基于计算流体力学的90° 弯管气液两相流数值模拟及流型演化

气液两相流在化学工程、核能工程、低温工程及油气输送工程等领域广泛存在，在实际工程应用中，管道输送一般具有不同方向的流动通道，需要通过弯管来改变气液两相流流动方向，其中90° 弯管应用最为广泛.与单相流相比，两相流在气相上引入了液体浮力，流过90° 弯管时，在重力、离心力和浮力的综合作用下会产生复杂的流动特性，如逆转流、溢流及二次流等现象，对于管道完整性造成潜在威胁.

有研究表明采用针对性护理能够有效的提高患儿的治疗效果,改善其临床症状。其通过对患儿进行心理护理,缓解不良情绪的发生;消毒隔离护理,为患儿提供一个良好的治疗环境;病情观察,时刻关注患儿病情的发展,预防不良情况的发生;饮食指导,指导患儿健康饮食,加快患儿的恢复速度;臀部护理,指导其家属做好相应的清洁工作,避免并发症的发生。本研究分析护理干预对小儿秋季腹泻治疗及预后的影响,结果显示,观察组治疗总有效率明显高于对照组,且止吐时间、止泻时间以及退热时间均短于对照组(P<0.05)。

目前，气液两相流流经 90° 弯管的研究主要采用试验及数值模拟，Kim等研究了90° 和45° 弯管对于气液两相流局部参数及输运特性的影响，结果表明，弯管的存在可以导致气泡破裂，进而改变截面含气率的变化，研究主要为竖直管内的单一泡状流型.Saidj等通过电导探针方法测量了弯管处的截面含气率变化，表明通过弯头后截面空隙率有所增加.Vieira等通过相关试验研究了90° 弯管对于水平管内分层流及环状流的影响，结果表明，经过弯头后，气液相位分布及截面速度发生显著变化.Yadav等采用传感器监测流经弯管的空隙率分布，开发了耗散长度模型来量化弯管影响区域的长度.Liu等针对气液两相流流经弯管开展了相关试验，结果表明，气液两相流通过 90° 弯管会产生一定的脉冲力，弯管可以抑制离心力的高频波动分量.综上所述，目前的研究成果主要集中于 90° 弯管处的流动特性，而没有综合考虑气液两相流通过弯管后的流型发展特性，并且相关研究主要集中于单一流型，但是在实际工程应用中，含气率的差异会导致在竖直上升管内形成泡状流、段塞流、搅动流及环状流等不同气液两相流型.不同气液两相流型流经 90° 弯管是一个复杂多变的过程，因此需要考虑更大范围的气液混合速度，可以包括竖直管内不同气液两相流型，探究弯管对于不同气液两相流型的影响.

为补充目前研究内容的空缺，本文以竖直上升 90° 弯管为研究对象，基于Fluent软件，分别采用流体体积(VOF)多相流模型以及Realizable-湍流模型进行数值模拟，针对竖直上升管内特定气液两相流流型，对比实验结果，验证了数值模型的有效性.利用计算流体力学(CFD)数值模型进行大范围气液混合入口速度的数值模拟，重点探究 90° 弯管对于不同气液两相流流型演化、压力分布、速度分布以及截面含气率的影响规律.研究 90° 弯管对流动特性影响的数值模拟方法以及流动特性演化，对后续流固耦合研究及工程设计等具有一定参考意义.

1 数值模型

1.1 控制方程

VOF模型通过求解单一的动量方程并跟踪区域内单相流体的体积分数来模拟两种或两种以上的非混溶流体，能精确地追踪气液相界面的运动变化.在本文研究中，不考虑气液间相变传递过程，其控制方程如下.

式中：、为各坐标分量；为黏性系数分量；为湍流黏性系数；和分别为湍动能()和耗散率()的湍流普朗特数；为速度梯度引起的湍流动能项；为由浮力引起的湍流动能项；为脉动扩张项；和为自定义源项.湍流模型常数定义如下：

总是，高中物理在整个高中阶段是十分重要的，但是其中涉及到的知识比较抽闲且难以理解，需要学生不断通过进行问题的解决来巩固知识并且在知识巩固的过程中提升自身的解题能力.

(1)

式中：为第相流体的体积分数；为第相的密度；为时间；为第相的速度.

尾矿在资源特征上与传统的建筑材料基本相近,主要化学成分为硅、铝、钙和镁氧化物，还有少量碱金属、钛、铁、硫氧化物，因此可以考虑进行整体利用。尾矿用作传统建筑材料，如水泥、混凝土砂石料、免烧砖、空心砖和加气砌块等，其市场需求量巨大，是尾矿的减量化、规模化消纳的主要手段。

(2)

动量方程:

(3)

式中：为体积加权平均密度;为混合速度；为压力；为体积加权平均黏度；为重力加速度；为表面张力.

=+

(4)

=+

(5)

根据青秀山景区的旅游厕所现状，提出适用于旅游景区旅游厕所优化的相关建议。首先，提高厕所设计的科学性，考察景区内部景点交通情况，合理设置旅游厕所的位置，做到间距合适，厕所建筑一目了然，满足游客的如厕需求；然后，提升旅游厕所的服务能力，从以人为本的角度出发，加强厕所文明宣传教育、卫生和管理工作，提升服务质量；最后，重视旅游厕所在建设管理方面的创新工作，推动管理经验和先进技术的交流与推广。

采用连续表面力(CSF)模型模拟气液相界面表面张力，并且将表面张力视为源项添加至式 (3) 中，有

式中：、分别为液相、气相体积分数；、分别为液相、气相密度；、分别为液相、气相黏度.

(6)

(7)

式中：为表面张力系数；为表面曲率；为界面处的表面法向量；为单位法向量.

Realizable-模型由湍流动能方程(方程)和湍流耗散率方程(方程)组成，在计算过程中保持雷诺应力与真实湍流一致，在含有二次流的复杂流动计算中具有一定优势，输运方程如下：

+--+

(8)

(9)

连续性方程：

=045,1=144,=19,

=10,=12

1.2 物理模型及网格划分

本文主要研究竖直上升 90° 弯管对于气液两相流流动演化特性的影响，物理模型取自于文献[10].物理模型包括 90° 弯管、竖直上升管段及水平管段，垂直上升管段长2.5 m，水平管段长4.5 m，直管段内径0.0525 m，弯管半径为 0.076 2 m，如图1所示.气相采用空气，液相采用水，模拟温度为20 ℃，操作压力为 101 325 Pa，水和空气的物理参数如表1所示.

在CFD数值仿真中，网格质量、网格样式及网格数量决定数值仿真的精度，相关研究表明结构化网格更适合两相流数值模拟，因此采用ICEM软件对计算区域进行O型网格划分，并且对管道壁面网格进行加密处理，生成的计算网格如图1所示.

为了进一步定量分析气液两相流流型的演化特性，分别在垂直管段和水平管段设置截面1与截面2，监测截面平均含气率的演化特性，如图6所示.对于泡状流流型，经过弯管后，受气液两相流流型转化影响，截面含气率减小并且出现周期性波动，这是由于在水平管内，液相受重力作用分布于管壁下端，气相在管壁上端不断拉长，导致截面含气率减小.对于段塞流，流过弯管后，在水平管内存在段塞流型的过渡，所以截面含气率仍然存在一定的周期性波动，并且在水平管内，截面含气率的周期变长、数值变化较小.对于搅动流和环状流，由于气体含量较高，流动型态较为稳定， 90° 弯管对于流型演化影响较小，但是在重力和液体浮力的作用下导致气液分层，截面含气率略有减小.

在数值模拟中，入口采用气相混合速度入口边界条件，出口采用压力出口边界条件，壁面采用无滑移壁面边界条件，采用PISO算法进行非稳态离散求解，压力采用PRESTO格式.动量方程、雷诺应力方程及能量方程均采用二阶迎风格式，容积比方程采用Geo-Reconstruct格式，管道入口速度边界条件的数学表达如下：

为了进一步验证4 min还原得到的还原氧化石墨烯的循环稳定性，对该材料在1 A·g-1电流密度下进行了10 000次的长循环恒流充放电测试(图5)。如图， 10 000次循环后，容量保持率高达94%，且库伦效率约为98%，这充分说明仅需远红外光波处理氧化石墨烯4 min，得到的还原氧化石墨烯电极就有优异的循环寿命，适合用作超级电容器的电极材料[26]。

(10)

式中：为气相折算速度；为液相折算速度；,g为气相体积流量；,l为液相体积流量；为管道截面积.

2 数值模型验证

2.1 网格无关性验证

总而言之，写作是一项综合技能，离不开遣词造句、谋篇布局，每个环节都很重要。英语写作能力的提高也不可能一蹴而就，是一个长期积累、逐步提高的过程，需要平时大量的练习。只要我们循序渐进、持之以恒，我们的英语写作水平就一定会不断提高。

2.2 模型验证

利用Saidj等的流型实验结果验证CFD模型的有效性，数值模拟的边界条件参考实验设置.图3所示为实验与数值模拟的流型对比图，图中α为气相(空气)体积分数，当混合相中含气量较低时，气相在液相中以小而分散的气泡分布，管道中心气泡分布较多，为泡状流流型.当较小的气泡连接在一起，气体塞在管道中形成，细长气泡的直径小于管道的直径，并且占据了管道的中心部分，此时为段塞流.当细长气泡开始坍塌并形成不稳定流动，此时为搅拌流.因此，文中选用的CFD模型可以明确区分竖直上升管内的不同气液两相流流型，并且与实验结果相吻合.

为了进一步定量分析CFD模型的有效性，将数值模拟得到的截面空隙率与文献[10]中的实验数据进行对比，如图4所示，图中为界面空隙率均值.由图4(a)可知，截面空隙率的波动特性与实验结果基本一致.将不同气液流流型下的空隙率的波动曲线进行均值化，气泡流、段塞流、搅拌流及环状流的平均空隙率分别为 0.128 2、0.426 5、0.834 2 及 0.895 32，实验测量均值分别为0.134、0.427、0.823及0.86，如图4(b)所示，仿真结果均在误差范围内.通过定性分析与定量分析相结合，进一步验证了本文CFD数值模型的可行性.

各相体积分数在VOF中满足:

3 结果与讨论

3.1 流型演化特性

图5所示为 90° 弯管对于不同气液两相流流型演化特性的影响规律.对于泡状流，流过弯管后气泡在液相浮力的作用下不断向管壁上端移动，液相占据管壁下端.由于气相速度较低，在液相附带作用下，小气泡管壁上端形成细长的气泡段塞，随着流动充分发展，在水平管内演变成特殊的细长段塞流.竖直上升管内的气体段塞通过 90° 弯管后没有出现明显的结构破裂，进入水平管后，在液体浮力作用下气体段塞上移，导致水平管内存在短暂的段塞流型的过渡.随着流动充分发展，在水平管内部发展成为分层-波浪流.搅动流与环状流中含气率较高，竖直上升管内的气柱在经过 90° 弯管后，在液相浮力和重力的作用下气体逐渐向管壁上端移动，而少量液体集中于管壁下端，最终在水平管道演化成为以气相为主的分层-波浪流.

沟通上的障碍，往往会给工作开展带来不必要的麻烦。通过学习哈佛管理课程，我对如何进行有效的沟通有了更加深刻的认识。下面是我的一个案例，案例中的我没有进行有效沟通，给自己带来了不小的麻烦。

在相同工况条件下，选取网格总数分别为553 328 (网格1)、668 008 (网格2)和 782 688 (网格3)的3种网格进行网格无关性验证.图2(a)显示了3种网格在水平管道上游=0.5 m处的混合速度()分布(为截面中轴线)，对于网格2和网格3，截面轴线处的速度分布逐渐吻合.图2(b) 为网格数量对截面空隙率的影响，并且与文献[10]中的实验结果进行了对比.从图中可以看出，基于截面空隙率时间曲线的网格独立性验证具有一定的挑战性.因此，将截面空隙率的波动根据标准差及均值进行量化，如表2所示.网格2的标准差和均值与实验数据更吻合.因此，根据速度分布以及空隙率的标准差和均值，将数量为 668 008 的网格视为网格无关， 用于后续的数值模拟.

3.2 压力分布特性

图7所示为不同气液两相流流型下截面压力分布图(包括截面和截面)，图中为内径.对于泡状流，由于入口混合速度较低，受弯管离心力作用较小，在弯管段压力分布均匀.流经弯管后，水平管内不同截面处绝对压力呈规则分布，管壁下端压力较高.对于段塞流来说，流体在离心力作用下被甩到曲率半径较大的外侧壁面，导致内侧压力较小而外侧压力值较大.随着流动充分发展，最大压力分布于管壁下端.对于搅拌流和环状流，由于入口混合速度较大，流经弯管段时，受离心力作用更加明显，外侧壁面压力明显大于内侧壁面压力.流出弯管后，压力呈现不规则分布，随着流动充分发展，最大压力位于管道下端.因此，随着气液两相流入口速度的增加，受离心力的作用更加明显，弯管外壁面所受的压力越大.同时，气相的引入增加了管道内部压力分布的不规则性.

图8所示为 90° 弯管内不同气液两相流工况下的轴线总压()分布，其中横坐标表示沿垂直管段与水平管段的轴线位置.泡状流与段塞流具有相同的变化趋势，这是由于较大的液体流量会产生较大的摩擦压力损失， 所以在竖直上升管段压力下降趋势明显.进入水平管后，由于水平管内只有摩擦压降，而在竖直上升管内同时受到摩擦压降和流体静压头的作用，所以水平管段压力变化趋于平缓.对于高含气率的搅拌流与环状流，沿轴线压力变化梯度较小.因此，在气液两相流流动中压降损失主要由液相含量决定.

3.3 速度分布特性

当气液两相流通过弯管段时，在离心力、浮升力及重力的作用下，压力分布与流速发生急剧变化，以弯管出口截面为研究对象，截面上压力分布与流速′(切向速度)如图9所示.压差是驱动二次流形成的主要原因，对于泡状流来说，弯管出口截面压力呈现上下对称分布，在压差的作用下出现对称的一对旋涡，标志着二次流的形成.对于段塞流型，由于弯管出口截面压力分布，导致流体由高压区向低压区流动，呈现单一旋涡，此时没有形成明显的二次流现象.对于搅拌流与环状流，由于气相速度较高，弯管出口截面压力分布没有明显的规律，但是在压差的作用下，会形成无规则的二次流现象，并且强度更大.因此，气相的加入使得流过弯管的二次流现象更为复杂.

图10所示为环状流型下切向速度沿水平管的演化特性.由图可知，在弯管出口处为双峰分布，随着流动的进行，双峰逐渐耗散，在沿轴方向的长度为24处，涡量的影响基本消失.因此可以通过切向速度的分布演化表示二次流强度的大小，耗散所需时间越长代表二次流的强度越大.

（2）为满足市场的各种需求，现代机械制造工艺不断创新寻求各种降低成本、提高效率的工艺，在激烈的市场竞争中，唯有抓住市场这个大机遇，才能取得更大效益。

4 结论

以 90° 竖直上升弯管为研究对象，采用CFD方法针对竖直管内不同气液两相流流型通过 90° 弯管后的流动演化特性进行数值模拟，得到不同气液两相流流型通过弯管后的流型转换规律、压力分布、速度分布及截面含气率等流动演化特性，主要结论如下：

垦区集团化、农场企业化改革进一步深化。16个整建制转为省级农垦集团的垦区加大直属企业和资源资产整合重组力度，共组建二级公司700余家，以资本为纽带的母子公司管理体制和现代企业制度更加完善。全国农垦有450多家国有农场基本完成公司化改造。国有农场归属市县管理的垦区积极争取地方政府支持，努力整合区域内各类国有资源资产，壮大国有农业经济实力，共组建区域集团公司55家、专业化农业产业公司202家，比上年末分别增加23家、95家。

(1) 基于VOF模型和Realizable-湍流模型的CFD数值模型可明确区分竖直上升管内气液两相流中的泡状流、段塞流及搅动流等流型，并且与实验结果相吻合.

(2) 不同气液两相流流型通过 90° 弯管后会产生不同程度的二次流现象，在弯管出口处切向速度呈现双峰分布，随着流动发展最终耗散成为单峰分布.通过切向速度的耗散时间可以定性判断二次流的强度.气液两相流通过弯管时，由于离心力的作用，弯管外壁所受面压力高于内壁面，并且随入口混合速度的增加，外壁面所受压力逐渐增加.

(3) 泡状流通过 90° 弯管后在水平管内演化成为细长段塞流，截面含气率减小并且呈现周期性波动.段塞流通过弯管后在水平管内存在段塞流流型的过渡，最终演化成为分层-波浪流，截面含气率整体变化较小.搅动流及环状流由于含气率较高，弯管对于流型的影响较小，流经弯管后演化成为气相为主的分层-波浪流.通过全面的气液两相流流型演化特性研究，为竖直上升 90° 弯管气液两相流诱导应力预测提供必要的理论依据和计算参数.