管道油气相流模拟

油气水三相混合流动广泛存在于石油、化工及相关行业中，尤其在油田开采中后期，随着产出液含水率的不断上升，管道内常出现油水两相或油气水三相流动。掌握多相流的流动特征，识别不同工况下油气水三相管输流型，分析影响流动及相态分布的因素，不仅具有重要的理论意义，而且对确保管道安全稳定运行具有实际意义[1-2]。当前，关于油气水流型识别的相关理论较少，且对流型的定义和划分存在差异。1955年，Sobocinski[3]研究了油气水三相流，并提出了划分三相流型的观点。1992年，Acikgoz、Lahay等[4-5]发表了有关油气水三相流流型和体积含气率的研究成果，并根据油基和水基的不同，将油气水三相流划分为10种流型。1997年，Hewitt等[6]在高压多相流设备上开展了三相流实验，依照油水和气液关系将油气水三相流动划分为8种流型。1998－1999年，吴浩江等[7]针对水平管中的油气水三相流进行流型分析，以新的术语定义了水平管中油气水流动的7种流型。2000年，周云龙等[8]发表了油气水三相流流型的相关研究成果。目前，关于油气水三相流型及其转变尚无成熟的理论。计算流体力学（ComputationalFluidDynamics，CFD）技术的飞速发展，为多相流的研究和应用提供了有效工具，而工程技术领域的不断发展，亦使气液两相流方向的新课题不断提出和深化，不仅推动了对油气水三相流现象的深入研究，而且为验证已有模型、理论和关系式提供了机会，从而使油气水三相流学科得到进一步发展。以下基于计算流体力学（CFD）软件，针对工程实际中常出现的泡状流和塞状流，采用VOF模型对集输管道油气水三相流型进行数值模拟研究，分析气体流量对流型的影响，以及流速对泡状流中气泡分布的影响。

1模型建立

1.1物理模型模拟管道长20m，管径0.4m。采用结构化矩形网格对计算区域进行单元划分，因管输流体在靠近管道壁面处会形成边界层效应，故需对壁面附近的网格进行加密处理。

1.2数学模型流体流动遵循三大守恒定律，即质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律。忽略温度对流动的影响，湍流方程采用标准-模型，因油气水三相介质存在不掺混的自由界面，故采用多相流VOF模型对三相流动过程进行数值计算。在VOF模型中，跟踪相与相之间的界面,通过求解一相或多相体积分数的连续方程完成。针对第q相，建立守恒方程。连续性方程：式中：q为第q相流体的体积分数；是第p相到第q相的质量输送，kg（/m2•s）；是第q相到第p相的质量输送，kg（/m2•s）；为控制面中第q相流体的质量，kg/m2；vq为第q相流体的速度，m/s。式中：m为第m相的密度，kg/m3；为第m相流体的速度矢量，m/s；为流体内压，Pa；为混合粘度，Pa•s；为重力加速度，m/s2；为体积力，N；k为第k相的体积分数；为第k相粘度，Pa•s。式中：G为平均速度梯度引起的湍动能的产生项；Gb为浮力引起的湍动能的产生项；YM为可压缩湍流中脉动扩张贡献；为湍流粘度，Pa•s；ui、uj为时均速度，m/s；为湍流动能，J；为湍流耗散率，W/m3；为流体密度，kg/m3；和分别为方程和方程的湍流Prandtl数；t为时间，s；xi、xj为空间坐标；C1=1.44，C2=1.92，C3=1，C=0.09，均为经验常数。

2数值计算与结果分析

选用长为20m的直圆管进行混输流体的流型模拟；原油密度870kg/m3，粘度0.0168Pa•s，水相密度998kg/m3，粘度0.001003Pa•s，气相密度1.225kg/m3，粘度1.7894×10-5Pa•s。模拟时油相为基本相，忽略温度对流场的影响。根据气体体积分数分别为1％和5％时各相流型的结构图（图1a、图1b），由于管输流体含气率较低，气体在油水混合流体内形成分散的气泡，气泡周围附有小气泡，与液体一同在管道中作等速流动；随着含气率的增加，气泡变长，头部变大，气泡以泡状和絮状分散存在于连续相油中；气泡趋向于在管道上部流动，管道下部的液体多气体少，实际情况与相关理论符合较好。将上述两种流型划分为泡状流。根据气体体积分数分别为10％和20％时各相流型的结构图（图1c、图1d），当泡状流中的气泡进一步增多时，气泡聚结长大并形成较大的气团，塞状大气泡几乎占据整个管道，气液两相相互夹带、混合流动。随着时间的推移，在重力作用下液相与气相进一步分离，气体汇聚形成更大的气团；两个大气团被油相分隔开，油相中含有一定数量的小气泡团，气泡以泡状存在于连续相油中，流型发展为塞状流。根据不同流速下气体体积分数为5％时各相流型的结构图（图2），管内混输流体为泡状流，在不同流速下，泡状流中的气泡分布差别较大；低流速下，大部分气泡在管道上部流动，仅少量气泡呈不均匀状态分布在管道中下部；高流速下，气泡大都均匀分布在管道中，随液体一同做等速流动。因此，对于泡状流，气泡的分布与液体的流动速度有较大关系，流速越低，气泡的分布越不均匀。

3结束语

对集输管道油气水三相管输流型进行数值研究，结果表明：油气水三相流动中存在着各种各样的流型。划分流型的目的在于能够准确、有效地建立依据流型的多相流数学物理模型，从而进行油气水三相流动和传热计算，以指导工程实际应用。因此，对于流型的划分并非越细越好，可以将具有基本相同流动特征的流型合并在一起。以上对工程实际中常见的泡状流和塞状流进行研究，以期为集输管道的生产运行提供理论指导。