湿气多相流数值模拟方法研究现状的探讨

【摘 要】湿气可以简单的定义为气相流动中含有少量液体的气液两相流。本文概要性的描述了常见的湿气两相流数值模拟的计算方法。针对不同的流型和需要获取的参数，可在连续介质力学方法的基础上才用欧拉-拉格朗日方法或欧拉-欧拉方法。同时，由于湿气两相流的复杂性，利用数值模拟的方法实现气液两相流的准确计量仍存在一定的困难。

【关键词】湿气；数值计算；欧拉-拉格朗日方法；欧拉-欧拉方法

文章编号：ISSN1006―656X（2014）011-0087-01

一、引言

湿气（Wet gas）是一种特殊的气液两相流，目前在国际上并无统一定义。湿气可以简单的定义为气相流动中含有少量液体的气液两相流[1]。

湿气在工业生产的过程中广泛存在，常见于石油和天然气工业中天然气井口所生产出的凝析天然气等。凝析天然气是一种多组分的混合物，其气相一般为烷烃类物质，其中甲烷占绝大多数，液相成份由烷烃类轻组分、饱和水以及为防止水合物形成人工加人的注剂等组成。湿气流量测量研究可以为在线实时不分离的天然气井口两相流量计量的实现提供理论依据和技术支持。

二、湿气数值模拟的优势

计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）是随着计算机软硬件发展而衍生出来的一门学科，它通过计算机进行数值计算和图像显示以对含有复杂流体流动和热传导等的系统进行分析。CFD可以看做是在流动基本方程（质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程）控制下对流动的数值模拟[2]。常用的CFD商业软件有PHOENICS、CFX、STAR-CD、FIDIP、FLUENT等。

在湿气研究中，和传统的实流实验方法相比，数值模拟具有以下几点优势：

（一）节省人力、物力、财力。数值模拟完全依靠计算机进行，即使是1～2名操作人员也可顺利完成仿真实验。进行数值模拟实验前无需如实流实验架设实验管路、准备气液两相流实验装置。针对天然气井口复杂的实流情况，为了准确的获得湿气的两相测量结果，需要将仪器设备运至现场进行实流标定，而数值模拟则可完全在室内进行，无需至实流现场，这将节省大笔的出差及运输费用。

（二）不需要考虑重复性。实流试验中往往需要考虑重复性问题，而在数值计算中，若边界条件和计算方法完全一致，得到的数据也必然完全一致，不需要进行重复多次试验，节约了试验时间。

（三）可获得流场内部的信息。数值计算完成后，可以很方便的获得流场内任意位置的流速、流向、压力、温度、等各项信息，为理论分析提供了支持。

三、湿气的流型

湿气流型较为复杂，而对于湿气的数值计算，流型的确定决定了气液两相在流场内的分布情况，对于数值计算的准确性而言十分重要。由于湿气的气相含量较大、流速较大而液相含量较小、流速较小，因此在竖直管道中，湿气一般呈环状流形态，如图1（a）所示；而在水平管道中，湿气常呈环状流、波状流等形态，如图1（b）、（c）所示。在水平管道中，当气相流量较大时，气相会在管道中心形成气核，而液相则会贴近管壁流动形成液膜。对于一定的气液两相含率，随着气相流速的增大，环状流中的液膜将逐渐减小，液相将形成小液滴分布于气相中，形成环雾状流或雾状流。受重力作用，液滴颗粒在管道下部的分布密度将高于管道上部，然而工况压力越高，液滴颗粒分布将越均匀。

四、湿气多相流数值模拟方法研究现状

针对湿气的流型，目前数值计算多采用连续介质力学方法，此方法从宏观层次上研究多相流的迁移规律，多项流动由建立在连续介质假定基础上的Navier-Stokes方程组控制[3]。采用连续介质力学方法的数值计算又分为两类，一种是欧拉-拉格朗日方法，一种是欧拉-欧拉方法。

在湿气环状流或环物状流的两相流数值计算中，欧拉-拉格朗日方法将气相视为连续相在欧拉坐标系下进行计算，液相则视为离散的液滴颗粒在拉格朗日坐标系下进行追踪。在确定计算结果准确可靠的情况下可以适当的简化模型，如认为液膜很薄或者没有没有液膜、将液滴视作球形、假定液滴只受曳力和重力作用，计算时还需考虑液相和气相是否相互作用从而设置单相耦合或者双向耦合。欧拉-拉格朗日方法可以得到两相速度、压力及液滴的运动轨迹等信息。

欧拉-欧拉方法则是气液两相均在欧拉坐标系下进行计算。对于气液两相具有明显相界面，如具有环状流或者波状流流型的湿气，可以采用VOF模型。利用VOF模型可以考察液膜向气核中延伸并夹带进入气核中的过程，或者波状流液相在管道中流动的状态以及两相速度、压力、体积含率等信息。若湿气的液膜较薄或可不考虑液膜，视其湿气为均匀雾状流，采用混合模型或者欧拉模型。也可以采用无化学反应的组分模型，仿真中气相为空气，液相为水，将湿气看成是液滴组分在气体中对流和扩散过的传输过程[4]。或者将液膜、液滴颗粒、气核看做三种不同的流体。液膜具有波状表面，由于气相的作用会产生液膜的夹带和分离，同时液滴会沉积在壁面上，液滴之间还会产生聚合和破碎，当有足够长的管道时，沉积、夹带、聚合、破碎等过程会产生平衡[5]。

五、湿气数值模拟中存在的困难

湿气数值模拟具有很大的优越性，然而，达到结果的准确预测仍然存在着一些困难。

（一）初始计算的流型难以确定。湿气数值模拟主要针对天然气井口进行，而天然气井口的真实流型却难以确定，无法得知其流场的真实情况。当流型不同时，数值模拟的方法也将不同，因此而不能最大程度的模拟真实流场情况，影响了所获得计算流场流速、压力等信息的真实性。

（二）计算量较大。在两相数值模拟中，需要求解的方程总数大大增加，需要考虑各相的动量方程和能量方程，并且还要考虑由于两相相互作用而增加的方程，这将使得计算时间大大增加。

五、总结

湿气多相流数值模拟可以为湿气两相流流量测量提供理论依据和技术支持。目前常用的湿气两相流数值模拟的计算方法多在连续介质力学方法的基础上采用欧拉-拉格朗日方法和欧拉-欧拉方法。由于湿气两相流的复杂性，利用数值模拟的方法达到气液两相流的准确计量仍有很大的研究空间。

参考文献：

[1] TUV NEL， An Introduction to wet gas flow metering， July 26， 2010

[2] 王福军，计算流体动力学分析--CFD软件原理与应用，北京：清华大学出版社，2004

[3]车德福，多相流及其应用，西安：西安交通大学出版社，2007

[4]Perumal Kumar， Michael Wong Ming Bing， A CFD study of low pressure wet gas metering using slotted orifice meters， Flow Measurement and Instrumentation， 2011， 22（1）， 33 ～42

[5]V.M. Alipchenkov ， R.I. Nigmatulin ， S.L. Soloviev， A three-？uid model of two-phase dispersed-annular ？ow， International Journal of Heat and Mass Transfer， 2004， 47（24）， 5323～5338