90°水平弯管内环状流流动特性_曹学文.pdf

54工艺与工程|Process&Engineering2023 年 1 月第 42 卷 第 1 期网络出版时间：2022-11-04T13:06:38网络出版地址：http:/ 水平弯管内环状流流动特性曹学文1李相1张磐1张卫兵2张志贵2边江11.中国石油大学（华东）储运与建筑工程学院山东省油气储运安全重点实验室；2.中国石油工程建设有限公司华北分公司摘要：油气集输管道内气液两相流尤其是环状流在弯管处流动特性复杂，极易加剧管道腐蚀和破坏。为此，开展90 水平弯管环状流实验，分析表观气速 2035 m/s、表观液速 0.200.35 m/s 范围内的相分布、液膜流速及压力变化规律；再通过数值模拟研究水平弯管处相分布、压力分布及流速分布特征，对弯管处环状流流动特性规律进行验证。结果表明：弯管底部和外侧液膜厚于弯管顶部和内侧，越靠近弯管中心，内外侧差异越大；表观气速增加和液速降低使液膜分布趋于均匀；弯管内侧压力低于弯管外侧；受二次流动影响在低气速下弯管中心截面位置最大压力较入口处增加。研究成果可为弯管冲蚀机理研究、弯管设计与保护提供理论基础。（图 11，表 1，参 29）关键词：油气集输；水平弯管；环状流；CFD 模拟；压力；流速中图分类号：TE832文献标识码：A文章编号：1000-8241（2023）01-0054-10DOI：10.6047/j.issn.1000-8241.2023.01.008Flow characteristics of annular flow in 90 horizontal elbowCAO Xuewen1,LI Xiang1,ZHANG Pan1,ZHANG Weibing2,ZHANG Zhigui2,BIAN Jiang11.College of Pipeline and Civil Engineering,China University of Petroleum(East China)/Shandong Key Laboratory of Oil&Gas Storage and Transportation Safety;2.China Petroleum Engineering&Construction Corporation North China Sub-CompanyAbstract:The complex flow behavior of gas-liquid two-phase flow in the oil and gas gathering pipelines,especially the annular flow in elbows,is extremely prone to intensify the pipeline corrosion and damage.Therefore,the annular flow experiment in horizontal elbows was carried out.On this basis,the phase distribution,the flow velocity of liquid film and the pressure variation laws at the apparent gas velocity of 2035 m/s and apparent liquid velocity of 0.200.35 m/s were analyzed.Then,the phase distribution,pressure distribution and velocity distribution in the horizontal elbows were studied by numerical simulation to supplement the law of flow characteristics of annular flow in elbows.As the results indicate,the liquid film at the bottom and outer side of the elbow is thicker than that at the top and inner side of the elbows,with the difference between that on both sides of the elbows varying increasingly at the places closer to the center of the elbows.Besides,the increase of apparent gas velocity and the decrease of liquid velocity may lead to the uniform distribution trend of liquid film.The pressure on the inner side of the elbows is lower than that on the outer side of the elbows.Moreover,under the influence of secondary flow,the maximum pressure at the center section of 90 elbows is greater than that at the inlet at low gas velocity.Generally,the research results could provide theoretical basis for the study on erosion mechanism and the design and protection of elbows.(11 Figures,1 Table,29 References)Key words:oil and gas gathering,horizontal elbow,annular flow,CFD simulation,pressure,flow velocity气液两相流广泛存在于石油、化工等领域1-5。作为气液混输中的常见流型之一，环状流的流动特性较复杂，一般在高气相流量和低液相流量下出现6-7。在环状流中，液相在管壁上以液膜的形式流动，气相在管道中心流动，部分液膜受气流的剪切作用以液滴的形式在气相中流动。环状流流经弯管时会产生二次流和流动分离，其流动速度、压力及含气率变化可能造成管道腐蚀和破坏，进而引发事故。目前，国内外学者对垂直和水平管中环状流液膜特性的研究较多8-15。已有研究表明：液膜在垂直管引文：曹学文，李相，张磐，等.90 水平弯管内环状流流动特性J.油气储运，2023，42（1）：54-63.CAO Xuewen,LI Xiang,ZHANG Pan,et al.Flow characteristics of annular flow in 90 horizontal elbowJ.Oil&Gas Storage and Transportation,2023,42(1):54-Process&Engineering|工艺与工程小型立式气液分离器分离，气相排向大气，水回流至供液箱中。实验管道内径均为 50 mm，壁厚为 5 mm，由于工程中经济弯径比为 46，因此实验中测试管段弯管弯径比取 5，即弯管曲率半径为 250 mm。为直观地观察弯管内流型变化，弯管及其上下游 2 m 的观测管段均选用高透明亚克力有机玻璃管，并在弯管入口、中心及出口处设置 3 个观测点测量各截面流动特性参数，其余环路管道选用不锈钢管。1.1.2观测采集系统实验观测采集系统包括流型观测系统、压力采集系统、液体流速测量系统及相分布测量系统。可视化技术是实现流型观测的直接手段。流型观测系统采用高速摄像机从弯管内侧对水平弯管内气液两相流的流动形态进行捕捉。压力采集系统由压力传感器、数据采集卡、LabVIEW 共 3 个部分组成，测量位置为弯管入口和出口处。液体流速测量系统选用 DOP3010 超声波多普勒测速仪对水平弯管内的液体流速进行测量，测量位置为弯管正中心位置、上游距弯管入口 60 cm 位置以及下游距弯管出口 60 cm 位置。WMS（Wire Mesh System）测量系统采用 WMS200 的丝网传感器，分别将其安装在弯管入口截面、弯管中心截面及弯管出口截面，测量各截面气液相分布，采集频率设置为 5 000 Hz，采集时间为 120 s。1.1.3实验工况选取由于气液两相流流经水平弯管时流型基本不会发生改变21-22，依据 Barnea 等23-24提出的 3 种水平管流型图，确定环状流对应的气、液速范围，并根据单一变量原则选取 7 组工况开展实验，其中工况 14 为固定液速、改变气速工况，工况 47 为固定气速、改变液速工况（表 1）。道中均匀分布，而在水平管道中由于重力作用呈非对称分布，管道底部液膜较厚。此外，部分学者开展了不同形状弯管环状流流动特性研究，但对水平 90弯管处气液两相环状流流动特性的研究较少16-20。Jing 等16开展 90 弯头水平管内油水两相流动实验，通过对上下游段的流型和摩擦压力梯度进行对比分析，评估了弯管对环状流演化稳定性的影响，但缺少管路截面不同相分布特征的细节描述。Lpez 等17对水平 180 弯管内气液环空流动进行室内实验和数值模拟，得到弯曲曲率半径、表观气速对液膜行为与环空流动特性的影响规律。Tkaczyk 等18基于有限体积法的计算流体模型模拟弯管内气液环状流，通过修正的流体体积法对液膜进行求解，并使用拉格朗日技术追踪液滴。Bandyopadhyay 等19通过实验研究了 4 种 U 形弯管内气液两相环状流流动特性，并将 Fluent 软件计算结果与实验结果进行了对比。在天然气集输管道中，90 水平弯管应用广泛，同时是管道系统中冲蚀磨损最严重的位置之一。为此，搭建多相流实验环道，利用环道实验与 CFD 数值模拟方法研究不同表观气液流速工况下管道内相分布、压力分布、速度分布，以及弯管对环状流流动特性的影响规律，以期对环状流在弯管处的特征参数进行更准确、全面地描述，为弯管冲蚀机理研究、弯管设计与防护提供理论指导。1两相流流动特性实验 1.1实验系统1.1.1实验装置及流程设计搭建水平弯管中气液两相流流动特性实验环道（图 1），由泵与压缩机为主的动力系统、气体漩涡流量计与液体质量流量计组成的计量系统、水平直管与水平弯管连成的实验管路以及气液分离器组成。实验过程中，供液箱中的水经过离心泵增压后流入液相管路，空气经过压缩机增压进入缓冲罐稳定后流入气相管路，水和空气分别经计量橇中的液相质量流量计和气体漩涡流量计计量后进入气液混合器，混合后的气液两相进入 16 m 长的流型发展稳定段使流型充分发展，之后进入弯管测试管段进行图像、压力及流速的采集。最终，气液混合物进入图 190 水平弯管气液两相流流动特性实验环道示意图Fig.1Experimental loop of flow characteristics of gas-liquid two-phase flow in 90horizontal elbow曹学文，等：90 水平弯管内环状流流动特性工艺与工程|Process&Engineering2023 年 1 月第 42 卷 第 1 期1.2实验结果1.2.1相分布特征采用高速摄像机拍摄 90 水平弯管内环状流流动形态，同时采用 WMS 在弯管各观测点径向截面处测量截面相分布（图 2），图中截面右方为弯管内侧。为了对比明确、减少重复性描述，以最具代表性的工况1、4、7 为例进行分析。在表观液速为 0.20 m/s、表观图 2不同工况下 90 水平弯管截面相分布对比图Fig.2Comparison of phase distrib