韓思奇 王濤 朱少鋒 邵欣

摘? ?要：在石油、天然氣等化工領(lǐng)域的流體運(yùn)送過程中經(jīng)常會(huì)遇到多相流檢測(cè)問題，有效并精確地對(duì)多相流流量進(jìn)行測(cè)量能夠有效降低運(yùn)營成本、提高裝置運(yùn)行的可靠性。通過設(shè)計(jì)V錐流量計(jì)結(jié)構(gòu)，結(jié)合多相流測(cè)量修正模型進(jìn)行多相流流動(dòng)實(shí)驗(yàn)，并利用CFD仿真的方法分析多相流測(cè)量精度的影響因素，為工業(yè)流體輸送技術(shù)的改進(jìn)提供了參考。

關(guān)鍵詞：V錐流量計(jì);數(shù)學(xué)模型;CFD模擬仿真;多相流模型

1? ? 多相流檢測(cè)介紹

石化能源企業(yè)的發(fā)展迅速，多相流量越來越成為目前國際上專家關(guān)注的焦點(diǎn)技術(shù)。多相流常用在提煉貴重金屬、石化能源、化學(xué)工業(yè)區(qū)、長距離管道傳輸及制藥制冷等方面，不管是在輕工業(yè)還是重工業(yè)生產(chǎn)中都具有重大意義。但是在工業(yè)生產(chǎn)時(shí)也會(huì)出現(xiàn)很多經(jīng)濟(jì)方面的問題與技術(shù)人員的人身安全問題，所以，對(duì)兩相或者是多相流流動(dòng)機(jī)理和傳輸狀態(tài)的描述以及測(cè)量所得相關(guān)參數(shù)的準(zhǔn)確性的研究具有非常重要的實(shí)際意義[1]。

V錐流量計(jì)是在20世紀(jì)80年代出現(xiàn)在人們視線的，由于其特殊的構(gòu)造使得物質(zhì)在流過它時(shí)局部收縮并向著管道內(nèi)壁擠壓，形成流體截面積漸漸縮小的環(huán)狀壓縮，流動(dòng)物質(zhì)在此壓縮進(jìn)程中被加速[2]。在一個(gè)沒有阻礙流體通過的管道中，物質(zhì)的速度趨勢(shì)呈現(xiàn)凸形。處在上方的器件會(huì)干擾流體速度的分布。V形錐體的形狀可以讓流動(dòng)物質(zhì)的凸性速度分布、分散，從而使速度更均勻?？傮w而言，V錐流量計(jì)的優(yōu)點(diǎn)有很多，如測(cè)量程度寬、無須清潔、壓力損失小、需要的直管道距離小等[3]。

本篇文章模擬了直徑為0.55的V錐流量計(jì)的實(shí)驗(yàn)及過程，且對(duì)近幾年使用較為廣泛的多相流模型進(jìn)行校正，同時(shí)結(jié)合計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）軟件仿真模擬的方式對(duì)管道內(nèi)流動(dòng)介質(zhì)的情況進(jìn)行模擬測(cè)試，以驗(yàn)證V錐流量計(jì)的可靠性。

2? ? 物理模型

2.1? 幾何模型建立

利用geometry軟件建立長0.3 m、內(nèi)徑0.04 m的直管模型，V錐流量計(jì)是利用同軸安裝在管道中的“V”形尖圓錐將流體逐漸地節(jié)流收縮到管道的內(nèi)邊壁，通過測(cè)量“V”形內(nèi)錐體前后的差壓來實(shí)現(xiàn)測(cè)量流量[4]。V錐處于管道中間位置，錐體前后管道長度均為5D以上。模型建立后利用Workbench中的meshing軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格類型為混合網(wǎng)格，V錐區(qū)域進(jìn)行局部網(wǎng)格加密處理，劃分成功后網(wǎng)格數(shù)量約為85 000，隨后進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證。

2.2? CFD參數(shù)設(shè)置

本研究采用CFD系列中的Fluent進(jìn)行數(shù)值模擬，采用雙精度求解器，Mixture多相流模型，湍流模型為k-ε模型，油性材料選擇液態(tài)辛烷（C8H18），主相為水，辛烷體積分?jǐn)?shù)為10%，邊界條件設(shè)置為速度入口和壓力出口，初始流體入口速度為0.2 m/s，湍流參數(shù)設(shè)置采用湍流強(qiáng)度和水力直徑[5]。

2.3? 多相流數(shù)學(xué)模型

對(duì)與油水兩相流的測(cè)量最常用的方式是用差壓法測(cè)量得到相對(duì)應(yīng)的差壓和流量的信息，在油水兩相流測(cè)量中，此方式測(cè)量流量的模型通常稱為壓降模型。壓降模型分為兩種：分離模型和均質(zhì)模型。分層模型指在管道中流動(dòng)的油水會(huì)有分層狀的現(xiàn)象，并且有明顯的分層界限，隨著新的技術(shù)和需求不斷發(fā)展，一開始的分離模型已不能得到想要的效果，三層分離模型和四層分離模型便在此基礎(chǔ)上被設(shè)計(jì)成型。均質(zhì)模型是一個(gè)相對(duì)先進(jìn)的模型，在現(xiàn)實(shí)中應(yīng)用得到的效果較好[6]。均質(zhì)模型是觀察和解決油水兩相流動(dòng)最簡單的方式，當(dāng)流動(dòng)速度高時(shí)，油和水兩相在管道內(nèi)充分?jǐn)嚢杌旌?，形成分散流型。只要混合的黏度可知，可以使用均質(zhì)模型，但其關(guān)鍵是油水混合物有效黏度的計(jì)算。因?yàn)榫嗔髂Ｐ偷姆治龇奖?，且均相流的理論已?jīng)有了很可觀的基礎(chǔ)，所以此次文章中的油水實(shí)驗(yàn)以均相流為研究基礎(chǔ)，進(jìn)行油水兩相流流量的測(cè)量和研究。

在利用差壓信號(hào)測(cè)量均相兩相流流量的模型中，假定油水兩相流在管道中的流動(dòng)是均勻的，兩相介質(zhì)已達(dá)到熱力學(xué)平衡，按絕熱膨脹過程得到油水兩相流流量為[7]：

其中，G為油水總質(zhì)量流量，C為V內(nèi)錐的流出系數(shù)，β為V內(nèi)錐的等效直徑比，A為V型內(nèi)錐的流通截面積，Δp為V錐上下游的差壓，ρm為流過管道的油水混合物的密度。

3? ? 結(jié)果分析

3.1? 影響因素分析

多相流的壓降特性與管截面上兩種流體的相分布有很大關(guān)系，而流態(tài)在很大程度上又取決于含水體積分?jǐn)?shù)，同時(shí)還受混合物流速、流體密度、粘度、管壁粗糙度等因素的影響。

實(shí)驗(yàn)開始時(shí)管路中流動(dòng)的全部為水，逐漸向水中增加油的體積分?jǐn)?shù)，但保持混合物的流速或流量不變，即可得出流型、多相流摩擦壓降隨含水體積分?jǐn)?shù)的變化情況。當(dāng)管路中油的體積分?jǐn)?shù)較小時(shí)，通過仿真可以觀察到，細(xì)小的油珠均勻分散在連續(xù)的水中，管壁上也可能粘有少量細(xì)小的油滴，此時(shí)油水二相間無明顯的相對(duì)滑移，即為典型的水包油流型，同時(shí)由于管路水平布置，密度較小的油滴受浮力作用而偏于在管截面的上部分布。繼續(xù)增加油的體積分?jǐn)?shù)，連續(xù)水相中的油滴越來越多，小油滴相互碰撞合并成較大油滴的概率也升高，連續(xù)水相中開始出現(xiàn)了許多大油滴。隨著含水體積分?jǐn)?shù)的進(jìn)一步減小，大油滴又相互合并形成更大連續(xù)的油塊，與此同時(shí)，在二相湍動(dòng)下，部分水被破碎成小水滴分散在大的油塊中。

3.2? 物理云圖分析

圖1給出了等效直徑比0.55、流速0.3 m/s、油水體積比0.1時(shí)的各物理場(chǎng)云圖。分析可知：當(dāng)多相流過錐體時(shí)，由于錐體的節(jié)流作用使流場(chǎng)中低壓區(qū)出現(xiàn)在錐后，下游距錐體一定位置壓力開始迅速回升，距錐體0.425 m處壓力逐漸趨于某一定值。由速度場(chǎng)云圖可以看出，最大速度出現(xiàn)在節(jié)流面積最小及偏后區(qū)域，速度可達(dá)5.5 m/s，且錐后一定位置出現(xiàn)了渦流，從計(jì)算的數(shù)據(jù)可知：下游管路中軸線速度與同一截面相比較低，越靠近管壁速度相對(duì)越大。而湍動(dòng)能最大值則出現(xiàn)在錐體下游渦流上部靠近管壁處，此處由于速度梯度差異較大，流體脈動(dòng)強(qiáng)烈，故湍動(dòng)能最大。從水相體積分?jǐn)?shù)云圖可以看出：體積分?jǐn)?shù)最小的區(qū)域與壓力最低的區(qū)域相一致，可見壓力是引起水相分布的主要因素，且隨著下游壓力的迅速恢復(fù)，水相介質(zhì)分布逐漸均勻。

3.3? 修正模型分析

影響修正系數(shù)θ的最主要因素是氣液密度比，它是二相流動(dòng)中最主要的特征參數(shù)之一。因此，在一定的壓力下，修正系數(shù)是多相流密度比的函數(shù)。在本研究中，模擬條件均是在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下進(jìn)行的。在同一密度比條件下，設(shè)置不同的油相流量和液相流量即可獲得一組壓差值。根據(jù)實(shí)驗(yàn)及仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，除個(gè)別點(diǎn)外，直徑比為0.55的V錐流量計(jì)總質(zhì)量流量測(cè)量相對(duì)誤差在±3%之內(nèi)，與前人研究相比，所建多相流修正模型測(cè)量誤差較為穩(wěn)定，流量計(jì)流量測(cè)量模型精度得到了很大的提升。

4? ? 結(jié)語

本研究結(jié)合當(dāng)今石油化工領(lǐng)域多相流測(cè)量這一研究熱點(diǎn)，通過實(shí)驗(yàn)及CFD仿真的方法，設(shè)計(jì)V錐流量計(jì)結(jié)構(gòu)，結(jié)合修正后的多相流測(cè)量模型，分析多相流測(cè)量精度的影響因素。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，多相流體積比、初始流速、管道粗糙度、等效直徑比等都會(huì)對(duì)管道內(nèi)流體壓力及速度等造成影響。

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