基于CFX的水平管等径三通失效分析数值模拟

杨金龙，陈 浩，冯春宇

(1.咸阳宝石钢管钢绳有限公司，陕西咸阳712000;2.西南石油大学机电工程学院，四川成都610500)

在天然气集输过程中，三通是管件中的重要组成部分，由于其结构的特殊性，它很容易遭受流体介质的冲蚀磨损。研究管件冲蚀磨损的传统方法是采用试验方法，但该方法的缺点是成本高、周期长。利用CFD方法，对天然气集输站水平管等径三通气液两相流冲蚀磨损管壁现象进行数值模拟，低成本研究管件冲蚀的规律性问题。与其他流体数值模拟软件相比，CFX具有数值计算方法精确，求解运行快速，物理模型丰富等优点。

1 数学模型

流体在水平等径三通管中的流动是一个非常复杂的多相三维流动过程。描述其运动的方程可由质量守恒定律、动量守恒定律推出［1－2］。

鉴于标准k-ε模型具有适用范围广、精度高的优点，数值模拟采用标准k-ε湍流模型。它是包含下列两个方程的模型，要解两个变量，即速度变量和长度变量:

式中:k——湍动能，J;

ε——湍动耗效率;

ρ——流体密度，m/s;

μ——流体动力黏度，N·s/m2

μt——湍流黏度，下标t表示湍流流动，N·s/m2;

GK——表示由层流速度梯度而产生的湍流动能，J;

Gb——浮力产生的湍流动能，J;

YM——在可压缩湍流中，过渡的扩散产生的波动能量，J;

xi，xj——表示坐标方向;

σk，σ∈——k方程和ε方程的湍流Prandtl数;

SK，S∈——与实际问题有关的修正项。

G1∈，G2∈，G3∈——常量;

由于近壁面雷诺数较大，采用壁面函数法能充分节省计算资源。因为在近壁面黏性力影响区域变量的变化太快，不需要对其进行求解。这种方法经济、实用，而且也较为准确。

2 数值模拟过程

2.1 问题描述

采用CFX模拟管件中流体的流动，利用有限体积法对充分发展的气液两相流管内流动进行数值模拟，并考虑近壁和近界面处湍流衰减，最后通过计算获得流场中速度流线、速度矢量及气液两相的分布图，以便研究其流动规律［3］。

2.2 网格模型

数值模拟对象为新疆某油田天然气集输站水平管某管段中的等径三通，采用现场生产数据设定边界参数。绘制流道模型，加长进口段和两出口端分别为 1.0，0.5，和 0.5 m;使用 ANSYS ICEM CFD软件对其划分网格，见图1。

图1 等径三通流道网格模型ig.1 Grid model of the flow channel of equal tee

该三通可实现两个功能，即一端去生产汇管，另一端去分离计量，该文着重研究去计量方向的流场数值模拟。

2.3 边界条件

采用稳态模拟类型，设气相为连续相，液相为离散相，两相界面张力系数为0.02 N/m［4］。边界条件设定为质量入口和压力出口组合，其中进口为气液两相质量流量和体积分数;出口为截面平均静压。加长进口和出口管，使流动充分发展。

3 数值模拟结果及分析

3.1 速度流线形态

流线是某一瞬时在流场中绘出的曲线，它表示瞬时流动方向。在不稳定流时，经过同一点的流线，其空间方位和形状是随时间改变的;稳定流时，流线不随时间改变［5］，见图2。

图2 计量流程中气相和液相速度流线Fig.2 Flow chart of gas and liquid phase velocity in measurement process

由图2可知:气液两相在三通转角内侧有最大速度，即流线呈现红色的位置，其中气相最大为21.2 m/s，液相最大为13.4 m/s。在等径三通管中，X轴正向为重力方向，Y轴正向为计量方向，Z轴负向为生产汇管方向，计量口开通时，流体先沿Z轴负向流进，后沿Y轴正向流出。气液两相流线在三通本体支管处开始产生紊流，紊流现象在处于关闭状态的生产汇管方向的直管内加剧，其中液相紊流比气相紊流严重。通过观察可知:大部分液相流线在三通处以一定夹角冲击管壁正面后终止，即液相微粒撞击并可能黏附在管壁上。以下对几个关键位置的气液两相速度流线在横截面上的分布进行观察，见图3。

由图3可知:在三通后端生产汇管方向的直管中，距入口越远，气相紊流现象越严重;液相紊流在距入口1.2 m左右的位置最为严重，且主要集中在横截面左下方区域。根据现场等径三通失效残件的壁厚检测结果，此处的确具有较严重的冲蚀磨损［6］，见图 4 和图5。

由图4和图5可知:失效等径三通的C端壁厚严重减薄，B端次之，A端减薄量较小，其中距C2端减薄量最大。从数值模拟结果中也可以发现，C端的紊流现象比较严重，可论证紊流是造成腐蚀的原因之一。

图3 气液相速度流线横截面分布Fig.3 Cross-sectional distribution chart of flow line of the gas-liquid speed

4 等径三通各端壁厚测量位置及测量值(单位:mm)Fig.4 Measured position and values of each end of equal tee

图5 等径三通各端测点壁厚变化情况Fig.5 Wall thickness changes about points of each end of equal tee

3.2 局部速度矢量图

考虑到几何形状对流场的影响，考察了速度矢量图在局部位置的情况，见图6。

图6 气相和液相速度矢量局部放大Fig.6 Local enlargement chart of gas-liquid phase velocity vector

由图6可以看出，三通转角处管内侧速度最大，但是与管壁之间的夹角很小，气相速度矢量以一定夹角冲击外侧管壁后，并没有在管壁上终止，而是沿管壁转向后继续流动;液相速度矢量与外侧管壁之间的夹角较大，在冲击管壁后终止;另外，三通处管底大量液相速度矢量发生终止，说明液相向管道底部沉积，并以一定的角度和速度撞击管道底部。

3.3 气液两相分布

ZOX截面气相体积分数云图见图7。

由图7可知:管道进口两相均布，液体分散在气体中，几乎充满整个截面，使得含气率接近于1;沿流动方向液相不断沉积，逐渐在管道底部出现薄薄的气液混合层;在三通去生产汇管方向，直管气相含量逐渐减小，液相含量增加，两相分布不均匀，到尾端时，管道截面中液相所占空间比例大于气相［7］。

图7 ZOX截面气相体积分数Fig.7 Nephogram of gas volume fraction at ZOX-section

在ZOY和XOY截面中，从进口开始沿计量方向在等径三通底部取145个特征位置点，取气相体积分数值并作图，见图8。

图8 沿计量方向管道底部气相体积分数Fig.8 Gas volume fraction at the bottom of pipeline along measurement direction

由图8表明:在三通前，管道底部气相体积分数较大，沿流动方向呈抛物线趋势减小;当到达三通部位时，紊流现象使气相体积分数陡增;在气液两相流发生转向在计量支管流动时，管道底部气相体积分数又开始降低，说明液相又开始向底部沉降。另外，考察等径三通管横截面两相分布，从入口到出口气相体积分数沿轴向缓慢减小，各横截面气相体积分数云图见图9。

由图9可知:入口处气相几乎充满整个管道截面，见图9(a);沿流动方向管道中气相体积分数逐渐减小，管道底部开始出现细月牙状的气液混合层，见图9(b)。在三通处，由于紊流作用，气液两相速度均增大，使气液混合层发生偏移，见图9(c)。此时在生产汇管方向的直管段内，液相所占空间逐渐增大，并从管内左下区域向管中间扩充。

图9 直管方向管道横截面气体体积分数Fig.9 Gas volume fraction of pipe cross-sectional along straight pipe direction

3.4 壁面剪切应力

气液两相流壁面剪切应力分布云图见图10。

图10 气液两相流壁面剪切应力分布Fig.10 Wall shear stress contours of gas-liquid two-phase flow

由图10可知:在计量流程中，流速增大时，气液两相流的壁面切应力也增大;气相最大切应力位于三通本体进口端靠近内侧转角位置，值为36.87 Pa;液相最大切应力位于计量支管斜对着来流方向的管壁，值为68.24 Pa。由此可知，气相产生的壁面切应力值小于液相产生的壁面剪切应力，液相产生的壁面切应力占主要作用。

4 结论

(1)根据数值模拟结果，液相沉积的紊流扰动是等径三通局部严重腐蚀损坏的主要原因，气液两相流对管壁具有很强的冲击力;

(2)等径三通中的壁面切应力值虽然很小，但对管壁腐蚀产物膜的破坏有促进作用，在一定程度上加剧了管壁上腐蚀产物膜的脱落;

(3)局部紊流对冲蚀腐蚀有明显促进作用。在紊流较小或不存在时，腐蚀占主导作用，管道底部只存在较小的冲蚀作用;在紊流较大的地方，腐蚀与冲蚀会共同作用，使冲蚀磨损进一步加剧;

(4)管件底部腐蚀破坏较为严重，从数值模拟的结果可知，由于气液两相流中的液相组分受重力影响较大，流动过程中存在沉降现象，导致管道产生积液，引起管壁腐蚀。

［1］ 王福军.计算流体动力学分析-CFD软件原理与应用［M］.北京:清华大学出版社，2004:7-9.

［2］ 郭烈锦.两相与多相流动力学［M］.西安:交通大学出版社，2002:41-54，575-601.

［3］ 刘萍萍.高温高压含CO2油气混输管道失效分析与研究［D］.成都:西南石油大学.2011.

［4］ 罗玉祥，王海鹏，刘超卓，等.原油界面张力系数与温度关系的实验研究［J］.科学技术与工程.2009(9):3758-3760.

［5］ 袁恩熙.工程流体力学［M］.北京:石油工业出版社.2006:49.

［6］ 黄勇，施哲雄，蒋晓东.CFD在三通冲蚀磨损研究中的应用［J］.化工装备技术，2002.26(1):65-67.

［7］ 韩炜.管道气液两相技术研究［D］.成都:西南石油大学.2004.