气液两相流管道弯头处脉动流激力特性研究_李俊宝.pdf

第 卷 第 期 年 月 化 学 工 程（）收稿日期：基金项目：国家重点研发计划资助项目（）作者简介：李俊宝（），男，硕士，研究方向为承压系统强度与流致振动，电话：，：；王泽武，男，博士，副教授，通信联系人，：。化工流体力学气液两相流管道弯头处脉动流激力特性研究李俊宝，王泽武，胡佳顺，高英博（大连理工大学 化工机械与安全系，辽宁 大连）摘要：为了揭示管内两相介质流经弯头处引起的脉动流激力的特性规律，文中基于流体体积多相流模型和 湍流模型，采用 和 开发 弯管两相流动三维数值计算模型，求得在塞状流型下，不同气液相表观流速和弯管结构下脉动流激力的时、频域曲线及截面含气率数据。计算结果表明：段塞流下弯头处流激力的主频范围在 内，流激力幅值与基频和液相表观流速呈正相关，与气相表观流速呈负相关；相比小曲率半径弯头，大曲率半径的弯头能够降低脉动流激力能量的集中程度，避免管道系统产生共振，从而保障工业管道在两相流工况下的安全服役。关键词：脉动流激力；气液两相；弯管；流致振动中图分类号：文献标识码：文章编号：（）：，（，）：，：；气液两相流动管道在石油化工、能源动力等许多工业领域广泛存在。当管道系统中存在弯头、三通以及变径管等局部结构时，由于其改变了流体的流向，会形成剧烈的脉动流激力，尤其弯头处更为显著，并对管道系统引起不期望的振动。针对流体流动引起的带弯头结构管道的流致振动问题，国内外研究人员开展了长期研究。等研究表明，两相流动中在弯头等局部结构处产生的流激力理论推导目前仍不可直接计算，存在较多问题，为此实验或者数值模拟成为解决这一问题的有效方法，等在内径为 、弯头角度为 的垂直立管中测试了不同流型下气化学工程 年第 卷第 期 投稿平台：液两相流引起的流激力大小及波动情况，并建立了两相诱导流激力模型。一方面，弯管内气液两相流动引起的流致振动问题非常复杂，需要实验和数值计算相结合；另一方面，技术的快速发展使得 在流致振动研究方面表现出更好的潜力，但是关于弯管内部两相介质流体流动引起的流激力计算方法研究还相当有限。本文以 弯管为研究对象，采用流体体积多相流（）模型和 湍流模型，基于 方法对气液两相塞状流在转向弯管内的流动进行数值模型开发，研究提取弯头处因发生流体转向作用而产生的脉动流激力方法，进而研究不同流动参数、结构参数对流激力大小、频率的影响规律，从而为进一步预测管道动态应力行为和疲劳寿命提供技术支持，确保工业管道在两相流工况下的安全服役。数值计算模型开发 结构及网格模型弯管模型如图 所示，包括 进口水平管段、出口水平管段，以及 弯头，管道的直径 为 ，壁厚 为，弯头半径 为 ，弯头曲率 为 。采用 软件进行网格划分，创建与流体域完全贴合的拓扑块，采用 型区域切分，将流体计算域网格划分为六面体结构化网格，同时管道壁面处设置边界层，进行网格无关性测试之后，综合计算精度和效率，确定网格总数为 。为方便监测弯头处产生的流激力，将几何模型中弯头单独划分为一个部件，该部件作为一个流体的控制体，通过 将弯头表面设置为 区域，用于监测流体因发生转向而产生的流激力，流激力的正方向如图 中、轴所示。图 水平弯管物理模型及网格划分 流体控制方程水平管中段塞单元由液塞段和大气泡段组成，不同的流体组分共用动量方程，同时在全流场域内记录各计算单元内各流体组分所占的体积率，流体单元的控制方程如下：连续性方程（）（）动量方程：（）（）（）（）式中：为气液两相的体积加权平均密度，为气液两相的平均混合速度，为压力项，为气液两相的体积加权平均黏度，为表面张力。为了捕捉气液相之间的界面，在上述方程基础之上增加各相体积分数连续性方程：（）式中：为液相体积分数，为混合相体积分数。湍流模型采用混合湍流二方程模型。该模型是单相 模型的推广形式，将模型中的单相参数替换成相应的混合物参数，气液两相流的整体动能方程为：（）（）（）气液两相混合物的湍流动能的耗散率 由下式给出：（）（）（）（）式中：为湍流脉动动能的耗散率，为湍流脉动动能项，为速度梯度引起的湍流动能项，为了保证模型可靠性，常系数通过试验取得，其中 取 ，取为 ，取为 ，取为 。算法设置及边界条件在考虑重力的情况下，进行基于压力速度耦合的三维瞬态模拟。湍流模型采用 模型，同时采用 算法，二阶迎风格式进行非稳态离散求解，压力采用 格式。设置速度进口边界条件，气体从入口中间进入，而液体则从圆周的剩余地方进入，在这种情况下，流型可以更快更充分地得到发展。设置压力出口边界条件，操作压力为 ，为了确保模拟和实验的质量流速相同，进口处设置的速度为气液相表观流速。李俊宝等 气液两相流管道弯头处脉动流激力特性研究 投稿平台：结果和讨论 数值模型验证图 为本文模型计算的流型与标准流型图对比。通过气液两相体积分数可以看出两相介质在管内的分布状况，不同表观流速下计算结果均符合塞状流型。图中 和 分别代表气相和液相的表观流速，随着表观液速的增加，管道内液相含量增加，使得浮在管道上表面区域的长气泡逐渐破碎成短气泡，但依然保持气塞和液塞交替流过的状态；表观气速增加时，管道内气相含量增加，使得相邻气泡间液塞变得更短，直至两气泡融合成更长的气泡，当气相流速增加到一定程度时，塞状流逐渐向分层流过渡，变成管道上表面为气相，下表面为液相的状态。图 计算流型与标准流型对比 图 为在表观气速为 、表观液速为 的条件下，实验和模拟截面含气率数据的对比图。由图 可知，截面含气率在短时间内发生剧烈波动，将截面含气率的波动曲线进行均值化，实验测量均值和数值模拟均值分别为 和.，波动的主频均为 附近，可见在塞状流下，数值计算的截面含气率的波动特性和文献实验结果吻合较好。图 截面含气率实验和数值结果对比 弯头处流激力特性分析图 为、和 方向上弯头流激力波动曲线，可以发现流激力在 方向和 方向的波动规律基本一致，并且力的大小和波动范围远大于 方向，这是因为流体的动量波动几乎发生在 平面内，对于整个弯头来说，流体动量冲击相当于从 方向转换到了 方向，与文献结果一致。图 个主方向上流激力波动曲线 当忽略图 中 向弯头流激力，弯头所受的流激力 可以近似简化在一个平面内，可近似简化分解为 和。因此，流激力的分解可以表示为：（）文献指出，对于任意给定的两相流条件，动量通量的变化与截面含气率呈正比，并且截面含气率和压力、流激力等信号一样，在高频分量中并没有明显的成分，主要集中在 的低频范围，因此含气率的变化同流激力的变化存在着密切的联系。图 为截面含气率随表观流速变化曲线。随着液相表观流速的增加，液相挤压气相，占据更多的流通空间，含气率减小，但是减小的速率由大到小变化，而气相表观流速的增加，使得更多的气相流入管道，含气率会随之增大。图 截面含气率随表观流速变化曲线 化学工程 年第 卷第 期 投稿平台：将流体的动量用含气率的形式表达，综合动量平衡关系式，得到流激力用截面含气率表达式为：（）（）（）（）（）（）（）式中：（）为截面含气率的时间函数，为控制体入口截面气液相的混合速度，为控制体出口截面气液相的混合速度。由式（）可知，截面含气率、混合流速以及压力项都会影响流激力，并且速度为平方项，归属于流体的动量，因此动量的波动是力波动的主要源项。图 为多组表观气速下弯头处流激力时域曲线。可以发现，当表观气速和表观液速相当时，流激力曲线的波动情况较为规整有序，呈现波峰波谷交替变换的形式。但是当表观气速达到 时，流激力的波动情况开始变得无序，这种无序性随着表观气速的增加进一步增大，同时相邻波峰之间的高度变得不一致，气速高的流激力相应的波峰值大，但是波谷值并没有这种对应关系，波谷值基本维持在零值附近。图 流激力随表观气速 变化时域曲线 图 为多组表观液速下弯头处流激力时域曲线。由图可知，不同表观液速下，流激力均呈现大小基本相等的波峰波谷交替变换的形式，当表观液速为 时，流激力波峰值维持在 ，波谷值对应的力值为；而当表观液速为 时，流激力波峰值维持在 ，波谷值对应的力值由 增加到 。不同于表观气速的影响的是，表观液速的增加，流激力波动的频率会增加，但是波形能够维持，不会发生明显的变化，同时波谷值会随着表观液速的增加而增加，不会维持在 值附近。图 激振力随表观液速 变化时域曲线 表观速度对弯头处流激力特性影响对于任意的时域信号（），通过傅里叶级数的方法可以对其进行一个频谱特性分析，连续时间信号的傅里叶变换为：（）（）（）其功率谱密度（）可以通过下式进行求解（）（）（）式中：（）为时域信号频谱值，（）为时域信号的功率谱密度，为时间周期，为基频，为虚数。图（）为不同液相流速下弯头处流激力功率谱密度曲线图。随着液体速度增加，水平管内较大的气泡逐渐破碎成小气泡，掺杂在液流中，更快的流速使得液相塞状流体与管道弯头碰撞频率增加，流激力频率也逐渐增大，当液体速度在 时，频率为 时，单位频率上能量为 李俊宝等 气液两相流管道弯头处脉动流激力特性研究 投稿平台：，能量谱峰值达到最大，频率带从“窄带”向“宽带”范围变化，能量谱密度的峰值也先增加后减小，并且由于液塞中小气泡的随机运动，在频率为 范围内，流激力的信号中掺杂了更多的小幅度扰动信号。图（）为不同气相流速下弯头处流激力 曲线图。随着气相速度增加，液体中的气泡经过聚集发展，同时在重力的作用下，会发生上浮，逐渐在管道顶部表面形成气弹，流激力主频从 逐渐减小，集中在 的范围内，同时低频段的频率成分增加，在表观气速为 时，频率为 时，功率谱密度峰值最大，单位频率上的能量为 。图 流激力功率谱密度曲线 图 为流激力波动的均方根值（）曲线图，由图可知，当液相表观流速增加时，流激力的脉动进一步增大，当液速从 变化到 时，其均方根值从 变化到 ，波动效应明显；而当气相表观流速增加时，流激力的波动效应不是很明显，呈现先增大后减小的趋势，其均方根值 在.范围内变化。可见，流激力的波动主要是气液两相形成冲击力的差值效应，但液相的影响大于气相，调节液相介质的流速或者含量可以明显改变流激力的均方根值，从而减小流体对管道的冲击力的大小及频率。图 流激力波动均方根曲线 弯头结构形式对流激力的影响文献中报道，弯管内流体的流动是沿着外侧内壁，曲率半径越大，越接近于直管形式管道，管道受到的流体冲击的作用相应减小，但是从能量损失的角度来看，小曲率半径弯头的能量损失最小，随着 的不断增大，能量的消耗和损失也增大。图 为本文开发的数值计算模型得到的不同曲率半径下弯头处流激力时域曲线。图 不同曲率半径下弯头处流激力时域曲线 由图 可知，当 由 增大到 时，弯头处流激力峰值由 减小到 ，相比降化学工程 年第 卷第 期 投稿平台：低了，而流激力最小值在 种弯头上 左右，没有明显的差别；当 由 增大到 时，流激力峰值减小的幅度明显减小，由 变化到 ，同比降低了 左右，可知增大弯头的曲率半径，可以在一定程度内降低流体激振力的峰值，但是不会随着曲率半径的增大一直减小，为.、和 时，流激力的峰值均维持在 左右。图 为多组不同曲率半径下弯头处流激力频域曲线。当弯头的曲率半径为 时，弯头处产生的流激力功率谱密度出现明显的尖峰，峰值频率为 ，能量分布较为集中，当该频率与管道系统的频率相接近时，极易诱发管道系统振动，而当曲率半径与管径的比值增大时，流激力主频先增大后减小，在 范围内变化，并且力的能量被分散到各个不同的频率上，如当 由 变化到 时，力主频的峰值由 降低到.，同比降低了 左右，大曲率半径的弯头相比小曲率半径的弯头，可以明显分散流激力的能量，使其不集中在某一频率上，降低管道系统振动的风险。图 不同曲率半径下弯头处流激力 曲线 结论（）基于 模型的 方法可准确模拟气液两相流中塞状流等流型，得到的截面含气率、流激力波动特性与文献实验结果吻合较好，验证了数值模型的可靠性。（）通过对多组表观流速下流激力进行对比分析，发现段塞流下流激力主频变化范围在 之间，变化区间相对较大，表观液速对流激力波动起正向作用，表观气速对流激力波动起反向作用。因此，可以通过调节介质的流速来改变流激力的频率，避免管道系统发生共振。（）弯头处流体的动