COMSOL Multiphysics有限元软件数值模拟气液两相流的可行性研究 秦梓钧;刘保君;张雪;韩洪升
【摘 要】In multiphase flow experimental pipeline system, the experiment plan and process of gas-liquid two-phase flow in upward inclined pipe were designed,and flow characteristics of gas-liquid two-phase flow were described. Then by using COMSOL Multiphysics software, numerical simulation research of the volume fraction of two-phase flow in 30° upward inclined tubes at different time was carried out, the feasibility of using COMSOL Multiphysics software in numerical simulation of gas-liquid two-phase flow was identified. The results show that analysis results of gas-liquid two-phase flow pattern in inclined pipe by using COMSOL Multiphysics software are basically consistent with results of indoor experimental methods, so COMSOL Multiphysics software has high credibility, can be used in analysis of gas-liquid two-phase flow pattern.%在多相流实验管路系统中，设计向上30°倾斜管道中气液两相流的实验方案和流程，进行气液两相流流型实验研究，并绘制气液两相流流型图。再利用COMSOL Multiphysics软件，对向上30°倾斜管中气液两相流中不同时刻的体 积分数进行数值模拟研究，验证COMSOL Multiphysics应用于气液两相流的可行性。结果表明采用COMSOL Multiphysics软件数值模拟向上倾斜管道中气液两相流流型的分析结果与室内实验法结果基本一致，可信程度较高，可作为分析气液两相流流型的主要方法之一。
图兰朵故事简介【期刊名称】《当代化工》
【年(卷),期】2016(045)005
大庆教育论坛
【总页数】4页(P916-919)
【关键词】向上倾斜管道;气液两相流;流型图;数值模拟
【作 者】秦梓钧;刘保君;张雪;韩洪升
【作者单位】东北石油大学，黑龙江 大庆 163318;东北石油大学，黑龙江 大庆 163318;山西天然气有限公司，山西 太原 030000;东北石油大学，黑龙江 大庆 163318
【正文语种】中 文
【中图分类】TQ018
黑箱方法
在油田现场，严格意义上的水平管道和垂直管道很少，研究倾斜管道更具实际意义［1，2］。在倾斜管路中，时间和空间上均不确定的相界面，给气液两相流研究带来极大的困难［3-6］。
本文在实验室多相流实验管路系统中，设计气液两相流实验方案和流程，进行倾斜管中两相流流型的分析研究。并利用COMSOL Multiphysics软件进行数值模拟，最终实验结果与数值模拟分析结果互相吻合，表明COMSOL Multiphysics可作为分析气液两相流的软件进行推广使用。
1.1 实验方案设计
气液两相流流型实验装置如图1所示，主要是由循环水系统、气体供给系统、计算机采集系统和实验系统组成。［7，8］实验管路的倾斜角度可自动调节，进行倾斜角度为 30°的管道中气液两相流实验研究。
1.2 实验流程
气液两相流体在混合器中混合后，经过长度为2 m的稳定段后进入实验管路，进行气液两相流流型实验研究，具体流程为：
（1）开启系统用泵，用调节阀调节流量，待流量稳定后计量液体流量；
（2）启动空气压缩机，向实验管路提供气液两相流实验所需用气体，调节实验管路中气体流量，待流量稳定后测量气体流量；
以人为本论文（3）等气液两相混合后，观察气液两相流在实验管路的流型，等待流型稳定一段时间，利用数据采集系统采集实验数据；
（4）关闭空气压缩机，用调节阀调节进入实验管路的液体流量，重复实验步骤（1）～（3），进行不同入口速度条件下，气液两相流流型实验研究；
（5）关闭系统用泵，用调节阀调节进入实验管路的气体流量，重复实验步骤（1）～（3），进行不同容积含气率条件下气液两相流流型实验研究；
（7）关闭实验相应设备，结束实验。
级进模1.3 实验结果分析
在实验室的多相流实验管路系统中，进行 30°倾斜角度下实验管路中气液两相流研究，依据计算机采得到的容积、速度与含气率实验数据，进行气液两相流流型分析。
实验室的多相流实验管路系统中，选取内径为20 mm的实验管路，调整倾斜角度为30°，进行倾斜角度管道中气液两相流流型实验研究，根据传感器采集的信号，以计算的液相折算速度值为横坐标，气相折算速度值为纵坐标，制作倾斜管中气液两相流流型，如图2所示。
2.1 COMSOL软件简介
COMSOL Multiphysics（原名Finite Element Modeling Laboratory）是一款大型的高级数值仿真软件，由瑞典的COMSOL公司开发，是一个基于偏微分方程的专业有限元数值分析软件包，是一种针对多物理场模型进行建模和仿真计算的交互式开发环境系统。该软件的建模求解功能基于一般偏微分方程的有限元求解，所以可以连接并求解任意物理场的耦合问题。COMSOL Multiphysics针对不同的问题可以进行静态和动态分析、线性和非线性分析、特征值和模态分析等［9］。
通过COMSOL Multiphysics的多物理场功能，可以选择不同的模块同时模拟任意物理场组合的耦合分析；可以使用相应模块直接定义物理参数创建有限元模型；也可以自由定义自己的方程来建立相应模型。
2.2 不同气相折算速度时数值模拟
建立倾角为 30°的管道模型，设置液相折算速度为 0.5 m/s，分析气相折算速度对气液两相流流型的影响。
（1）液相折算速度为0.5 m/s，气相折算速度为0.5 m/s
这时，气液两相流的容积含气率为 0.5，气液两相流在倾斜管中不同时刻气相的体积分数如图3所示。
图3分别为t=0.3，0.6，0.9，1.2，1.5 s时气相体积分数，当液相折算速度为 0.5 m/s，气相折算速度为0.5 m/s时，气液两相中的气相在重力的作用下，向管道顶部移动，与液相逐渐分离，此时，气液两相流在流型图上显示为间歇流。
（2）液相折算速度为0.5 m/s，气相折算速度为1.5 m/s
这时，气液两相流的容积含气率为0.75，由于数值模拟分析图片较多，在这里就不一一列举。由软件分析图片可知：当容积含气率为0.75时，气液两相中气相的含量增加，并继续向管道顶部移动，发生气泡合并或聚结现象，与液相分离。此时，气液两相流在流型图上显示为间歇流。
（3）液相折算速度为0.5 m/s，气相折算速度为4.5 m/s
气液两相流的容积含气率为 0.9，由软件分析图片可知：当容积含气率为0.9时，气相和液相界面上产生扰动波，并触碰管道顶部，形成气弹，与此同时，管道顶部的液膜受到压迫，沿倾斜管道向上移动，围绕管道形成环状流，气液两相流为弹状流向环状流过渡，在流型图上显示为间歇流。
天黑请闭眼 电影
（4）液相折算速度为0.5 m/s，气相折算速度为9.5 m/s
这时，气液两相流的容积含气率为0.95，由软件分析可知：当容积含气率为0.95时，气液两相流中气相的含量远远大于液相的含量，气相的速度也远远大于液相的速度，管道顶部的液膜受到压迫，沿倾斜管道向上移动，围绕管道形成环状流。此时，气液两相流在流型图上显示为环状流。
不同气相折算速度时，气液两相流流型数值模拟结果如表1所示。
2.3 不同液相折算速度时数值模拟
建立倾角为 30°的管道模型，设置气相折算速度为 0.9 m/s，分析液相折算速度对气液两相流流型的影响。
（1）气相折算速度为0.9 m/s，液相折算速度为0.1 m/s
气液两相流的容积含气率为 0.9，气液两相流在倾斜管中不同时刻气相的体积分数如图4所示。
图4 分别为t=0.3，0.6，0.9，1.2，1.5 s时气相体积分数，当气相折算速度为0.9 m/s，液相折算速度为0.1 m/s时，气相在浮力的作用下，与液相分离，在管道顶部合并聚结；液相在重力作用下，出现倒流现象，在管道入口处聚集，形成塞状流，在气液两相流流型图上显示为间歇流。
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议