不同锥度对变径管段塞流影响有多大？Fluent气液两相流分析这样做

导读：水平变径管在石油运输、能源传送、化工等领域都具有广泛的应用，段塞流是一种在变径管内对输送、仪表等影响很大的气体两相流，它在各种管道输送中的应用非常普遍，因此，对其进行分析，探讨其特征，探讨其产生的原因及消除方法，都有一定的实用价值。

本论文在FLUENT软件的基础上，运用 CFD技术，建立了一个基于 VOF多相流模型的三维瞬态模型，采用可视化紊流模型，对其进行了三维瞬态仿真。并将相应的速度云图、压力云图、相分布的云图相结合来进行流场的分析，对于大径管内和小径管内的流量变化数据进行处理得到对应折线图，分析段塞流的特性。得到以下规律：

改变变径管管道锥度，会发现锥度大小对于变径管管道内的气相和液相的分布、速度大小和压力大小均有不同程度上的影响。锥度越大的情况下，段塞流形成后产生的液膜高度越低，段塞流在小径管道内的速度越高；改变各相速度的大小，水流速度越低的情况下无法形成段塞流的现象，只有在水流速度合适的情况下才能出现段塞流现象，且随着水流速的增大，管道内部通过变径部分的压力和速度变化也逐渐增大。

一、研究背景及价值

石油、天然气一直以来都是国家的支柱产业，是国家发展和经济支撑的重要产业。自2020年以来，新型冠状病毒疫情的反复导致我国的经济体系出现了一系列的问题波及到了各行各业的发展，不仅如此在俄乌紧张局势下，俄罗斯作为全球原油的主要生产国之一限制了原油的出口，原油的价格一路飙升，各国都将面临原油资源短缺的这种情况出现。但全国人民众志成城一起对抗疫情，对于疫情的防控已经达到平稳的状态，而且全国的经济并没有按下暂停键，一直在稳步前进。中国对于俄乌局势一直持和平的态度，一直坚定自己的立场，稳固自己的发展，相信在不远的未来石油产业能够应对目前的挑战平稳发展。  

随着我国科学技术的更新，随着油气勘探和开发技术的不断进步，人们对原油的开采也从陆上到海洋，从浅水区到深水区。海洋辽阔，石油和天然气资源十分丰富。南海地区是世界上最大的石油储集地，特别是深海地区，是世界上最大的石油储集地。我国在渤海区域已经建立起了完整的海上开采体系，总体已经建成了海上大庆。  

在海洋开采的油气资源过程中不免的会遇到各种各样的问题，其中最主要的问题就是海上平台开采后的运输问题，因为海上平台不具备储存大量原油的能力，所以一般需要将开采上来的石油和天然气直接以油气混合的方式用管道方式直接输送到陆地的地面工程（油库或联合处理站等）储存或进行油气分离处理。由于海底地面的复杂性，在油气混输的进程中受到海底起起伏伏的地形和海流冲击的影响，极其容易出现危害巨大且对于运输会造成很大影响的一种两相流型——段塞流（Slog Flow）。段塞流的出现不仅会影响气相和液相在管道内的流通速度，还会产生压力波动，使海底管道的使用寿命缩短，产生一系列问题。  

在油田开发中，一开始在进入油田的竖直管线中会发生段塞流，而随着开采工作的进行，液相的比例也会越来越小，这就造成了油气混合输送中存在的多相流。除了地形起伏等无法避免的因素，在某些常规操作工况（如清管操作、启动或输量改变）下，混输管线也容易产生段塞流。除了外部原因之外，由于管路自身的几何结构也会产生“段塞流”，例如：两相流、多相流、不同角度的弯管、下倾竖管等，都容易产生“段塞流”。  

段塞流是一种能够预测、控制和减轻的有害流动。由于段塞流的非稳定性，以及管内压力、流速等因素的不稳定，会使钢管内的部件受到很大的冲击，从而引起焊接接头的疲劳断裂。  

随着化工行业的迅速发展，国内外学者对不同的流型进行了深入的研究，对多相流动的研究也在逐步深化，工业化进程中，设备的一体化，对管线设备的需求也在不断提高。同时，国内对变直径管内段塞流的研究也得到了政府的大力支持，并获得了化学工业的支持。因此，对水平变径管线的中段塞流进行数值模拟和计算，是非常有实际意义的。

二、变径管流数值模拟分析结论  

本文通过参考数据，利用商用的CFD软件FLUENT，进行水平变径管段塞流的数值模拟，建立了三维立体模型，使用VOF多相流模型和Realizable 
湍流模型。得到相关的管道内部各相的分布云图、速度云图、速度矢量图和压力云图分析水平变径管内段塞流在各种工况下产生的现象。发现了气液两相流在通过水平变径管内发生的变化，并对其进行分析得到以下的结论和发现：  

（1）随着水平变径管变径锥度的改变，管道内部各相的分布会发生变化，且随着管道锥度的不断增大由5°、10°、15°、20°的计算可以看出，内相受到的影响也就越明显。且随着水平变径管变径锥度的改变，管道内部的速度和压力会随着锥度的变化而发生改变，随着管道锥度的不断增大，气相和液相在终端部分小变径管部分的速度也会不断增大，到小径管的压降也会越明显。  

（2）随着液相速度的不断变化，水平变径管管道内部的流行也在不断地发生改变，当液相速度为0.5m/s时，管道内部为波动流；当液相速度为0.75m/s和1m/s时，管道内部会形成较为明显的段塞流现象；当液相速度为1.5m/s时，管道内部为环状流。并且随着水平变径管液相速度的改变，管道内部的速度和压力会随着液相速度的变化而发生改变，随着管道内液相速度的不断增大，气相和液相在终端部分小变径管部分的速度也会不断增大，到小径管的压降也会越明显。

由于篇幅问题，笔者接下来具体分析“不同锥度对变径管段塞流影响”希望能够引发读者的共鸣。

三、不同锥度对变径管段塞流影响

在管道运输的过程中，会根据管道内流通材料的不同需求、管道外部环境的要求和管道工艺的需求来制作和利用不同的管件将管道连接起来，其中利用较多的就是变径管和异心变径管。本次建立的三维几何模型，是利用大径长管（50mm）连接同心变径管和小径长管（25mm）组合而成。在实际的生产生活中，也会根据需求的不同来选择不同锥度的变径管。

1、不同锥度下的流场分析

（1）整体流场分布分析

在本次研究的水平变径管段塞流数值模拟中，为了能够达到更好的气液混合的效果，使得段塞流现像更加明显一点，空气从中心区域进入，液体从边缘区域进入达到混合效果。但一般来说，空气和液体的混合情况越好的话，那么两相流的流域就会越复杂。  

选取了在气相和液相速度一定的情况下的四种不同锥度的工况，观察在不同工况下对段塞流的影响，管道内部各相的分布情况如图4-1所示，流体流动方向由左到右。图4-1明确的反映出在稳定气相速度（3m/s）和液相速度(1m/s)的情况下可以得到段塞流现象。  

图4-1管道内各相分布图  

在此次论文的研究中在保障气相和液相的进口速度保持一致的条件下，模拟了以下的四种工况来进行研究，并将该四种工况分别定义为工况1-4，具体工况见下表4-1  

表4-1工况详情

由以上的图4-1内可以看出，当空气刚刚进入到管道内部的时候，管道前端大径部分由于重力作用，空气和液体出现明显的分层现象，空气逐步到管道内部的上部。但由于气体和液体速度差过于明显，会导致管道内部产生明显的界面波动情况，而这种界面波动会使得管道内部产生段塞流现象。随着流体的流动，逐渐平稳的段塞流进入到变径部分产生了剧烈的变化，变径部分一度出现气相和液相交替通过的现象，而且这个现象也随着水平变径管锥度的增加而增大，在中段变径部分出口位置，气液相界面出现波动，但到了终端小径管道部分，段塞流逐渐平稳，但还是能够看出液塞尺寸变大，波动幅度也增大。  

水平变径管内的速度矢量图如图4-2，速度云图如图4-3所示  

由图4-2的速度矢量图可以看出来在大直径管道中，由于相间的边界变化很大，在高速区内会产生小规模的紊流。当变直径锥角增大时，在小直径管道中产生较大的流速变化区的概率也随之增大。  

由图4-3的速度云图中反映出与大直径管道相比，由于液体的体积流量是一样的，所以在经过小直径管道时，其流速增加可以确保流动的均匀性。另外，当其它条件相同时，各小直径管内的混合液流速随变径锥角的增大而有轻微的提高，但增长幅度不大。

图4-2速度矢量图  

图4-3速度云图     

图4-4静压云图  

同时我们通过观察水平变径管内的静压图、动压图如图4-4和图4-5所示为让段塞流的流动更加直观，将所有云图都水平放置排列。  

图4-5动压云图  

由图4-4静压图所示可以看出，随着气液两相流体的流动，水平变径管管道内的静压压力也随着逐渐降低，且随着变径锥度的增大，管道内部静压压力降低的趋势越明显，如图4-6所示。

图4-6不同锥度下静压分布图  

从概念上可以看出，流动压力和流速有一定的关系，并且可以更直接地看出，在较大直径的情况下，小直径管道的混合速率要比大直径的管道要大。在小直径管中，数值越大的动压区的气体成分越多，由此可以推断，管道内的动压值与换算速率有关。从理论上可以看出，与大直径管道相比，小直径管道内的压力变化比较大，并且易于出现在变径出口附近，段塞流初入管道时并不稳定，必须保持一定的稳定距离，才会出现比较稳定的段塞。  

（2）中段变径管区域流场分析    

本文主要研究内容是在变径管道内的数值模拟，在水力系统中，除了压力、流速、温度等诸多因素之外，还存在着一些人为的或者客观的因素会对系统的动态和静态性能产生一定的影响。由于管线几何形状的变化，导致了管线内部的流体状态发生变化，在这种情况下，由于液体阻力的存在，导致了液体的压力损失。为了更好的比较不同锥度下的气-水段段塞流的流态，我们截取出变径部分来对变径管内的流型——段塞流进行分析。  

图4-7、图4-8、图4-9分别为变径管道部分管道内部相分布图、速度矢量图和速度云图  

图4-7中段变径部分管道内部相的分布  

由图4-7管道内部相的分布图来看，当段塞流通过变径区域时，因为液塞现象产生的气泡，会因为管道形状的改变，而受到挤压力的作用，气泡的形状和尺寸也会因为该挤压作用产生变化。其实这些现象的形成和管道内部的流体受到重力、流体之间的剪切力和表面张力影响下产生的涡流现象造成的。由近年来从流体领域研究的发展状况来看，集成化的趋势已经成为主流，因此在现实的应用中造成管路形状改变的情况是不可避免的，形状的改变往往影响了管路内的流通面积以及流体得流动方向，而截面积和方向的改变时，管路内的流体会因相互之间的摩擦和碰撞甚至因此而产生涡流，这些都会导致流体压力的损失^[16]。因此可见涡流这种现象是不可避免的，但是我们可以通过合理的改变变径管道锥度的大小来减少涡流现象的产生，进而减少管道被破坏的概率，延长管道的寿命。  

图4-8中段变径速度矢量图  

图4-9中段变径速度云图  

由中段变径管道内部的速度矢量放大图4-8和速度云图4-9可以明显看出在变径管上部气液混合相的速度有明显的变化，这个变化的出现应该是管道内部形状的变化使得管道内部的重力和两相之间的挤压力和剪切力出现变化，导致速度发生变化。    

总之，通过对于本章节得到的水平变径管段塞流速度、内相、压力数值模拟的云图分析可得以下几个结论：  

（1）随着水平变径管变径锥度的改变，管道内部各相的分布会发生变化，且随着管道锥度的不断增大，内相受到的影响也就越明显。  

（2）水平变径管变径锥度的改变，管道内部的速度和压力会随着锥度的变化而发生改变，随着管道锥度的不断增大，气相和液相在终端部分小变径管部分的速度也会不断增大由5°速度为3.49m/s到20°速度为5.03m/s，到小径管的压降也会越明显。

三、AI+CFD仿真公开课

近年来，随着人工智能技术的迅猛发展，深度学习与物理建模的融合正在重塑传统计算科学格局。特别是在流体力学与多孔介质渗流模拟领域，面对微观结构复杂、参数不确定性高、传统数值方法计算成本昂贵等问题，基于数据驱动或物理引导的深度学习方法展现出前所未有的潜力。

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1、主讲嘉宾

力学AI有限元-梁老师，985高校博士，长期从事流体力学、多孔介质渗流模拟与深度学习建模方法的交叉研究。讲师在微尺度流动建模、多尺度渗流行为分析、裂缝网络构建与模拟、物理引导型深度学习等领域具有深厚积累，主持/参与多项国家重点科研项目。讲师擅长将传统数理模型与人工智能技术相结合，推动流体力学模拟的智能化转型，其开发的多孔介质AI建模框架已成功应用于页岩气、CO₂封存、地热开采等多个实际工程场景。

2、报告内容

• 前沿趋势与挑战概述

• 微尺度流动模拟中的难点与需求

• 深度学习如何赋能传统流体模拟

• 流体力学中的AI建模框架

• 数据驱动建模 vs. 物理引导建模

• 卷积神经网络（CNN）、图神经网络（GNN）在渗流模拟中的案例介绍

3、如何观看

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《基于OpenFoam和AI机器学习14讲：使用人工智能建立流体力学中的数据驱动模型》

来源：仿真秀App