节流对立管内流型及压降变化影响的数值研究

杨 洋

（中海油能源发展装备技术有限公司设计研发中心，天津 300452）

海底管道作为“海洋油气生命线”，其运行状态直接关乎着整个深海油气系统的安全运行。Yocum[1]最早发现严重段塞流是存在于集输-立管系统中的一种有害流型，严重段塞流形成时，直接影响海管系统的平稳运行，所以消除严重段塞流的危害是降低海管运行风险的关键。

国内外众多学者通过实验对严重段塞流的消除方法进行了深入研究，Schmidt[3]等最早提出了采用立管顶部节流方法增加系统背压来抑制和消除严重段塞流；Jansen等提出气举法来减缓或消除严重段塞流，足够多的注气量也可以使立管中流型转变为环状流；本文采用数值模拟技术，针对立管严重段塞流的节流控制进行三维数值模拟，研究了不同节流度对段塞流流型及压降变化规律的影响。分析入口流速和出口压力对段塞流流型变化的影响。所得成果可为实验及理论研究提供一定的指导。

1 模型的建立

1.1 物理模型

本文采用气水两相作为研究对象，立管内径26mm，节流下端管长1 000mm，节流上端管长500mm；节流段内径12mm，长40mm，结构化网格单元划分：2，305，800，计算步长0.01s，整个三维计算模型采用结构化网格进行单元划分。

1.2 数学模型

采用CLSVOF耦合算法来求解气水两相流动问题。CLSVOF算法是Level Set方法与VOF方法的一种耦合算法，在求解表面张力为主导的问题上，能够得到更精确的相界面曲率值，可有效提高计算精度。气水两相流动控制方程如下：

2 数值模拟及结果分析

Schmidt（1980），Taitel（1986），王鑫（2006）等 国内外学者研究表明，严重段塞流常发生于气液流速相对较低的集输-立管中，完整的严重段塞流包括液塞生长、液体流出、进入立管、喷发与回落四个阶段，为了分析节流部件对严重段塞流及立管压力分布规律的影响，计算初期，节流部件内充满水，再以空气速度为0.5m/s进入研究对象，使其在立管底部形成弹状气柱（段塞气柱），用来模拟严重段塞流发生时，立管顶端液体流出和大气泡进入立管底端阶段，通入空气0.5s后管道内气液两相分布云图如图2所示。

如图1所示，当通入空气0.5s，立管管道底端已经形成了长度约0.25m的段塞气柱，模拟大气泡进入立管底端形成段塞气柱，0.5s后，立管底部入口开始注入水相，节流部件下端形成气液段塞间歇式流动，不同时刻，立管与节流部件管内气液两相三维空间分布流型显示，当段塞气泡前端运移到节流部件时，在压力快速变化的扰动下，大团气泡逐渐开始破裂，部分小气泡在通过节流部件后，又开始重新聚并，形成泡状流。从计算的结果来看，节流部件可减小甚至消除严重段塞流与之产生的危害，但是节流度的设置及节流级数还需要根据实际工况进行优化。

图1 管道内气水两相分布图（混相、剖面）

图2给出了段塞流发生前，管内液相流动压降曲线。通过曲线可知：当液相流体流经节流部件时，由于阻力突然增大，流速加快，压力降低，节流前后出现负压，形成空化。图3给出了段塞流运移过程，不同时刻立管轴向压降的变化曲线。由图3不难看出，气塞在流经节流部件前，气塞段压力较高，且随着气塞不断前移，高压端也随之前移，这也是段塞流危害的主要表现，当气塞流经节流部件时，由于流道突然变窄，气速过快，压力迅速降低，且波及范围较广，此时节流前端整个管段均处于负压区。

图2 不同时刻管道轴向压降曲线

图3 不同时刻管道轴向压降曲线

3 段塞流影响因素分析

3.1 节流度

表1-2给出了不同节流孔径在不同位置的压力变化，从计算数据可知，随着节流孔径的减小，节流部件前节点压力升高，不同位置压降差值增大，最终出口压力降到0。由此可见，增加节流部件，在不同节流孔径的作用下，会提高管内背压，抑制气团向上运动，节流孔径越小，背压越大，气团上升的速度越慢。

表1 节流孔径12mm不同位置的压力变化

表2 节流孔径10mm不同位置的压力变化

由表1-2可知，不同节流孔径在不同位置的压力波动规律一致，随着节流孔径的减小，介质通过节流孔径的阻力增加，节流部件入口处压力急速下降，通过节流部件的流速增加，导致气团以弥散小气泡的形式通过节流孔径，形成稳定的泡状流，这样的泡状流在管道内并非均匀分布，气泡长度减小，消除了严重段塞流现象。

3.2 出口压力

表3-4给出了节流口径10mm，不同出口压力条件下的管内不同位置的压力变化。从计算的数据发现，随着出口压力的提高，整个管道压力均升高。从不同位置的压力与出口压力的差值看出，在节流孔径不变的情况下，随着出口压力的升高，节流部件前端管内不同位置的相对压力基本相同，这符合不可压缩流体的基本特性。当气塞流经节流部件时（120s），压力随之变化，整体表现为节流前端，随着出口压力的升高，管内不同位置的压力随之增大，节流后端，随着出口压力的升高，管内压力随之降低。

表3 出口总压力0Pa不同位置的压力变化

表4 出口总压力0.2MPa不同位置的压力变化

图4给出了不同出口压力条件下的管内气泡运行规律及流型变化，对于低压系统来说气相可认为不可压缩，从得到的气相分布云图来看，相同孔径不同出口压力，节流前端气相分布规律基本相同，受系统压力的影响较小。

图4 不同出口压力不同时刻管内流型图

4 结论及建议

本文采用FLUENT软件建立立管节流部件模型，对气团进入纯液立管发生严重段塞流进行模拟：

1）节流部件可以减缓或消除立管严重段塞流，将严重段塞流转变为泡状流，且节流孔径越小，阻力越大，气团上升的速率越慢，节流前端整个管段均处于负压区。

2）同一孔径不同出口压力条件下，节流前端气相分布规律基本相同，受系统压力的影响较小，对立管内流型转变影响较小。

3）位于立管旁通处安装多级节流部件或单多级节流部件+阀门操作，对严重段塞流的抑制和消除效果有待进一步研究。

4）考虑节流部件截面结构、管道长度，油气水三相介质等更多因素，将三维数值模拟简化二维，提高计算速率，增加进出口条件工况点，进一步研究对集输管线压降的影响规律。