基于V锥流量计的油水两相流数值研究

　　0 前言

　　V 锥流量计是一种新型的差压式流量计，与传统的孔板流量计相比，具有精度高、压损小、能耗低、重复性好、量程比宽、稳定性强等优点成为今后极具发展前景的流体计量仪器[1 -6]。V 锥流量计内部流场是基于钝体绕流这一复杂现象形成的，受结构参数影响较大[7 -8]，尤其对于多相流动而言，其轴向压降和相态分布受结构参数影响更大。

　　随着石油工业的迅猛发展，多相流量计已成为目前国内外学者研究的热点问题[9 -11]。在多相流动中，总流量和各分相流量是多相流的重要参数，流量的准确测量对工程设备运行的经济性和可靠性十分重要。基于 FLUENT 软件，对 V 锥流量计内油水两相流场进行数值计算，分析结构参数对轴向压降及油水相态分布的影响，为有效的降低能耗提供一定的理论基础。

　　1 模型的建立

　　1. 1 物理模型

　　建立长 0. 5 m，内径 0. 05 m 的管道模型，为了分析不同工况下 V 锥流量计内油水两相流动特征，建立了等效直径比为0. 4、0. 6、0. 8 前锥角35°、45°、55°后锥角 120°、130°、140°9 种几何模型，并采用混合网格对计算模型进行单元划分，部分计算模型见图 1。

　　1. 2 数学模型

　　采用多相流混合模型数值计算油气两相流动，该模型不仅适用于计算相间存在滑移速度的多相流动，还适用于计算有强烈耦合的各向同性和各相异性的多相流动[12 -14]，湍流模型采用标准的 k - ε 二方程，故控制方程如下。

　　连续性方程

　　2 数值模拟及结果分析

　　计算所采用的原油密度为 870 kg/m3，粘度0. 016 8 Pa·s; 水相粘度 0. 001 03 Pa·s，密度 998 kg /m3，忽略温度对流场的影响。图 2 给出了等效直径比0. 6，前椎角45°后椎角120°流速1 m/s，初始含水率 0. 3 时的各物理场云图。分析可知: 当油水流过锥体时，由于锥体的节流作用使流场中低压区出现在锥后，下游距锥体一定位置压力开始迅速回升，距锥体 0. 425 m 处压力逐渐趋于某一定值; 由速度场云图可以看出，最大速度出现在节流面积最小及偏后区域，速度可达 5. 5 m/s，且锥后一定位置出现了涡流，从计算的数据可知: 下游管路中轴线速度与同一截面相比较低，越靠近管壁速度相对越大; 而湍动能最大值则出现在锥体下游涡流上部靠近管壁处，此处由于速度梯度差异较大，流体脉动强烈，故湍动能最大; 从水相体积分数云图可以看出: 体积分数最小的区域与压力最低的区域相一致，可见压力是引起水相分布的主要因素，且随着下游压力的迅速恢复，水相介质分布逐渐均匀。