VirtualFlow | 垂直管内气液环状流模拟

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石油天然气领域，管道内气液两相的流量、物性，以及管道尺寸、布置方式等不同导致气液两相流存在不同的流型。环状流较容易出现在高气相流量、低液相流量的条件下。

环状流主要特征是气体在管道中心部分流动，而液膜顺着管壁流动，形成较为连续的环状薄膜。与此同时，有相当一部分液膜被气流的剪切作用带入气芯，以液滴的形式随管中间的气芯运动。在整个流动过程中，液滴不断地飞溅沉积到液膜上，同时液膜上的液体又不断地被卷吸到气芯中。液相逐渐覆盖管道内壁形成液体薄膜，气相在管道中间高速流动，并可能夹带部分液滴。

无论管道是水平、垂直或倾斜，管内都有可能形成环状流，且由于受到重力的作用，管道底部的液膜往往比顶部的液膜更厚。因此，环状流液膜结构的变化以及其动态特性往往更加随机、更加快速、更加复杂，液膜厚度沿壁周向的分布也并非对称，这些因素使得环状流研究较为困难。

图1 垂直管道中的气体流态随气体速度的变化（Prasser等，2003）

垂直管中常见的两相流流型为泡状流、段塞流、搅拌流、环状流。但不同于水平管道，在垂直管道内管的受力方向是90°，所以垂直管内最主要出现的流型是段塞流和环状流，基本不出现分层流。

本期主要分享采用VitualFlow软件模拟垂直管内的环状流。

计算域及流动条件：

管子尺寸：3cm*100cm

VG=2000L/m，对应ReG＝8.55×10⁴

VL＝70L/m，对应ReL＝4.22×10⁴

初始膜为h/D=0.04

两相都是湍流状

采用VirtualFlow软件浸入界面IST网格技术，将管道CAD导入后生成网格，网格量为80万。在HPC计算机（128核）上进行计算，图2为环状流模拟结果，其中红色代表水，蓝色代表气，颜色界面代表水界面；白色箭头代表横向（径向）速度矢量。

图2 环状流模拟结果

图3为不同时刻环状流模拟结果。

图3 不同时刻环状流模拟结果

由图3可以看到，水膜的相干波浪结构可以在水流方向和横截面方向上看到，特别是右侧图现象比较明显。少数几个地方可以观察到水流流动到核心区域。二次流运动也很明显。

图4 不同时刻液膜变形（Top-View)

图4显示了不同时刻液膜变形，可以观察到分离的液滴迁移到核心流。

来源：多相流在线

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首次发布时间：2023-06-23