基于CFD仿真下多相流检测精度影响因素研究

韩思奇 王涛 朱少锋 邵欣

摘   要：在石油、天然气等化工领域的流体运送过程中经常会遇到多相流检测问题，有效并精确地对多相流流量进行测量能够有效降低运营成本、提高装置运行的可靠性。通过设计V锥流量计结构，结合多相流测量修正模型进行多相流流动实验，并利用CFD仿真的方法分析多相流测量精度的影响因素，为工业流体输送技术的改进提供了参考。

关键词：V锥流量计;数学模型;CFD模拟仿真;多相流模型

1    多相流检测介绍

石化能源企业的发展迅速，多相流量越来越成为目前国际上专家关注的焦点技术。多相流常用在提炼贵重金属、石化能源、化学工业区、长距离管道传输及制药制冷等方面，不管是在轻工业还是重工业生产中都具有重大意义。但是在工业生产时也会出现很多经济方面的问题与技术人员的人身安全问题，所以，对两相或者是多相流流动机理和传输状态的描述以及测量所得相关参数的准确性的研究具有非常重要的实际意义[1]。

V锥流量计是在20世纪80年代出现在人们视线的，由于其特殊的构造使得物质在流过它时局部收缩并向着管道内壁挤压，形成流体截面积渐渐缩小的环状压缩，流动物质在此压缩进程中被加速[2]。在一个没有阻碍流体通过的管道中，物质的速度趋势呈现凸形。处在上方的器件会干扰流体速度的分布。V形锥体的形状可以让流动物质的凸性速度分布、分散，从而使速度更均匀。总体而言，V锥流量计的优点有很多，如测量程度宽、无须清洁、压力损失小、需要的直管道距离小等[3]。

本篇文章模拟了直径为0.55的V锥流量计的实验及过程，且对近几年使用较为广泛的多相流模型进行校正，同时结合计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）软件仿真模拟的方式对管道内流动介质的情况进行模拟测试，以验证V锥流量计的可靠性。

2    物理模型

2.1  几何模型建立

利用geometry软件建立长0.3 m、内径0.04 m的直管模型，V锥流量计是利用同轴安装在管道中的“V”形尖圆锥将流体逐渐地节流收缩到管道的内边壁，通过测量“V”形内锥体前后的差压来实现测量流量[4]。V锥处于管道中间位置，锥体前后管道长度均为5D以上。模型建立后利用Workbench中的meshing软件进行网格划分，网格类型为混合网格，V锥区域进行局部网格加密处理，划分成功后网格数量约为85 000，随后进行网格无关性验证。

2.2  CFD参数设置

本研究采用CFD系列中的Fluent进行数值模拟，采用双精度求解器，Mixture多相流模型，湍流模型为k-ε模型，油性材料选择液态辛烷（C8H18），主相为水，辛烷体积分数为10%，边界条件设置为速度入口和压力出口，初始流体入口速度为0.2 m/s，湍流参数设置采用湍流强度和水力直径[5]。

2.3  多相流数学模型

对与油水两相流的测量最常用的方式是用差压法测量得到相对应的差压和流量的信息，在油水两相流测量中，此方式测量流量的模型通常称为压降模型。压降模型分为两种：分离模型和均质模型。分层模型指在管道中流动的油水会有分层状的现象，并且有明显的分层界限，随着新的技术和需求不断发展，一开始的分离模型已不能得到想要的效果，三层分离模型和四层分离模型便在此基础上被设计成型。均质模型是一个相对先进的模型，在现实中应用得到的效果较好[6]。均质模型是观察和解决油水两相流动最简单的方式，当流动速度高时，油和水两相在管道内充分搅拌混合，形成分散流型。只要混合的黏度可知，可以使用均质模型，但其关键是油水混合物有效黏度的计算。因为均相流模型的分析方便，且均相流的理论已经有了很可观的基础，所以此次文章中的油水实验以均相流为研究基础，进行油水两相流流量的测量和研究。

在利用差压信号测量均相两相流流量的模型中，假定油水两相流在管道中的流动是均匀的，两相介质已达到热力学平衡，按绝热膨胀过程得到油水两相流流量为[7]：

其中，G为油水总质量流量，C为V内锥的流出系数，β为V内锥的等效直径比，A为V型内锥的流通截面积，Δp为V锥上下游的差压，ρm为流过管道的油水混合物的密度。

3    结果分析

3.1  影响因素分析

多相流的压降特性与管截面上两种流体的相分布有很大关系，而流态在很大程度上又取决于含水体积分数，同时还受混合物流速、流体密度、粘度、管壁粗糙度等因素的影响。

实验开始时管路中流动的全部为水，逐渐向水中增加油的体积分数，但保持混合物的流速或流量不变，即可得出流型、多相流摩擦压降随含水体积分数的变化情况。当管路中油的体积分数较小时，通过仿真可以观察到，细小的油珠均匀分散在连续的水中，管壁上也可能粘有少量细小的油滴，此时油水二相间无明显的相对滑移，即为典型的水包油流型，同时由于管路水平布置，密度较小的油滴受浮力作用而偏于在管截面的上部分布。继续增加油的体积分数，连续水相中的油滴越来越多，小油滴相互碰撞合并成较大油滴的概率也升高，连续水相中开始出现了许多大油滴。随着含水体积分数的进一步减小，大油滴又相互合并形成更大连续的油块，与此同时，在二相湍动下，部分水被破碎成小水滴分散在大的油块中。

3.2  物理云图分析

图1给出了等效直径比0.55、流速0.3 m/s、油水体积比0.1时的各物理场云图。分析可知：当多相流过锥体时，由于锥体的节流作用使流场中低压区出现在锥后，下游距锥体一定位置压力开始迅速回升，距锥体0.425 m处压力逐渐趋于某一定值。由速度场云图可以看出，最大速度出现在节流面积最小及偏后区域，速度可达5.5 m/s，且锥后一定位置出现了涡流，从计算的数据可知：下游管路中轴线速度与同一截面相比较低，越靠近管壁速度相对越大。而湍动能最大值则出现在锥体下游涡流上部靠近管壁处，此处由于速度梯度差异较大，流体脉动强烈，故湍动能最大。从水相体积分数云图可以看出：体积分数最小的区域与压力最低的区域相一致，可见压力是引起水相分布的主要因素，且随着下游压力的迅速恢复，水相介质分布逐渐均匀。

3.3  修正模型分析

影响修正系数θ的最主要因素是气液密度比，它是二相流动中最主要的特征参数之一。因此，在一定的压力下，修正系数是多相流密度比的函数。在本研究中，模拟条件均是在标准大气压下进行的。在同一密度比条件下，设置不同的油相流量和液相流量即可获得一组压差值。根据实验及仿真结果可以发现，除个别点外，直径比为0.55的V锥流量计总质量流量测量相对误差在±3%之内，与前人研究相比，所建多相流修正模型测量误差较为稳定，流量计流量测量模型精度得到了很大的提升。

4    结语

本研究结合当今石油化工领域多相流测量这一研究热点，通过实验及CFD仿真的方法，设计V锥流量计结构，结合修正后的多相流测量模型，分析多相流测量精度的影响因素。根据实验结果分析，多相流体积比、初始流速、管道粗糙度、等效直径比等都会对管道内流体压力及速度等造成影响。

[参考文献]

[1]徐帅，张振庭，杜明俊，等.基于V锥流量计的油水两相流数值研究[J].节能技术，2011（4）：306-310.

[2]贺登辉，鲁斌，李星，等.双差压式湿气流量在线测量新方法研究[J].工程热物理学报，2013（5）：878-882.

[3]付玉红，曲明艺，卢日新，等.油气水多相流在线测量技术的研究和现场应用[J].仪器仪表学报，2002（Z1）：42-43.

[4]賀登辉，柳海，张锋，等.V锥流量计湿气流量测量新模型[J].西安交通大学学报，2013（1）：32-36.

[5]谭超，董峰.多相流过程参数检测技术综述[J].自动化学报，2013（11）：1923-1932.

[6]陈满堂，姜渭宇，刘伟光，等.用于航空燃油流量测量的V锥流量计的研究[J].电子测量与仪器学报，2016（8）：1167-1174.

[7]徐英，陈吴晓，张涛，等.湍流模型对双支撑型V锥流量计的适用性研究[J].仪器仪表学报，2015（2）：459-465.