湿天然气在上倾管道的气液两相流动特性研究

邢 鹏

（西安石油大学，陕西 西安 710065）

1 研究背景

倾斜管内ZNLF条件下的流动实验，是由Gregory等[1]人最早进行研究的，实验过程是先向管内注入一定量的液体，接着逐渐增加气体流量，直到管内的液体被全部排出。Gregory等给出了一系列结论：当初始液相体积不变时，持液率会相应增大，但当管径增大到一定程度，管径对持液率的影响将减小；当初始液相体积增大时，压降会相应增大。

Kokal和Stanislav[2]用 Gregory的实验数据结合Dukler和Nicholson等人的模型，提出了一种压降与持液率随临界携液流速变化较好的模型。

M Birvalski和 G B Koren（2014）[3]的实验方法建立在Amaravadi[4]上。但是，由于他们比较关注管道上倾段的液层，即临界状态下的液层，因此扩展了设置和实验方法来收集这些条件下的所有相关数据。

2 模型建立与网格划分

起伏地形湿气管道示意图如图1所示。该管道包含下倾段和上倾段，其中上下管道与水平方向夹角分别为θ2、θ1。液相（积液） 为水，气相为空气。管道上倾段与下倾段长度均为15D。

图1 起伏地形湿气管道示意图

本文使用ANSYS Workbench中自带的Mesh模块对计算域进行网格划分，本文使用六面体网格来提升网格质量。在对网格进行无关性验证之后，最终网格数确定为35万。

3 结果与讨论

图2 液体在管道上倾段的平铺过程

如图2所示，当入口气速在4m/s左右，气液界面上并未产生较为明显的波动，只能够观察到在气液界面上产生细微的波动，此时的流型属于光滑分层流；当气体的入口速度提升至5m/s左右，液层起始处将会产生明显的波动；当气体入口流速增大到7m/s左右，液层起始处就会产生较大的波动，此时流型将转换为波浪分层流；随着气体入口流速的不断增加，上倾管段液层平铺长度增加，厚度变薄；当入口速度增加到9m/s左右，管道中的积液将全部被带离弯头并平铺于上倾管段[5]。

如图3所示，由于初始入口气速过低，气体无法携带液体向管道上倾段移动，因此上倾段液层长度为积液在上倾段的初始平铺长度。当入口气速低于5m/s时，气体流速对流动几乎没有影响。当入口气速大于5m/s，管道上倾段液层长度明显增大。当入口气速达到9m/s时，液层已经完全平铺于管道上倾段。

图3 入口气速对液体向管道上倾段移动的影响

4 结语

为了描述这一现象，首先需要将力的方向作以下定义：与气体流动方向相同的力为动力，与气体流动方向相反的力为阻力。气液界面上的剪切应力为动力；液体受到管道方向的重力分力为阻力。当动力大于阻力时，液体会朝着管道上倾段加速流动，管道弯头处的持液率会下降；当动力小于阻力时，液体会朝着管道上倾段相反的方向加速流动，管道弯头处的持液率会上升，液体会朝着管道弯头处积聚。