ＴＡＣＩＴＥ瞬态清管模型模拟清管器的运动。
１ 简化的瞬态模型及清管模型［１］
１．１简化的瞬态模型 对于气体，将应用近似的稳态假设。气体的连
程为掣＋旦掣：ｏ。 续性方程为ｍｇ一融Ｑ。一ｆＤｇＶ。Ａ。；液体的连续性方
◇分层流 在分层流中，具有局部平衡假设的两相流动量
方程为：
分层流的液体动量方程１＿ｄＰ＋Ｃ．１ｙ。Ｉ ｖ，ｌ—
（塞）平均＝～（警＋ｐ。ｇｓｉｎＯ）等一禹川＋
ｒ圭靠Ｐｓ（Ｖｓｒ＋Ｖｌｆ）ｌｙｓｒ＋Ｖ－ｒ Ｉ＋ｐ，ｇｓｉｎ口丁Ｉｆ
此处注意Ｖｔｔ的正方向是上游方向。剪切系数可表 示为Ｃ＝厂Ｓ／２Ａ，段塞流的雷诺数小于２ ０００，摩 擦因子为６４／Ｒｅ。在分层流中，根据Ｃｏｈｅｎ和
＊本文受到国家科技重大专项项目“煤层气田地面集输工艺及监测技术”（编号：２００９ＺＸ０５０３９）的资助。
流的预测便显得十分重要。
２．５ ＴＡＣＩＴＥ清管模型［３１ ＴＡＣＩＴＥ编码中清管模型对清管过程中的质
量守恒充分考虑了管线泄漏影响，并对清管器前部
堆积液体量进行预测；清管过程中的力平衡考虑了
清管器两侧压力损失和使清管速度降低的壁面阻力 的影响。可设定发球位置和接收位置、清管器的长
度和质量，以及壁面摩擦因子。
Ｐｌ ｏｚ
Ｙｔ
Ｃｉ卫Ｌ（Ｖ。一Ｖ１）ｌＶｇ—Ｖｌ Ｉ＋ｇｓｉｎＯ一０
ｐｔｙ
分层流的气体动量方程丢五ｄＰ＋禹Ｅ＋ 兰（Ｖ。一Ｖ１）｝ｙ。一Ｖｌ Ｉ＋ｇｓｉｎＯ亍０
◇环状流 该区域与分层流相似，当气体没有湿润管壁时
（Ｃ。一ｏ），分层流的方程对于环状流同样有效。 ◇泡状流或雾状流 对于这两个区域，假设在气相和液相之间没有
关键词 瞬态流动瞬态模拟清管 段塞流两相流
ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００２—６４１Ｘ．２０１０．１０．０１３
在两相流集输管道中，最重要的瞬态条件是入 口流体流率的波动、出口压力的变化和清管过程。 定期对集输管道进行清管操作可以清除管道内的积 液。为了使管道设计更加便捷和安全，对瞬态操作 进行模拟和分析是十分必要的。对流体质量守恒方 程、动量守恒方程和能量守恒方程的顺利求解能够 预测管道内的瞬态水力特性。为了减少计算机编程 的复杂性，可对上述提及的平衡方程进行简化以得 到一套实用的程序。Ｔａｉｔｅｌ、Ｓｈｏｈａｍ和Ｂｒｉｌｌ （１９８９）将气体近似的稳态假设和两相局部动量平 衡相结合，提出了简化的瞬态模拟模型。Ｍｉｎａｍｉ 和Ｓｈｏｈａｍ（１９９４）提出了新的预测流态的方法， 并将其与实验数据相对比后对上述模型进行了修 正。ＭｃＤｏｎａｌｄ和Ｂａｋｅｒ（１９６４）是最早对两相流 管道中的清管过程进行研究的学者。Ｂａｒｕａ（１９８２） 进一步完善了ＭｃＤｏｎａｌｄ和Ｂａｋｅｒ的清管模型并移 除了主模型中的一些限制性假设。Ｋｏｈｄａ（１９８８） 根据漂移流模型提出了第一个基于完全两相瞬态公 式化的清管模型。Ｍｉｎａｍｉ和Ｓｈｏｈａｍ（１９９１）将 清管模型与Ｔａｉｔｅｌ（１９８９）提出的简化瞬态模拟器 整合到了一起。现采用简化的瞬态清管模型和
万方数据
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国外油田工程第２６卷第１０期（２０１０．１０）
Ｈａｎｒａｔｔｙ（１９６８）的研究数据，此处摩擦因子为 ０．０１４。在环状流中摩擦因子可通过Ｗａｌｌｉｓ（１９６９）
关联式得出：ｆｉ＝ｏ．００５（１＋３００青）。确定一个判
、
一，
定管道中流态的标准是十分必要的，计算程序可以 以该标准来判断管道内的流体状态。如果流态改变
分，再估计虚拟组分的性质。最后在适当的温度压 力范围内将虚拟组分的性质加以优化，用虚拟组分
的性质来替代初的准确性。设定的
虚拟组分最佳分馏界限应使蒸汽质量分数或状态参 数方程的目标函数最小化，这种方法是首次在
ＴＡＣＩＴＥ中加以应用的。该二进位表示法对于标
王荧光等：气液两相流管道中的瞬态流动及清管操作模型’
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气液两相流管道中的瞬态流动及清管操作模型＊
王荧光 裴红 刘文伟 李研（中国石油辽河工程有限公司）
摘要对于气液两相流的瞬态模拟，需 要对连续性方程、能量方程及动量方程进行 复杂的计算。简化的瞬态清管模型是采用近 似的稳态假设和某一流态下两相局部动量平 衡的方法，对连续性方程和动量方程进行适 当的简化。ＴＡＣＩＴＥ瞬态清管模型是以漂 移流动模型的数值分辨率为基础，可用于多 相传输中遇到的有关坡度、流动特性和流动 状态的任何情况，其精确的数值格式可以对 混合物组成进行精确的追踪。通过将模拟结 果与实测数据进行对比表明：这两种模型的 模拟结果均可满足工程需要，ＴＡＣＩＴＥ模 型模拟数据与实测数据具有更好的一致性。
的研究为基础的¨］。根据该模型管道被分成三个区 域。①上游瞬态两相流区；②段塞区；③下游瞬态 两相流区（图２）。为了模拟清管器在管道中的运 动，移动坐标中的质量守恒和动量守恒被应用在段 塞流区域内。对于运动控制体和扩大控制体，以上
Ｊ
提及的方程可表述为芋（』ＤｌＥｌｓＡＬ。）＋ｐ（Ｖｌ— Ｕ‘
Ｖ。）ＥｌＡ＋ｌＤｌ（ｏ—ｙ，）（１一Ｅ）（－－Ａ）一ｏ，液体段塞长 度随时间的变化可根据平移速率和清管器速率的差 表述出来，因此可得到平移速率为Ｖ。＝
万方数据
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在管道入口附近将形成两相流。同时可以看到，清 管后将发生液体重新恢复的现象。
２ ＴＡＣＩＴＥ瞬态模型及清管模型
２．１ ＴＡＣＩＴＥ流体动力学模型［２１ ＴＡＣＩＴＥ模型是一种漂移流动模型，该模型
分解了４个守恒联立方程：质量守恒方程、能量守 恒方程、动量守恒方程和热力学闭合方程。ＴＡ— ＣＩＴＥ通过一个取决于流动状态稳态闭合关系的曲 线来恢复有关相间滑脱的遗漏信息。为了确定相 态，假设每种状态都是两个基本方式的空间与时间 的结合：分离流动（层状流和环状流）和分散流 动。这样间歇流动便可以看作是这两个基本方式的 结合，并且通过分离流的比率卢（分散流卢一０，分 离流ｌ｜９＝１，间歇流０＜口＜１）来确保闭合规律的 连续性。因此，该模型的独创性就在于：动力方程 组确保了模型在整个流动状态转换期间的连续性； 闭合定律对坡度和流体特性来说保持了其连续性； 在计算变量连续性的基础上建立了流态的转换 理论。 ２．２ ＴＡＣＩＴＥ流体热力学模型［２３
２．４ ＴＡＣｌＴＥ的数值格式［２１
该数值格式所采用的守恒方程为芝半＋等一
（，‘
（，＾
Ｓ。该方程是一个非线性双曲型组，可使迭代循环 中和沿管线单元有较好的质量和能量平衡，同时该
方程也是非耗散型的，可以确保有较好的正面跟踪
能力，可较准确地应用到段塞流的模拟。在段塞流
发生时孔隙率波会向两个方向扩展，这样采用显隐 式混合格式来优化计算速度和正面跟踪能力对段塞
３ 结果与讨论
３．１简化的瞬态模型及清管模型的验证［１３ 为了验证模型的有效性，将简化的瞬态清管模
拟计算结果与Ｍｉｎａｍｉ（１９９１）所收集的试验站数 据进行比较。首先，对直径８０ ｍｍ、长４２０ ｍ的 管道进行稳态计算。该管道入口液体流率是０．００４ ｍ。／ｓ，气体流率是０．０８５ ｍ３／ｓ，出口压力是１８３
图４显示出了１站液体持液率的变化。所预测 的液体持液率的变化与实际观察值很接近，但在段 塞区域持液率的预测存在一定的误差，这是由于 Ｇｒｅｇｏｒｙ关联式的不准确造成的。在清管器上游和 与稳态模型持液率计算相关的段塞区域下游处的持 液率的预测也存在微小的误差。图５显示出了清管 期间及清管后管道内液体持液率的分布。可以看 到，清管期间在清管器的后部有一气体区域，并且
图３ １站和２站处的压力变化
可以看到，在清管前后的稳态流动中，压力预 测值和实测值间具有一定的差别，这表明所使用的 稳态计算模型由于具有前面所提及的简化假设使其 不是非常准确。所预测的清管器到达收球桶的时间 比实际测量时间要短，这表明所预测的清管器速率 要比实测的速率要高。这主要是由于模型中进行了 不允许任何气体通过清管器的假设，然而众所周 知，实际上气体是可以通过清管器与管壁间的间隙 的。在预测速率与实测速率之间的差异也导致了清 管器运动期间预测的压降要比实际测量的压降 要大。
上游瞬态两相区
Ｉ
段塞区
图２清管模型
Ｉ下游瞬态两相区
１．３数值求解 为了对简化瞬态模型进行求解，采用半隐式有
限差分方式将连续性方程和动量方程离散化。同时 应用对气体和液体的连续性方程采用向后差分逼
近，对压力方程采用向前差分逼近的矩形网格系 统。为了模拟清管期间和清管后的瞬态行为，需要 将清管模型与早期描述的瞬态模型耦合到一起。清 管器被假设成一个在移动的边界条件，气体不允许 通过该边界，部分液体可以滑移通过该边界。段塞 前部也是一个移动的边界。一般清管器的速率与清 管器后部的气体速率相同，故可通过清管器的速率 计算每一时间步的清管器的位置。段塞前部的新位 置也可通过清管器的平移速率计算得到。计算得到 清管器和段塞前部的位置后，可以将简化的瞬态模 型应用到下游瞬态区域来确定压力。边界条件是管 道出口的压力和入口的流率，压力和流率可通过下 游两相流截面和液体段塞部分截面之间应用质量守 恒得到。气体的关联式为（１一Ｅｌ。）（Ｖ。一Ｖ。）一（１一 Ｅ一）（Ｖ。一Ｖ。），因此，通过该方程得到的气体速率 可计算得到气体的流率。采取同样的方式可得到液 体流率。下游流体区域得到求解后，便可以通过该 方程得到液体段塞部分的压降。这样加上清管器的 压降便可以得到清管器上游的压力。清管器的压降 可通过Ｋｏｈｄａ、Ｓｕｚｕｋａｗａ和Ｆｕｒｕｋａｗａ（１９８８）提 出的经验关联式计算得到。对于上游流体区域，可 采用另外一维简化瞬态模型进行计算，该模型给定 了气体和液体的入口流率及清管器处的压力作为出 口边界条件。
—Ｅ］．—Ｖ—ｐＣ－ｌ－—ｓ— ＥｉＩＬＶｌ—Ｉ—－－百Ｖ—ｐ（—１－－一Ｅ）。段塞中的液体持液量
可由Ｇｒｅｇｏｒｙ公式得到，段塞速率（、厂，。）可通过清 管器上游和下游之间的质量平衡得到如下公式
ＩＤｌＶ。。（Ｖ。一Ｖｐ）ＥｌｓＡ＋ｐＪＶＩ（Ｖｌ—Ｖ。）ＥＩＡ＝（Ｐｐ—