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VirtualFlow | 管道内颗粒输运及床层形成模拟

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天然气输气管道、凝析油输油管道中颗粒输送与床层形成可能发生在不同的流动状态:从稀流到高质量负载状态,再到管道中颗粒床层形成。管道中如果存在颗粒,且流速不够高时就会发生黑粉沉积,可能导致管道堵塞,特别是在清管期间,流动的粉末可能会损坏压缩机、堵塞过滤器,甚至损坏设备


对于此类管道的仿真分析需考虑一系列复杂的现象,包括载体相的湍流、颗粒与湍流的相互作用、颗粒和壁面的相互作用、表面粗糙度的影响、颗粒和颗粒相互作用、颗粒团聚、沉积、跃移及再悬浮等。


通用计算流体力学软件VirtualFlow提出了颗粒输运机制的分层建模框架,颗粒流动预测采用单向、双向及四向耦合的拉格朗日粒子跟踪方法,着重于颗粒与颗粒相互作用、颗粒与壁面相互作用的统计计算,包括粗糙度的影响。另外,考虑到RANS方法的局限性,湍流模型采用大涡模拟(LES)。


VirtualFlow 颗粒流动预测方法:

NO.1 稀悬浮液中的拉格朗日模型

单向耦合:在颗粒含量较少的情况下,颗粒对流体的流动无影响

双向耦合:流体的流动及湍流都受到颗粒的影响

NO.2 密集颗粒的拉格朗日模型

VirtualFlow拥有求解颗粒体积分数大于5%的不可压流动的欧拉-拉格朗日模型


Part 1 单向耦合:管道中液滴沉积

采用VirtualFlow计算分析天然气及凝析油管道输运问题,如图1所示,核心区域由气体和液滴组成,管道底部液体层由于较强的界面剪切力,可以形成液滴。最终沉积在管道壁形成薄膜,或重新沉积到池中。


采用VirtualFlow计算分析天然气及凝析油管道输运问题,如图1所示,核心区域由气体和液滴组成,管道底部液体层由于较强的界面剪切力,可以形成液滴。最终沉积在管道壁形成薄膜,或重新沉积到池中。


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图1 液滴夹带模型的原理图


为比较不同湍流模型预测湍流和颗粒之间相互作用的效果,使用VirtualFlow软件单向耦合的拉格朗日方法对颗粒进行追踪,求解颗粒与壁面的相互作用。图2为管道中颗粒与湍流的相互作用模拟结果。

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图2 管道中颗粒与湍流的相互作用


图2展示了URANS和LES结果之间的差异。LES模拟结果可以看到湍流对颗粒的扩散作用使得一些颗粒移动到壁面区域。而URANS模拟结果给出了颗粒平稳的移动路线,这表明湍流模型对模拟结果有重要影响。


Part 2 双向耦合:管道中密集颗粒流动

Lain等人(2002)的实验验证了密集颗粒在有粗糙壁面的管道中的分布,使用VirtualFlow 双向耦合模型及Langevin力来模拟湍流对颗粒的影响。

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图3 颗粒在通道中的扩散(通道的两部分)


如图3所示,随着时间的推移,由于粗糙度模型的存在,粒子在再次悬浮之前会向通道底部移动。

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图4 实验 VS VirtualFlow模拟结果


图4(上图)表明,VirtualFlow模拟流体及颗粒的速度分布与实验测量结果一致。颗粒速度的对称分布(与流体形状相似)反映了颗粒在通道中的理想分布,这是由于颗粒在壁面粗糙度的作用下再悬浮引起的。


图4(下图)可以看出,模拟可以准确地预测出沿着通道的压降。


Part 3 四向耦合:颗粒的悬浮和沉降

颗粒的悬浮和沉降三维问题最早由Snider提出(2001),用以来验证模型的正确性。在重力的作用下,沙粒和空气的混合悬浮液会沉淀到颗粒堆积的状态(粒子最初是静止的,并且均匀、随机地分布)。

采用VirtualFlow对整个过程进行模拟:

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图5 VirtualFlow模拟颗粒沉降过程


针对颗粒体积分数分布,将VirtualFlow模拟结果与Snider(2001)原始数据进行比较,如图6。

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图6 沉降过程中的颗粒的体积分数变化


图7为VirtualFlow模拟沉降过程不同时刻(0.1s, 0.15s, 0.185s)的颗粒分布。


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图7 0.1,0.15,0.185s时刻颗粒体积分布


通用计算流体力学软件VirtualFlow含有颗粒法向应力模型的四向耦合方法,可以很好地解决颗粒沉降堆积的问题,针对不同流动状态下含不同粒径的固体颗粒流动计算仿真,分别采用单向、双向和四向耦合预测颗粒的输运,包括3种流态:
(i)稀释悬浮液;
(ii)高质量负载条件;
(iii)管道中的颗粒床层的形成。