油气混输管道流动特性研究

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1.3 技术路线和理论依据

为了更好掌握油气混合两相流的流型划分和流动特性，采用fluent数值模拟软件，采用理论和软件模拟相结合的方法，并结合现有的相关技术和研究成果对这一课题进行深入研究。

总体的研究思路是：借鉴国内外最新的研究成果，用数值模拟分析的方式进行流型分析，通过分析模型的准确选取和边界条件的准确设置对流型进行准确的分析划分。

通过本课题的研究，希望能够对油气混输两相流有一个较为深入的了解，希望所得数据及分析结果对实际操作当中管路设计、管网布置、流速及各相体积分数的选取有所帮助。

另外，FLUENT模型理论模拟流型的研究作为比较新的方法运用，这种方法是否正确和如何完善，仍然有待大量的试验等方式去验证改进。

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第二章 流体动力学数值模拟

随着有限元理论的不断发展，用数值方法模拟分析已能够准确的进行流量特性的数值模拟。目前，先进的流体力学分析软件FLUENT不仅可以模拟复杂二维或三维流场的压力、温度、速度等的分布情况，也可以由质量守恒、动量守恒和能量守恒方程的速度分量、压力和温度得到许多出口的结果。如马赫数、总压、流动和传热系数的函数。此外，该软件还还可以用湍流态方程来模拟湍流流动。

2.1 数值计算软件的选取

计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics，简称CFD)是建立在经典流体动力学与数值计算方法基础之上的一门新型独立学科。通过采用数值计算方法直接求解描述流体运动基本规律的非线性数值方程组，经过计算机数值计算和图像显示，在时间和空间上定量描述流场的数值解，从而达到对物理问题研究的目的。CFD的基本思想可以归结为：把原来在时间域及空间域上连续的物理量的场，用一系列有限个离散点上的变量值的集合来代替，通过一定的原则和方式建立起关于这些离散点上场变量之间关系的代数方程组，然后求解代数方程组获得场变量的近似值。Fluent的软件设计基于“CFD计算机软件群的概念”，对每一种物理问题的流动特点，采用适合它的数值解法，选择显式或隐式差分格式，在计算速度、稳定性和精度等方面达到最佳。Fluent将不同领域的计算软件组合起来，成为CFD计算机软件群，软件之间可以方便地进行数值交换，并采用统一的前、后处理工具，省却了科研工作者在计算方法、编程、前后处理等方面投入的重复、低效的劳动，可以将主要精力和智慧用于物理问题本身的探索上，高效率地解决各个领域的复杂流动的计算问题。

计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics，简称CFD)是基于经典流体动力学数值计算方法基础上的一门新型的独立学科。利用数值计算方法直接求解描述流体运动基本规律的非线性数值方程组。提出了非线性数值通过计算机数值计算和图像显示，在时间和空间上的定量描述流场的物理问题的数值解，从而达到研究的目的。CFD的基本理念可以归结为：在时间域和空间域上连续的物理量的领域，具有一系列的离散点一组数量有限的变量的参数值，通过一定的原则和方法，能够建立关于这些离散点之间的关系，然后通过变量求解线性代数方程组得到近似变量。Fluent软件设计基于CFD计算机软件群的概念”，对每一种物理问题的流量特性都可以找到适合于它的数值解法。通过选择显式或隐式差分格式，使得计算速度、稳定性和精度达到最佳。Fluent将不同领域的计算软件整合起来，成为CFD计算机软件群。该软件可以轻松进行数值交换，并利用数值统一的前、后处理工具,省却了科研工作者在计算方法、编程、处理前后的重复、低效率精力投入。就可以将主要精力放在物理问题的探索，有效解决复杂流本身

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的各个领域的计算问题。

总而言之，FLUENT软件具有很高的精度和较快的收敛速度，可以模拟亚声速，跨声速和超声速流动的很大范围内的可压缩流动。对于模拟复杂流场结构的可压缩流动来说，FLUENT是很理想的软件。

2.2 多相流模型及模型计算原理

在气液两相流的数值模拟三种基本模式：第一种模型将气液两相介质看作一种混合流体，也就是所谓的的单相流模型；第二种将气液两相作为独立和相互作用的两种流体，称为双流体模型；第三种流体将(液体或气体)为背景,将另一项流体离散粒子分布作为背景流体中的液体或微粒，利用欧拉法在研究背景流体，采用拉格朗日方法对流体的运动颗粒相进行跟踪，被称作欧拉一拉格朗日模型。相对于欧拉一拉格朗日模型,将前面的两种模型，即前面单个流体和双流体模型，统称为欧拉一欧拉模型。

气液两相流计算中常用的模型包括离散相模型(Discrete Phase Model，DPM)、混合物模型(Mixture Model)、欧拉模型(Eulerian Model)、VOF模型(Volume ofFluids)、Level Set模型等。

离散相模型主要用于液滴流和气泡流计算。这个模型假设液滴或气泡(后面统称为颗粒)的体积不能过大，而且大体上均匀分布于离散相中，即颗粒的局部体积浓度比要小于10％。离散相模型属于欧拉一拉格朗日型模型。在计算液滴流时，气体是连续相，液滴是离散相。离散相模型就是通过大量液滴的计算模拟大量液滴的运动。

混合物模型和欧拉模型都是欧拉一欧拉计算模型。这两种模型都将计算中的相作为共存于同一空间中的流体进行计算。不同的是混合物模型通常计算二种流体相，而欧拉模型则可以将不同的相作为组分进行处理并分别建立方程进行求解，因而可以计算多种不同流体的流场。VOF模型和Level Set模型都属于界面追踪模型，主要用于带自由界面问题的计算。VOF模型用流体的体积比函数判断追踪流体界面。Level Set方法在1988年由Osher提出，主要思想是将分层流的边界面作为追踪函数的零等值面，并在计算中始终保持为零等值面的方法追踪边界面位置。 2.2.1 VOF模型

所谓的VOF模型,是一种固定的欧拉网格下的表面跟踪方法。当需要得到一个或多个互不相溶的交界面的时候,可用此模型。VOF模型中不同流体组分共享一套动量方程,流场各计算单元内,通过记录各流体组分所占有的流体体积率,从而确定界面运动位置。利用VOF模型的例子包括分层流，自由表面流动、灌注、晃动、液体中大气泡流动,水坝决堤时的水流, 对喷射衰竭的预测以及求得任意液一气分界面的稳态或瞬时分界面。 VOF模型的应用有以下限制：

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(1) 只能采用分离算法(segregatedsolver)，不能采用耦合算法(coupled solver)； (2) 所有控制容积内要么充满其中一相流体，要么充满两相流体，不允许控制容积内没有流体；

(3)只有一相是可压缩的；

(4)不能用该模型求解粒子混合和反应流； (5)不能采用大涡模拟(LES)湍流模型； (6)对时间步不能采用二阶隐式格式； (7)不能用于无粘流。 2.2.2 混合模型

混合模型是一个简化的多相流模型，它也可以用来解决以不同速度的多相流体的运动。混合模型可以用于两相流或多相流体(液体或微粒)。它假设很小的空间尺度上的均衡，相之间的耦合非常强烈。因此，可用于均相流和有相间滑移的多相流动。混合模型可以用于n相流体和颗粒运动，该模型方程组方程是通过混合物的动量方程、连续性方程、能量方程、第二相体积分率方程和相间滑移速度的代数表达式组成，通过相对速度来描述离散相。

混合模型是欧拉模型的简化。该模型有以下应用限制。 (1)只能采用分离算法，不能采用耦合算法； (2)只有一相是可压缩的；

(3)该模型不能用于Streamwiseperiodic flow； (4)不能用于粒子混合和反应流动； (5)不能用于凝固和熔化；

(6)不能采用大涡模拟(LES)湍流模型； (7)对时间步不能采用二阶隐式格式； (8)不能用于无粘流。 2.2.3 欧拉模型

欧拉模型是FLUENT中最复杂的多相流模型。它建立了一套包含有N个动量方程和连续性方程来求解每一相。压力项和各界面交换系数是耦合在一起的，耦合的方式则依赖于所含相的情况。颗粒流(流一固)的处理与非颗粒流(流一流)是不同的：对于颗粒流，可应用分子运动理论来求得流动特性。通过FLUENT的用户自定义函数，可以自己定义动量交换的计算方式。欧拉模型的应用包括气泡柱、上浮、颗粒悬浮以及流化床。 该模型的使用限制条件为： (1)只能用κ—ε湍流模型；

(2)粒子跟踪时只考虑各相和连续相(初始相)的相互作用；