随着液相颗粒粒径增大?出口静水压强显著降低?主要因为流体做功的过程?将动能转化为势能?在出口管处?静水压强得到最大的消耗?最后转化为势能?随着液相比例增大和液相颗粒直径增大?在外侧弯头处的静水压强区域的逐渐减小?出口管处的湍流情况加剧?造成能量损耗?运行过程中碰到的两相流管道容易振动一致?从图2中可以很清晰看出?弯头靠近内侧处静压力最小?并且会出现负压?在实际设计过程中需要特别注意管道的内侧区域?预防事故发生?压强最大地方出现在靠近弯头外侧面处?当流体介质在流经弯头时?会受到离心力作用?大量的流体被甩向曲率半径大的外侧面?从而使动能转632019?296潘兵辉低压蒸汽管道气液两相流数值分析化为静压能?并且高压层较厚?低压层较薄?液相颗粒在管道进口直管段运动中?水平方向主要受到流体项的曳力作用?竖直方向主要受到重力的作用?弯头外侧的压力要远远高于内侧?并且沿流动方向管壁内侧压力先降低后升高?外侧压力先升高后降低?这充分说明了在管道内接近弯头部分时?两相湍流程度显著加强?流体对弯头内侧壁面和外侧壁面压差及流体湍流?也是造成管道振动的一个因素?2????3气液两相浓度分布分析不同液相直径对应不同液相颗粒直径下流场液相浓度分布云图见图3?图3不同液相直径对应不同液相颗粒直径下流场液相浓度分布云图由图3中间对称面液相含率分布情况可知?液体颗粒直径d0????01mm0????04mm0????08mm时?在相同液相粒径工况下?随着液相比例的逐渐增大?气相浓度主要集中在弯头内侧靠近出口处?液
∂ｔ
混合物的动量方程可以通过对所有各自的动
量方程求和来获取:
∂Hale Waihona Puke ( ρ ｍ ｖ ｍ ) ＋ Ñ ( ρ ｍ ｖ ｍ ｖ ｍ ) ＝ － Ñｐ ＋
∂ｔ
Ñ [ μ ｍ ( Ñｖ ｍ ＋ Ñｖ Ｔｍ ) ] ＋ ρ ｍ ｇ ｍ ＋ Ｆ ＋
ｎ
Ñ [ ∑ α Ｋ ρ ｋ ｖ ｄｒꎬｋ ｖ ｄｒꎬｋ ]
(２)
两个主要方面对管道流体分布的影响ꎬ 阐明以上
两个因素为管道阻力损失机理和特性的关键指标
参数ꎬ 可以更好地帮助从业者对于气液两相流有
一个全新的认识ꎮ
１ 管道模型及网格
１ １ 管道基本参数及三维模型
选取 ＤＮ５０ 弯头及进出口各加 ３Ｄ 直管段的低
压蒸汽管道ꎬ 研究在弯头处两相流动及相态分布
情况ꎬ 介质流向为从下向上ꎮ
Ｅｍａｉｌ: ｐａｎ１１ｊｄ＠ １６３ ｃｏｍꎮ
(１)
３６
ＣＨＥＭＩＣＡＬ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ ＤＥＳＩＧＮ
化工设计 ２０１９ꎬ２９(６)
Ｎ ꎻ ｎ 为相数ꎻ α ｋ 为第 Ｋ 相的体积分数ꎻ ρ ｋ 为第
Ｋ 相的密度ꎬ ｋｇ / ｍ ３ ꎮ
定义滑移速度 ｖ ｑｐ 为第二相 ( ｐ) 相对于主相
程转化为离散方程 ＳＩＭＰＬＥ 算法求解压力速度耦合
损失显著增大ꎬ 运动至弯头出口直管段处ꎬ 流型
方程组ꎬ 控制 方 程 对 流 项 的 离 散 二 阶 迎 风 格 式ꎬ
逐渐恢复ꎬ 随着液相比例增加ꎬ 弯头外侧湍流的
扩散项、 原项采用二阶中心差分格式ꎮ
部位随介质流动逐渐向上推移ꎬ 说明管道中随着
系数ꎻ 结合有限体积法将空间域上连接的控制方
∂ ｔ
(５)
１ ３ 边界条件
采用速度进口条件ꎬ 由质量守恒定律和进口
无预旋的假设确定轴向速度ꎬ 同时进口速度均匀
分布ꎻ 假定管道运行时转速恒定ꎬ 基于时均化的
图 ２ 不同液相直径对应不同液相颗粒直径下流场
静压分布云图
Ｎ—Ｓ 方程ꎬ 标准 Ｋ － ε 湍流模型类确定湍流粘性
区域增大ꎻ 在相同液相比例条件下ꎬ 随着颗粒直
１０％ 、 １５％ 时 对 应 液 相 颗 粒 直 径 Ｄ 分 别 为:
０ ０１ｍｍ、 ０ ０４ｍｍ、 ０ ０８ｍｍ 时管道中截面流体静
压分布云图见图 ２ꎮ
从图 ２ 可看出: 在相同的液相颗粒直径下ꎬ 随
分析可以 看 出ꎬ 在 出 口 处 压 强 呈 逐 渐 递 减 趋 势ꎬ
主要因为 流 体 做 功 的 过 程ꎬ 将 动 能 转 化 为 势 能ꎬ
相分布情况ꎮ 模拟结果表明: 增大液相浓度和液相颗粒直径都会导致压力损失ꎬ 湍流增强ꎬ 但增大颗粒直径的影
响明显大于增大液相浓度ꎮ
关键词 气液两相流 数值模拟 管道
两相流技术始于 ２０ 世纪初ꎬ 现已广泛应用于
能源、 化 工、 石 油、 矿 业、 水 利、 冶 金 及 环 保 等
各工业领域ꎮ 气液两相流管道在化工装置、 管输
项目中非常普遍ꎬ 因此研究两相流内部流动机理
对于管道内介质流动非常具有价值ꎮ Ａｎｓｙｓ Ｆｌｕｅｎｔ
１７ ０ 软件可以准确计算出流场中各种工况下流体
静水压强、 各相间分布情况ꎮ 本文结合多相流 [１ꎬ２]
Ｅｕｌｅｒ 模型模拟出气液两相流的主相分布情况ꎬ 分
析输送介质中不同液相含率、 不同液相颗粒直径
运用 ＣＲＥＯ３ ０ 进行三维造型ꎮ 然后用数值计
算的前处理软件 ＩＣＥＭ ＣＦＤ１７ ０ 进行划分网格ꎻ 模
型的网格节点数为 ５２６５５ꎬ 网格总数为 ２８３８０ꎻ 三
维造型和网格划分见图 １ꎮ
１ ２ Ｅｕｌｅｒ 模型 [３ꎬ４]
Ｅｕｌｅｒ 模型是 Ｆｌｕｅｎｔ 中最复杂的多 相 流 模 型ꎮ
在出口管处ꎬ 静水压强得到最大的消耗ꎬ 最后转
化为势能ꎮ 随着液相比例增大和液相颗粒直径增
大ꎬ 在外侧弯 头 处 的 静 水 压 强 区 域 的 逐 渐 减 小ꎬ
２０１９ꎬ２９(６)
潘兵辉 低压蒸汽管道气液两相流数值分析
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低压蒸汽管道气液两相流数值分析
潘兵辉 ∗ 中石化宁波工程有限公司 宁波 ３１５１０３
摘要 采用 Ａｎｓｙｓ Ｆｌｕｅｎｔ １７ ０ 对管道模型进行气液两相流数值分析ꎬ 采用 Ｅｕｌｅｒ 模型计算出液相比例在 ５％ 、
１０％ 、 １５％ 时ꎬ 对应液态颗粒直径分别为 ０ ０１ｍｍ、 ０ ０４ｍｍ、 ０ ０８ｍｍ 时ꎬ 管道内中轴面处静压流场分布和气液两
粒且全部为单一同种颗粒ꎻ ② 流体相、 气相为连
流体损失起到主导作用ꎮ 从弯头外侧及出口管段
相为球形ꎬ 粒径均匀ꎬ 不考虑相变 [５ꎬ６] ꎮ
随着液相颗粒粒径增大ꎬ 出口静水压强显著降低ꎬ
续不可压缩相ꎬ 各相的物理特性保持常数ꎻ ③ 液
２ ２ 静水压强分析
数值模拟管道介质中液相比例分别在 α ＝ ５％ 、
( ｑ) 的速度:
ｖ ｑｐ ＝ ｖ ｐ － ｖ ｑ
(３)
则漂移速度和滑移速度的关系式:
ｎ
ｖ ｄｒꎬｐ ＝ ｖ ｑｐ － ∑
ｋ ＝１
α ｋρ ｋ
ｖ
ρ ｍ ｑｋ
(４)
由第二相 ( ｐ) 的连续性方程ꎬ 可得第二相的
体积分数方程为:
∂
( α ｐ ρ ｐ ) ＋ Ñ ( α ｐ ρ ｐ ｖ ｍ ) ＝ － Ñ ( α ｐ ρ ｐ ｖ ｄｒꎬｐ )