山区水平管流型数值模拟研究

摘 要：【目的】山区管道低洼处易积液形成腐蚀环境，而现场因高含硫无法打开管道，因此需要研究如何直观了解管道内部流型。【方法】利用计算流体动力学CFD，采用VOF模型耦合RNG k-ε模型研究不同速度、不同含液率下水平管道的流型分布、压力分布及含气率。【结果】结果发现：某气田流常见工况下管道内流型以层流为主，流速和含液率增加时，流型发生变化，混合速度Vmix=9.00 m/s时，体积分数Vol=0.3，出现分层流夹带（波浪、气泡），表现为过渡，当流速和含液率均增大时，分层流夹带（波浪、气泡）过渡为气泡流。【结论】研究发现，某山区常见工况下水平管含液率和流速存在主次竞争关系，流速增加会使气液界面扰动增大、携液能力增强，进而有助于避免积液腐蚀，研究成果可为山区水平管道流型研究提供参考。

关键词：含气率；气液两相流；油气管道；流型分布

中图分类号：TE832" " "文献标志码：A" " "文章编号：1003-5168（2024）09-0052-06

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.09.011

Numerical Simulation of Flow Pattern in Horizontal Pipe in

Mountainous Area

WU Yiming LIAO Chen ZENG Hui

（Second Gas Production Plant of Sinopec Southwest Oil and Gas Company，Langzhong 637400，China）

Abstract：[Purposes] Due to the corrosion environment caused by liquid accumulation in the low-lying area of the pipeline in mountainous areas，the pipeline cannot be opened due to high sulfur content. Therefore， it is necessary to study how to intuitively understand the internal flow pattern of the pipeline.[Methods] Therefore，this paper uses CFD（VOF and RNG k-ε） to explore the flow pattern distribution，pressure distribution， gas content and other processes of horizontal pipeline with variable speed and variable liquid content.[Findings] The results showed that： under common working conditions of a certain gas field flow，the flow pattern in the pipeline is mainly laminar flow.When the flow velocity and liquid content increase， the flow pattern changes. When Vmix=9.00 m/s，Vol=0.3，stratified flow entraining（wave and bubbles） appears，showing a transition state.When the flow rate and liquid content continue to increase， the certain（wave，bubble） of stratified flow becomes a bubble flow.[Conclusions] It is found that there is a primary and secondary competition between the liquid content and the flow rate of the horizontal pipe under common working conditions in a mountainous area. The increase of the flow rate will increase the disturbance of the gas-liquid interface and enhance the liquid carrying capacity， which will help to avoid the corrosion of the liquid accumulation. The research results can provide a reference for the study of the flow pattern of horizontal pipelines in mountainous areas.

Keywords： gas content; gas-liquid two-phase flow; oil and gas pipeline; flow pattern distribution

0 引言

我国有着丰富的油气资源，管道是输送油气的重要工具。山区高含硫管道因为积液、地形起伏、油气流速、含水率等变化会使油气管道腐蚀加剧，因此掌握油气管道内部流型对管道油气输送工作具有一定的指导意义。

近年来，为了解管道内部的流型情况，许多学者对管道内多相流进行了研究，赵铎［1］使用FLUENT模拟了管道两相流流型；代理震等［2］研究了天然气水平井中起伏管段的积液规律；邢鹏［3］通过VOF模型探究了上倾管道流动特性；韩楚君等［4］综述了低含液气液两相流现状；Yan等［5］也均对气液多相流进行了模拟研究。目前，对管道内多相流的研究多集中在小管径气液两相流的模拟，与实际工况有所差别，山区油气管道实际直径偏大。本研究主要结合CFD针对混合流速为0.86～9.00 m/s、含液率为0.3～0.8、管径为219 mm的工况进行气液两相流数值模拟。

1 数值模型

1.1 控制方程

为了便于研究，在本次模拟中把模型进行简化，将水平管道中的气液流体视为不可压缩流体，则连续性方程及其动量方程如下。

①连续性方程见式（1）。

[αρmαt+∇⋅（ρmv）=0] （1）

式中：[ρm]为混合流体密度，kg/m3；v为流体流速，m/s 。

②动量方程见式（2）。

[∂（ρmυ）αt+∇⋅（ρmυυ）=∇⋅（τ⋅⋅）+ρmf] （2）

式中：[τ⋅⋅]为黏性应力张量；f为作用在单位质量流体微元体上的体积力，N。

其中，

[ρm=αρa+（1-α）ρw]" （3）

[μm=αμa+（1-α）μw] （4）

式中： [ρa]为气相密度； [ρw]为气相密度；[μa]为气相动力黏度；[μw]为液相动力黏度；[α]为气相体积分数。

具体模拟参数见表1。

1.2 计算域及网格

本研究选择219 mm管径、流速为0.86、3.50、9.00 m/s、含液率为0.3、0.5、0.8的工况采取结构化网格进行划分，对壁面处网格进行局部加密，入口边界条件为速度入口、出口为压力出口，壁面采取无滑移边界条件，选取非稳态、压力基；采用VOF模型耦合RNG k-ε模型进行数值模拟。计算域如图1所示，网格划分如图2所示。本研究对管道壁面网格进行加密，整体采用结构化网格进行划分，以满足工程要求，CFD计算中用来估计第一层网格高度的无量纲量y+=1，网格增长率1.2，第一层网格高度为6.405 97 e-5m。

1.3 模型验证

分层流模型如图3所示。选取管径90 mm、含液率为0.75、Vmix=0.55 m/s模型参数进行验证，得到曼徳汉流型图［7］分层流，证明了本数据模型的可行性。

2 结果与讨论

2.1 含液率0.3

不同时刻气体体积分数分布和不同时刻液体体积分数分布如4、图5所示。当含液率为0.3时，随着时间的延长，不同混合流速下的流体均流过管道距离发展至流型稳定，流速越大，流型发展的速度越快。当混合流速为0.86 m/s时，气液界面先下降后稳定，这主要是受液体重力影响，同时流体因为流速过低，在管底附着流动，无法携液，表现为分层流；当混合流速为3.50 m/s时，气液界面最初在管道中呈现缓慢下降趋势，发展出现分层流带波动气液界面，受流速增大的影响，管道中液体扰动增强，液面在管道中的附着高度增加，流型变化发展时间快于Vmix=0.86 m/s；当混合流速为9.00 m/s时，随时间的延长，流型不断发展，稳定后表现为分层流，气液界面出现波动，附着于管壁的高度变大，液体内部夹杂气泡同时向下流动，这主要是因为流速增加导致的。

不同时刻气体压力分布如图6所示。当Vmix=0.86 m/s时，压力分布与流型保持一致，表明流速过低时在管道中呈现低附着高度的层流形态，同时发现气液界面的压力低于流场内部压力，随着时间的延长，气液界面低压端向管道不断发展；当Vmix=3.50 m/s时，气液界面压力分布同样出现分层现象，并且出现气体扰动液滴的现象；当Vmix=9.00 m/s时，扰动显著增加，气液界面的液滴被气体携带，呈现不规则现象。

当含液率为0.3时，选取（0.1，-0.109 5）管底壁面为固定点，监测气体含量如图7所示。当混合速度0.86 m/s时，在以上采样点中发现天然气含气率最小，起伏稳定，且稳定基本趋于0；当混合速度为3.50 m/s时，曲线位于9.00 m/s和0.86 m/s之间，波动较大；当混合速度为9.00 m/s时，曲线位于最上方，有轻微上扬趋势，含气率最大，接近于1。这主要是因为当含液率较低时，速度越大对流体的扰动越大，气体会出现携带液体的现象，出现气液交替，流速越大，携带能力越强，含气率就越高；流速越小，携带能力较弱，流体分层附着在管壁，液体覆盖使得含气率较低。

2.2 含液率0.5

不同时刻气体体积分数分布和不同时刻液体体积分数分布如图8、图9所示。当含液率0.5、Vmix=0.86 m/s时，随时间的延长，流动变稳定，表现为明显的分层流，气液界面稳定，波动较小，入口含气率较高，液体携带气体向下游逐渐扩散；Vmix=3.50 m/s时，流体充斥管道面积增大，同样变现为分层流，气液界面不稳定，呈现波浪状，流速增大携带裹挟气体的能力增强，气体扩散距离增加；当Vmix=9.00 m/s时，流速增大使得液体充斥管道，表现为气泡流，并随着流体向下发展。

不同时刻气体压力分布如图10所示。当Vol=0.5时，不同速度下静压分布出现分层，这是由于流型为分层流，当Vmix=0.86 m/s时气液界面较为光滑；当Vmix=3.5 m/s时气液界面较为波动，同时出现多层静压分布，层间界面均出现波动；当Vmix=9.00 m/s时，表现与Vmix=3.5 m/s相似，但界面波动表现更为明显。三种混合速度下高压端均出现在流体底层，低压端出现在流体上层。

以Vol=0.5，（0.1，-0.1095）管底壁面为固定点监测气体含量如图11所示。当Vmix=0.86 m/s时，含气率同样较低，但是出现起伏，说明0.5含液率时候液体会携带气体流动，当Vmix=3.50 m/s时，含气率起伏较大，验证了上文提到的气液界面波动增强，携液增强；当Vmix=9.00 m/s，速度变大，携液能力进一步增强，使得固定点的平均含气率均高于其余速度下的平均含气率，这对管道积液有所改善。

2.3 含液率0.8

不同时刻气体、液体体积分数分布如图12和图13所示。由图12、图13可知，流体受重力影响，气液界面以倾斜角度向前发展，Vol=0.8时，Vmix=0.86 m/s表现为分层流，Vmix=3.50 m/s、9.00 m/s表现为气泡流，这是因为含液率和流速较高共同影响的原因，扰动增强，使得流体充斥管道内并夹带气泡，即使含液率较高，但是流速过低，携液能力较低，流体扰动较弱。

如图14所示，Vol=0.8时，三种混合速度下静压分布同样出现分层情况，由管底向管顶静压逐渐降低，Vmix=0.86 m/s压力分层界面比其余两种速度下表现得更光滑，低流速的扰动能力较弱。

图15为选取（0.1，-0.1095）管底壁面为固定点监测气体含量，可以看到当Vol=0.3时，Vmix=9.00 m/s的整体曲线含气率最高，这主要是由于含液率低，流速高携液能力强，当Vol=0.3时，同一速度下，随着流速增大，含气率整体偏高；含液率0.5时，同样流速增大，含气率整体偏高；当Vol=0.8时，整体含气率偏低，这主要是由于含液率大于一定值时，含液率成了主导因素，流速的增加变为次要影响因素。当流速Vmix=9.00 m/s时，随着含液率增大，含气率呈现降低；Vmix=3.50 m/s，含液率大于某个值时，含气率整体偏低，而在含液率为0.3、0.5时并无明显规律；Vmix=0.86 m/s整体流速过低，导致整体含气率偏低，此时主要因素变为低流速控制，使得流体附着在管壁上流动，携液能力变差，而含液率变成次要影响因素。

选取 T=0.3 s下管底不同位置处含气率，由图16 可知，Vol=0.8时，管底不同位置处含气率均偏低，Vol=0.3、0.5 时，高流速携液能力增强， 0.86 m/s 流速下限制气体生产，流体覆盖积累在管壁，造成低流速，腐蚀多积液的管道内壁。

流型分布见表2。在不同工况下，大部分出现分层流，当流速增加到3.50 m/s，分层流中出现夹带波浪、气泡，当Vmix=9.00 m/s、Vol=0.3时，同样出现分层流夹带（波浪、气泡），表现为过度，当流速和含液率均增大时，分层流夹带（波浪、气泡）过渡为气泡流，携液能力增强。

3 结论

①管道内流型受流速和含液率二者的影响，Vmix=0.86 m/s时，Vol=0.3、0.5、0.8均表现为分层流；Vmix=3.50 m/s时，Vol=0.3、0.5、0.8，出现分层流夹带（波浪、气泡），表现为过度，Vmix=9.00 m/s时，Vol=0.3表现为分层流夹带（波浪、气泡），含液率增大变为气泡流。

②当Vol=0.8时，整体含气率偏低，含液率成了主导因素，流速的增加变为次要影响因素；当Vmix=0.86 m/s时，整体流速过低，导致整体含气率偏低，此时主要因素变为低流速控制，使得流体附着在管壁上流动，携液能力变差，而含液率变成次要影响因素，增大流速，减小含液率有助于避免管道腐蚀环境的形成。

③低流速下容易积液，易造成腐蚀环境。为减轻腐蚀环境的形成，应该严格把控清管效果，清除积液，提高气流速度利于携液。

参考文献：

［1］赵铎.水平管内气液两相流流型数值模拟与实验研究［D］.青岛：中国石油大学，2008.

［2］代理震，蔡凌，张兴凯，等.水平井小角度起伏管段积液规律的数值模拟［J］.断块油气田，2019，26（6）：747-750.

［3］邢鹏.湿天然气在上倾管道的气液两相流动特性研究［J］.云南化工，2020，47（2）：69-70.

［4］韩楚君，吴楠楠，刘朝旭.石油天然气管道系统中的低含液气液两相流研究综述［J］.辽宁化工，2023，52（2）：286-288.

［5］YAN Y，LI J B，WANG S L， et al.Gas-liquid two-phase flow behavior in terrain-inclined pipelines for gathering transport system of wet natural gas［J］.International Journal of Pressure Vessels and Piping， 2018， 162：52-58.

［6］张洋洋，刘志慧，耿光伟，等.多相流流动对管道腐蚀状况研究［J］.盐科学与化工，2021，50（12）：5-10.

［7］MANDHANE J M， GREGORY G A， AZIZ K. A flow pattern map for gas-liquid flow in horizontal pipes［J］. Int. J. Multiphase Flow， 1974， 21（1）： 537-553.