油气混输管道流动特性研究
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(3)该模型不能用于Streamwiseperiodic flow； (4)不能用于不可压缩流； (5)不能用于无粘流；
(6)对时间步不能采用二阶隐式格式； (7)不能用于粒子混合和反应流动； (8)不能用于凝固和熔化； (9)不能考虑热传递。
本文主要选用VOF模型进行计算模拟，VOF模型依靠的是两种或多种流体(或相)没有互相穿插这一事实，对增加到模型里的每一附加相，引进一个变量：即计算单元里的相的容积比率(volume fraction ofthephase)。在每个控制容积内，所有相的体积分数之和为1。所有变量及其属性的区域被各相共享并且代表了容积平均值，只要每一相的容积比率在每一位置是可知的。这样，在任何给定单元内的变量及其属性或者纯粹代表了一相，或者代表了相的混合，这取决于容积比率值。
2.3 边界条件的确定
边界条件：边界条件就是流场变量在计算边界上应该满足的数学物理条件。边界条件与初始条件一起并称为定解条件，边界条件和初始条件的确定，才会存在唯一流场的解。边界条件决定了物理模型边界的流动变量。适当的界定这些条件对数值模拟来说非常重要。具体的边界类型有：(1)流动入口、出口边界；(2)壁面和极边界；(3)内部区域；(4)内部面边界。 2.3.1 入口、出口边界
本篇论文中气液两相流中的气体为可压缩气体，气体是可压缩的，液体不可压缩，可压缩流体随压力降低，密度减少，体积增大，但其入口流速不会变化，可压缩流体选择流速入口边界比较合适。因此，管道的进口设为流速入口，管线的出口设为压力出口，管线管壁设为固体壁面。在使用VOF模型时，对边界上的次要相的体积百分比也需要定义。对压力出口边界的选用主要依据是将压力出口边界用来界定流动出口的静压，使用压力出口边界条件替代流动出口可以保证较为理想的收敛，尤其是在迭代过程中发生回流时，流动出口边界适用于对流动问题的流速、压力事先不了解的情况（本篇论文研究输送管路对回流问题不进行讨论）。当出口流动接近于充分发展流时，使用流动出口边界是可行的，这是由于流动出口边界对所有的流动变量均假设为零梯度(压力除外)，但不适用于计算本论文中的可压缩流体。
压力出口边界需要指定的参数包括：静压、回流总温和湍流参数。设定静压在压力出口边界，将其作为压力出口边界条件往往导致很好的收敛，尤其在迭代过程中发生回流时，只用于出口亚声速情况。如果出现超声速情况，压力要从上游条件推导出来，此
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时无需静压值。而且出口压力的设置对收敛流场特别是激波位置的影响较大，所以设定时要参照设计时出口条件，切忌压力过大或过小。忽略壁面散热和其它形式的能量损失时，总能量保持不变，回流总温与入口总温相等。
压力的设定是数值计算过程中重要因素，对计算结果影响很大。FLUENT计算中，首先要设定的是操作压力operating pressure。本数值计算过程中设操作压力为大气压。输入进出口表压，流动过程中有压降。 2.3.2 壁面及内部边界条件
壁面处为非滑移边界条件，热流量考虑为零热流量，即壁面为绝热壁面、光滑壁面。多相流模拟中，分散相模型壁面边界假定为反射类边界，即颗粒壁面间发生完全弹性碰撞(碰撞前后没有动量损失)。管壁的设置对气团流、段塞流和环状流的影响很大，对气泡流、分层流和弥散流影响较小，因为气泡流和段塞流的气体都生成大的气团与管壁直接接触，管壁有附着力，且气泡与管壁之间有接触角，需考虑准确这些影响因素，环状流管壁上部的液膜与管壁接触也需认真考虑，否则结果可能不理想。本文估略认为，气水之间的接触角为60°，油和水之间的接触角为90°，气和油之间的接触角为30°。
内部主要是指流体条件，由于研究的流体性质已经确定，对于其属性就没有必要设定。
2.4 湍流模型
2.4.1 湍流模型的选取
FLUENT提供的湍流模型有Spalartt-Allamaras标准κ一ε模型、RNGκ一ε模型及Reynolds应力模型等。大量的紊流计算表明κ一ε模型具有较好的计算稳定性、经济性和计算结构的准确性。本论文采用标准κ一ε模型。
在FLUENT中，自从Launder and Spalding提出标准κ一ε模型之后，标准κ一ε模型就变成了工程流场计算中主要的工具。该模型适用范围广、经济、精度合理，这就使得它在工业流场和热交换模拟中有着广泛的应用，本数值计算目前采用的也是标准κ一ε模型，该模型的k方程与可实现的κ一ε方程以及RNGκ一ε方程形式一样，只是常数不同，但占方程的形式相差很多。
标准κ一ε模型是个半经验公式，主要是基于湍流动能和扩散率。k方程是个精确方程，ε方程是个由经验公式导出的方程。κ一ε模型假定流场完全是湍流，分子之间的粘性可以忽略。标准κ一ε模型因而只对完全是湍流的流场有效。 2.4.2 定义湍流参数
1、湍流强度、水力直径的确定
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由于湍流模型选用的是κ一ε模型，指定湍流强度和粘性比作为湍流参数。湍流强度是脉动速度的均方根u′与平均速度uavg的比值。小于或等于1％的湍流强度通常被认为低强度湍流，大于10％被认为是高强度湍流。完全发展的管流的核心的湍流强度可以用下面的经验公式计算：
I?u'uavg?1/8?0.16ReDH??
（2-1）
式中下标DH是水力直径的意思。
水力直径是表征湍流受到障碍物的阻碍时，湍流涡旋受到限制程度的物理量，它是根据管线的水力直径决定的，这里水力直径等于管线直径。
2、雷诺数ReDH确定
其中两相流模拟时雷诺数ReDH的确定是按照分散相模型进行，具体计算如下所述。假定：(1)气液两相有各自的按所占流通面积计算的平均速度wg和wi。(2)气液两相间没有质量的交换，而且气液两相间处于热力学平衡状态，相间无热量传递。入口流动在保持层流情况下，可以经过计算求得入口处气相流通面积占入口面积的百分比。即可以求出％。的值，从而可以确定入VI处截面含气率Φ。
图2一l入口处气、液相区分布示意图[7]
AgA??
??R??R?hsin????R,??arcc?os?h1?R?/
（2-2）
截面含液率为：
HL?1??
（2-3）
式中，R—管径。 -
由于体积含气率β、体积含液率RL分别为：
??QgQ?QgQ1?Qg；
（2-4）
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RL?1???Q1Q?Q1Q1?Qg
（2-5）
由杜克勒II法可以计算出流体流动的雷诺数ReDH： ReD?Hdw?m?
（2-6）RL2 式中，?m—气液相混合物密度，?m??1 w一两相混合物流速，w? d一管径；
Q1?QgAHL??g?1?Rl?1?HL2； （2-7）
?wsl?wsg； （2-8）
?一两相混合物粘度，????g??1????1DH； （2-9） DH一表示水力直径。
2.5 解算器的选择及网格划分
2.5.1 选择解算器的具体格式
一般情况下，FLUENT单精度解算器高效准确。因此被广泛应用，在收敛性和精度方面都能取得较为理想的结果。因此在这里采用单精度解算器来计算压差。
FLUENT提供了三种求解格式：分离求解器、耦合隐式求解器和耦合显式求解器。分离求解器和耦合求解器都适用于从不可压流到高速可压流很大范围的流动，区别在于所使用的线化方法和求解离散方程的方法是不同的。分离求解方法即分别求解上面的各个控制方程，最后得到全部方程的解；耦合方式则是用求解方程组的方式，同时进行计算并最后获得方程的解。计算高速可压缩流动时耦合格式比分离格式性能更好，相比之下耦合格式能有效抑制发散，更快达到收敛。其中耦合隐式算法所需内存较大，而耦合显式算法比耦合隐式算法收敛性稍差一些，但是它需要的内存少。由于流型的发展变化是一个非稳态的过程，因此选用非稳态的求解计算器进行求解，可以得出在不同时刻的流型图。综上所述，圆管低速流动的流场是选用分离求解器较合适。 2.5.2 网格划分
本文所模拟的管道模型的长度为5m，管径为0.2m，采用结构化网格划分方式，网格长宽比不宜超过5。考虑壁面分界层对湍流的影响，对临近壁面附近进行了网格加密。在非常靠近壁面的地方，粘性阻尼减少了切向速度脉动，壁面也阻止了法向的速度脉动。离开壁面稍微远点的地方，随着平均速度梯度的增加，湍动能产生迅速变大，因而湍流