雷 麗,黃楠燕
(山東大學 能源與動力工程學院,山東 濟南 250061)
氣液兩相流及其流動特性對化學、石油等工業(yè)有著重要的影響。這是一種復雜的現(xiàn)象,它將單相流體流動(粘性力、慣性力和壓力)與兩相流(界面力、接觸角、傳熱傳質(zhì)和動量等)的特性結(jié)合在一起。兩相流的產(chǎn)生可以歸因于不同相的變化或混合。因此,研究不同工況下小通道內(nèi)氣液兩相流動很有必要。然而,氣液兩相流動與單相流動相比很復雜,因此,為了更好地理解氣液兩相流動,人們進行了大量的研究[1-3]。
在常規(guī)管道中,實驗比較常見的流型有:泡狀流、彈狀流、層流、環(huán)狀流和霧狀流[4-7]。Weisman等[7]研究了內(nèi)徑為11.5 mm至127 mm的水平圓管的兩相流動。結(jié)果表明,管徑和流體性質(zhì)(表面張力、粘度和密度)對流型轉(zhuǎn)變的影響在該管徑范圍內(nèi)不顯著。然而,隨著管徑的減小,重力的影響逐漸減小,在小通道中,表面張力起主導作用。正如Coleman和Garimella[8]所述,管徑對流動狀態(tài)轉(zhuǎn)變有顯著影響。Triplett[9]等人在直徑為1.09~1.45 mm的圓形和三角形微通道中進行了實驗研究,證實了這一結(jié)論。他們發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的常規(guī)通道的相關模型與小通道的實驗數(shù)據(jù)吻合較差。Deendarlianto[10]等人利用VOF方法對26 mm水平管內(nèi)塞狀流流動進行了CFD模擬研究。數(shù)值模擬的流型和含氣率與實驗結(jié)果吻合良好。利用矢量云圖觀測了氣塞內(nèi)部的流動循環(huán)。Parvareh等人[11]比較了VOF方法計算的數(shù)值氣液界面與采用電阻層析重建的實驗結(jié)果。數(shù)值計算結(jié)果與實驗結(jié)果在水平和垂直管道上吻合較好。López[12]等人利用高速攝像法和數(shù)值模擬對14 mm直徑水平管道內(nèi)的氣液兩相流動進行了綜合研究。數(shù)值計算結(jié)果與實驗結(jié)果吻合較好。
國內(nèi)外學者對常規(guī)通道進行了大量研究,對小通道的研究相對較少。并且,與實驗方法相比,數(shù)值方法能以更低的代價獲得更詳細的兩相流流動特性。因此采用數(shù)值模擬方法研究小通道氣液兩相流具有重要意義。本文建立了三維T型小通道的物理模型,并利用CFD方法對其進行數(shù)值模擬,以獲得管內(nèi)的氣液兩相流動特性參數(shù)。通過與實驗流型的對比驗證了該模擬的可靠性,并對該通道所觀測到的泡狀流、彈狀流和環(huán)狀流的流型、壓力和壓降以及間歇流的氣泡生成和氣泡長度進行了數(shù)值分析。
采用VOF方法對水平小通道內(nèi)的兩相流動進行了數(shù)值模擬。該模型可以追蹤自由邊界,氣液相的相互作用是由表面張力驅(qū)動的。在該模型中,兩相體積分數(shù)之和為1。在VOF模型中,如果網(wǎng)格單元中全是氣相,則該單元網(wǎng)格中氣相的體積分數(shù)為1,如果充滿了液相,則體積分數(shù)為0,多相流體網(wǎng)格單元中體積分數(shù)介于0和1之間。
此外,VOF模型還同時使用了不可壓縮的Navier-Stokes方程。在計算中,輸運守恒和動量的控制方程在計算域內(nèi)連續(xù)求解。VOF方法中的控制方程有以下三個:
連續(xù)性方程:
(1)
動量方程:
(2)
體積分數(shù)方程:
(3)
利用體積分數(shù)加權平均法得到了上述方程的參數(shù)。關于計算方法的具體信息可以在小通道兩相流的相關研究中找到[13-14]。
計算域的幾何形狀、邊界條件和計算網(wǎng)格的截面如圖1所示。該T型管的內(nèi)徑為5.16 mm。由圖1(a)可知,氣液兩相入口設置為速度入口,流體出口設置為壓力出口??諝鉃橹飨?,水為次相,采用無滑移壁面對管壁進行建模??諝夂退奈锢硇再|(zhì)參數(shù)如表1所示。
表1 流體的物理性質(zhì)參數(shù)
計算域采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進行劃分。為了正確求解邊界層,對壁面附近進行加密,如圖1(b)所示。為了進行網(wǎng)格獨立性驗證,采用341,263 ~ 1,020,564不同網(wǎng)格數(shù)對幾何圖形進行網(wǎng)格劃分,發(fā)現(xiàn)這些網(wǎng)格數(shù)對流型的發(fā)展影響很小,但是對氣液界面的影響很大。綜合考慮,選擇網(wǎng)格數(shù)為800,040進行數(shù)值模擬。
(a)計算域,(b)幾何截面的正交網(wǎng)格圖1 計算模型
仿真采用了基于壓力的求解方法,利用非迭代分布法計算連續(xù)性方程、動量方程、和體積分數(shù)方程的時間步長,利用一階逆風格式對動量方程和能量方程進行離散化,采用分段線性界面方程來計算體積分數(shù)方程。每次計算的時間步長采用變時間步長來確定,并且?guī)炖蕯?shù)為0.25。由于流動的不穩(wěn)定性,計算模型選擇瞬態(tài)模型。
為了驗證模擬水平管內(nèi)氣液兩相流流態(tài)的真實性,對選定的實驗工況進行了模擬。在實驗和模擬過程中,我們發(fā)現(xiàn)了三種流型:泡狀流、彈狀流和環(huán)狀流。高速攝像機拍攝的照片和CFD模擬結(jié)果的對比圖如圖2所示。泡狀流、彈狀流和環(huán)狀流的氣速分別為0.12、0.12、3.42 m/s。對應的水的表觀速度分別為0.588、0.17和0.92 m/s。因此,泡狀流、彈狀流和環(huán)狀流的氣液流速比分別為0.204、0.706和3.717。氣液流速比對流型的轉(zhuǎn)變有很大影響,不同流型有不同范圍的氣液流速比。
如圖2所示,實驗所捕捉的照片與模擬的相云圖吻合較好。其中,相云圖用紅色來表示氣體體積分數(shù),藍色表示液體體積分數(shù)。這三種流型的不同是由于氣液流速比的變化而產(chǎn)生的。泡狀流的氣相是分散的,液相是連續(xù)的。此外,由于重力的作用,氣泡在管道上部流動。隨著氣液流速比的增大,氣泡所受到的剪切力增大,氣泡的形成時間變長,氣泡長度變長,形成彈狀流。在該流態(tài)下,空氣為離散相,水為連續(xù)相,如圖2(b)所示。這兩種流型以受到表面張力為主導。環(huán)狀流的氣相和液相是連續(xù)的。空氣從管中流過,將液體推向管壁形成液膜。環(huán)狀流的氣液流速比最大,因此受到慣性力為主。
圖2 實驗流型與數(shù)值模擬結(jié)果的比較
上述實驗流型與模擬流型的比較結(jié)果顯示,模擬的泡狀流、彈狀流和環(huán)狀流流型與實驗結(jié)果吻合,說明本文所用的CFD方法可較為準確地反映水平小通道氣液兩相流的實際流動情況。
如圖3所示,以彈狀流為例,研究T 型小通道間歇流氣泡的形成過程。初始時刻,通道中全部是水,空氣從入口處開始進入通道。隨著時間的推移,空氣到達T型管混合區(qū),由圖3(a)可知,只有部分通道被氣泡占據(jù)。隨著液相和氣相的持續(xù)流動,氣泡逐漸變大變長并且向下游流動,氣泡尾部變薄,如圖3(b)所示。最后氣泡尾部被剪斷,形成彈狀流氣泡,如圖3(c)所示。T型小通道氣泡的形成是氣液兩相在慣性力、重力和剪切力作用下克服表面張力的結(jié)果。
圖3 小通道內(nèi)彈狀流氣泡的形成過程
為了進一步研究氣液流速對兩相流流型的影響,保持氣相流速為0.12 m/s不變,逐漸增加液相流速進行模擬。液速的變化范圍是0.17~0.588 m/s,一共模擬了5種工況。由圖4可知,氣相流速不變,隨著液相流速的增加,氣泡長度逐漸減小。這是因為氣相流速一定,液相流速越大,氣泡受到的剪切力越大,氣泡形成的時間變短,因此氣泡長度變小。
圖4 氣泡長度隨液相速度的變化
圖5展示了水平小通道內(nèi)氣液兩相流泡狀流、彈狀流和環(huán)狀流三種流型的壓力云圖。如圖5(a)和(b)所示,充分發(fā)展的氣泡沿管道從左向右流動,由于表面張力的影響,氣液兩相界面出現(xiàn)明顯的壓降,氣泡內(nèi)部壓力遠大于周圍液相壓力。同時,氣彈的壓力大于相鄰的液彈的壓力,并且沿著流動方向,氣彈和液彈壓力都逐漸減小。另外,由于泡狀流和彈狀流的表面張力大小一樣,但是泡狀流受到的剪切力更大,因此泡狀流氣泡內(nèi)的壓力大于彈狀流氣泡內(nèi)的壓力。
圖5 泡狀流、彈狀流和環(huán)狀流的壓力云圖
對于環(huán)狀流來說,由于上下壁面液膜厚度較小,垂直方向的壓力分布沒有明顯的變化;由于沿程損失的影響,水平方向的壓力值逐漸遞減。此外,環(huán)狀流的氣液界面有較大波動時,會形成很大的壓降。如圖5(c)所示,氣芯也經(jīng)常與液滴混合,液滴是通過撕裂管壁的液膜而形成的,因此液滴內(nèi)部壓力與周圍流體壓力相比較大。
在一般的壓降分析中,壓降分為摩擦壓降、重力壓降和加速度壓降。在水平小通道的空氣-水兩相流動中,不存在重力壓降。研究發(fā)現(xiàn),由加速度引起的壓降的貢獻通常小于當前工作中總壓降的2%。圖6展示了氣液兩相流典型工況的泡狀流、彈狀流和環(huán)狀流三種流型的模擬壓降結(jié)果,與圖2工況一致。
從圖6(a)和(b)可以看出,泡狀流和彈狀流的壓降分布是周期性波動的。壓降信號有高有低,這取決于通過截面的是氣泡還是液彈。此外,由于彈狀流的氣液流速比大于泡狀流,彈狀流氣彈的長度更大,因此彈狀流的壓降曲線相比于泡狀流具有更小的振動頻率。由于泡狀流受到更大的剪切力影響,泡狀流的壓降曲線有更大的峰值和低值。
從圖6(c)可以看出,環(huán)狀流的壓降與間歇流相比變化更不規(guī)則。氣液兩相的流量對氣液兩相的分布有很大影響,與間歇流相比,環(huán)狀流具有較大的氣液流速比,氣液兩相間波動劇烈。因此,環(huán)狀流的壓降更加無序,在50~200 Pa范圍內(nèi)變化較大。
圖6 泡狀流、彈狀流和環(huán)狀流壓降隨時間的變化
本文對水平T型小通道進行了數(shù)值模擬,通過與實驗流型的對比,驗證了該模擬的可靠性,并對該通道所觀測到的泡狀流、彈狀流和環(huán)狀流的流型、壓力和壓降以及間歇流的氣泡生成和氣泡長度進行了數(shù)值分析,結(jié)論如下:
(1)氣液流速比是影響流型的一個重要因素。不同的氣液流速比會得到不同流型,環(huán)狀流的氣液流速比最大,因此受到慣性力為主。氣相速度一定,液體速度增大時,氣泡長度變小。T型小通道氣泡的形成是氣液兩相在慣性力、重力和剪切力作用下克服表面張力的結(jié)果。
(2)間歇流以表面張力為主導,因此其氣泡內(nèi)的壓力遠高于周圍液相的壓力。環(huán)狀流垂直方向壓力分布沒有明顯變化,水平方向的壓力沿著流動方向逐漸減小。間歇流中氣相是離散相,液相是連續(xù)相,因此其壓降隨時間的變化呈周期性分布。峰值的變化取決于通過截面的是氣彈還是液彈。環(huán)狀流的氣液界面波動相比于間歇流沒有明顯規(guī)律,當氣液界面波動較大時,壓降增大。