COMSOL Multiphysics有限元软件数值模拟气液两相流的可行性研究

秦梓钧，刘保君，张 雪，韩洪升

（1. 东北石油大学， 黑龙江 大庆 163318；　2. 山西天然气有限公司， 山西 太原 030000）



COMSOL Multiphysics有限元软件数值模拟气液两相流的可行性研究

秦梓钧1，刘保君1，张 雪2，韩洪升1

（1. 东北石油大学， 黑龙江 大庆 163318；2. 山西天然气有限公司， 山西 太原 030000）

在多相流实验管路系统中，设计向上30°倾斜管道中气液两相流的实验方案和流程，进行气液两相流流型实验研究，并绘制气液两相流流型图。再利用COMSOL Multiphysics软件，对向上30°倾斜管中气液两相流中不同时刻的体积分数进行数值模拟研究，验证COMSOL Multiphysics应用于气液两相流的可行性。结果表明采用COMSOL Multiphysics软件数值模拟向上倾斜管道中气液两相流流型的分析结果与室内实验法结果基本一致，可信程度较高，可作为分析气液两相流流型的主要方法之一。

向上倾斜管道；气液两相流；流型图；数值模拟

在油田现场，严格意义上的水平管道和垂直管道很少，研究倾斜管道更具实际意义［1，2］。在倾斜管路中，时间和空间上均不确定的相界面，给气液两相流研究带来极大的困难［3-6］。

本文在实验室多相流实验管路系统中，设计气液两相流实验方案和流程，进行倾斜管中两相流流型的分析研究。并利用COMSOL Multiphysics软件进行数值模拟，最终实验结果与数值模拟分析结果互相吻合，表明COMSOL Multiphysics可作为分析气液两相流的软件进行推广使用。

1　向上倾斜管中气液两相流流型实验研究

1.1实验方案设计

气液两相流流型实验装置如图1所示，主要是由循环水系统、气体供给系统、计算机采集系统和实验系统组成。［7，8］实验管路的倾斜角度可自动调节，进行倾斜角度为 30°的管道中气液两相流实验研究。

1.2实验流程

气液两相流体在混合器中混合后，经过长度为2 m的稳定段后进入实验管路，进行气液两相流流型实验研究，具体流程为：

（1）开启系统用泵，用调节阀调节流量，待流量稳定后计量液体流量；

（2）启动空气压缩机，向实验管路提供气液两相流实验所需用气体，调节实验管路中气体流量，待流量稳定后测量气体流量；

（3）等气液两相混合后，观察气液两相流在实验管路的流型，等待流型稳定一段时间，利用数据采集系统采集实验数据；

（4）关闭空气压缩机，用调节阀调节进入实验管路的液体流量，重复实验步骤（1）～（3），进行不同入口速度条件下，气液两相流流型实验研究；

（5）关闭系统用泵，用调节阀调节进入实验管路的气体流量，重复实验步骤（1）～（3），进行不同容积含气率条件下气液两相流流型实验研究；

（7）关闭实验相应设备，结束实验。

图1　气液两相流流型实验装置图Fig.1 Experimental device of gas-liquid two-phase flow

1.3实验结果分析

在实验室的多相流实验管路系统中，进行 30°倾斜角度下实验管路中气液两相流研究，依据计算机采得到的容积、速度与含气率实验数据，进行气液两相流流型分析。

实验室的多相流实验管路系统中，选取内径为20 mm的实验管路，调整倾斜角度为30°，进行倾斜角度管道中气液两相流流型实验研究，根据传感器采集的信号，以计算的液相折算速度值为横坐标，气相折算速度值为纵坐标，制作倾斜管中气液两相流流型，如图2所示。

2　COMSOL软件介绍及数值模拟

2.1COMSOL软件简介

COMSOL Multiphysics（原名Finite Element Modeling Laboratory）是一款大型的高级数值仿真软件，由瑞典的COMSOL公司开发，是一个基于偏微分方程的专业有限元数值分析软件包，是一种针对多物理场模型进行建模和仿真计算的交互式开发环境系统。该软件的建模求解功能基于一般偏微分方程的有限元求解，所以可以连接并求解任意物理场的耦合问题。COMSOL Multiphysics针对不同的问题可以进行静态和动态分析、线性和非线性分析、特征值和模态分析等［9］。

图2　气液两相流流型实验图Fig.2 Experimental diagram of gas-liquid two-phase flow pattern

通过COMSOL Multiphysics的多物理场功能，可以选择不同的模块同时模拟任意物理场组合的耦合分析；可以使用相应模块直接定义物理参数创建有限元模型；也可以自由定义自己的方程来建立相应模型。

2.2不同气相折算速度时数值模拟

建立倾角为 30°的管道模型，设置液相折算速度为 0.5 m/s，分析气相折算速度对气液两相流流型的影响。

（1）液相折算速度为0.5 m/s，气相折算速度为0.5 m/s

这时，气液两相流的容积含气率为 0.5，气液两相流在倾斜管中不同时刻气相的体积分数如图3所示。

图3分别为t=0.3，0.6，0.9，1.2，1.5 s时气相体积分数，当液相折算速度为 0.5 m/s，气相折算速度为0.5 m/s时，气液两相中的气相在重力的作用下，向管道顶部移动，与液相逐渐分离，此时，气液两相流在流型图上显示为间歇流。

（2）液相折算速度为0.5 m/s，气相折算速度为1.5 m/s

这时，气液两相流的容积含气率为0.75，由于数值模拟分析图片较多，在这里就不一一列举。由软件分析图片可知：当容积含气率为0.75时，气液两相中气相的含量增加，并继续向管道顶部移动，发生气泡合并或聚结现象，与液相分离。此时，气液两相流在流型图上显示为间歇流。

图3　不同时刻气相体积分数Fig.3 Gas volume fraction at different times

（3）液相折算速度为0.5 m/s，气相折算速度为4.5 m/s

气液两相流的容积含气率为 0.9，由软件分析图片可知：当容积含气率为0.9时，气相和液相界面上产生扰动波，并触碰管道顶部，形成气弹，与此同时，管道顶部的液膜受到压迫，沿倾斜管道向上移动，围绕管道形成环状流，气液两相流为弹状流向环状流过渡，在流型图上显示为间歇流。

（4）液相折算速度为0.5 m/s，气相折算速度为9.5 m/s

这时，气液两相流的容积含气率为0.95，由软件分析可知：当容积含气率为0.95时，气液两相流中气相的含量远远大于液相的含量，气相的速度也远远大于液相的速度，管道顶部的液膜受到压迫，沿倾斜管道向上移动，围绕管道形成环状流。此时，气液两相流在流型图上显示为环状流。

不同气相折算速度时，气液两相流流型数值模拟结果如表1所示。

2.3不同液相折算速度时数值模拟

建立倾角为 30°的管道模型，设置气相折算速度为 0.9 m/s，分析液相折算速度对气液两相流流型的影响。

表1　不同气相折算速度时流型数值模拟结果Table 1 Numerical simulation results of flow patterns at different gas velocity

（1）气相折算速度为0.9 m/s，液相折算速度为0.1 m/s

气液两相流的容积含气率为 0.9，气液两相流在倾斜管中不同时刻气相的体积分数如图4所示。

图4　不同时刻气相体积分数Fig.4 Gas volume fraction at different times

图4分别为t=0.3，0.6，0.9，1.2，1.5 s时气相体积分数，当气相折算速度为0.9 m/s，液相折算速度为0.1 m/s时，气相在浮力的作用下，与液相分离，在管道顶部合并聚结；液相在重力作用下，出现倒流现象，在管道入口处聚集，形成塞状流，在气液两相流流型图上显示为间歇流。

（2）气相折算速度为0.9 m/s，液相折算速度为0.9 m/s

气液两相流的容积含气率为 0.5，由软件分析图片可知，当气液两相流的容积含气率为0.5时，液相折算速度增大，气液两相流气相含量减少，液体的高流速紊流应力把连续气相分散成无数的离散的球形气泡，分散在连续的液相里，形成间歇流向泡状流过渡，在气液两相流流型图上显示为间歇流。

（3）气相折算速度为0.9 m/s，液相折算速度为2.1 m/s

气液两相流的容积含气率为 0.3，由软件分析图片可知，气液两相流的容积含气率为0.3时，液体的高流速紊流应力把连续气相分散成更多的离散的球形气泡，分散在连续的液相里，形成泡状流。

不同液相折算速度时，气液两相流流型数值模拟结果如表2所示。

表2　不同液相折算速度时流型数值模拟结果Table 2 Numerical simulation results of flow patterns at different liquid velocity

2.4结果分析

将不同气相折算速度、不同液相折算速度和不同管道倾角时室内实验得到的气液两相流流型结果与和有限元数值模拟的气液两相流流型对比分析，验证数值模拟方法的准确性。

（1）不同气相折算速度时流型分析

当液相折算速度为 0.5 m/s，气相折算速度分别为0.5、1.5、4.5和9.5 m/s时，室内实验和数值模拟得到的流型如表3所示。

表3　不同气相折算速度时气液两相流流型对比分析Table 3 Comparative analysis of gas-liquid two-phase flow patterns at different gas velocity

对比不同气相折算速度时室内实验和数值模拟得到的流型结果，可知：当液相折算速度不变，气相折算速度增大时，气液两相流的流型发生变化，由间歇流逐渐转换成环状流，室内实验结果与数值模拟结果一致。

（2）不同液相折算速度时流型分析

当气相折算速度为 0.9 m/s，液相折算速度分别为0.1、0.9和2.1 m/s时，室内实验和数值模拟得到的流型如表4所示。

表4　不同液相折算速度时气液两相流流型对比分析Table 4 Comparative analysis of gas-liquid two-phase flow patterns at different liquid velocity

对比不同液相折算速度时室内实验和数值模拟得到的流型结果，可知：当气相折算速度不变，液相折算速度增大时，气液两相流的流型发生变化，由间歇流逐渐转换成泡状流，室内实验结果与数值模拟结果一致。

3　结 论

通过本文的研究，可知：采用 COMSOL Multiphysics软件数值模拟向上倾斜管道中气液两相流流型的分析结果与室内实验法结果基本一致，可信程度较高，可作为分析气液两相流流型的主要方法之一。因此，建议在以后的工作中，利用COMSOL Multiphyscis进行数值模拟，建立涵盖气相折算速度、液相折算速度和管道固定倾角等因素的气液两相流流型图。

［1］ 韩炜.管道气液两相流动技术研究［D］.西南石油学院博士论文，2004.

［2］ 严谨.井筒气液两相流动数值模拟研究［D］.西南石油学院硕士论文，2005.

［3］ 吴巍.管内汽液两相流动模型分析［D］.重庆大学硕士论文，2014.

［4］ D. Bhaga， M. E. Weber. Holdup in vertical two and three phase flow PartⅡ： Experimental investingation［J］. The Canadian Journal of Chemical Engineering， 1972， 50（3）： 329-336.

［5］ 胡志华，焕群，鹿院卫等.水平管内油气两相流型转变的实验研究［J］.油气储运，2001，20（4）：31-35.

［6］ V. D. Henau， G. D. Raithby. A transient two-fluid model for the simulation of slug flow in pipelines-I. Theory［J］. International Journal of Multiphase Flow， 1995， 21（3）： 335-349.

［7］ 李银朋.向上倾斜管道内气液两相流的实验研究［D］.大庆石油学院硕士论文，2007.

［8］ Kazuioshi Minami. Pigging dynamics in two-phase flow pipelines： experiment and modeling［J］. SPE Production & Facilities， 1995， 10（4）： 225-232.

［9］ 林振东.基于COMSOL的三维ECT传感器结构参数研究［D］.沈阳工业大学硕士论文，2015.

Study on the Feasibility of Using COMSOL Multiphysics Software in Numerical Simulation of Gas-Liquid Two-phase Flow

QIN Zi-jun1，LIU Bao-jun1，ZHANG Xue2，HAN Hong-sheng1
（1. Northeast Petroleum University, Heilongjiang Daqing 163318, China；2. Shanxi Natural Gas Limited Company, Shanxi Taiyuan 030000，China）

In multiphase flow experimental pipeline system, the experiment plan and process of gas-liquid two-phase flow in upward inclined pipe were designed，and flow characteristics of gas-liquid two-phase flow were described. Then by using COMSOL Multiphysics software, numerical simulation research of the volume fraction of two-phase flow in 30° upward inclined tubes at different time was carried out, the feasibility of using COMSOL Multiphysics software in numerical simulation of gas-liquid two-phase flow was identified. The results show that analysis results of gas-liquid two-phase flow pattern in inclined pipe by using COMSOL Multiphysics software are basically consistent with results of indoor experimental methods, so COMSOL Multiphysics software has high credibility, can be used in analysis of gas-liquid two-phase flow pattern.

upward inclined pipe; gas-liquid two-phase flow; flow pattern figure; numerical simulation

秦梓钧（1992-），男，硕士，研究方向：石油与天然气工程。E-mail：974628268@qq.com。

TQ 018

A

1671-0460（2016）05-0916-04

2016-03-30

秦梓钧（1992-），男，黑龙江省大庆市人，在读硕士研究生，2014年毕业于东北石油大学油气储运工程专业，研究方向：石油与天然气工程。E-mail：974628268@qq.com。