垂直上升管道内气液两相细泡流涡街特性的数值仿真

气液两相流广泛存在于自然界和工业生产中，流过绕流物体时，一定条件下会产生漩涡，并引起振动．工业设备中，气液两相流钝体绕流产生的振动一方面具有破坏性[1]，另一方面隐含着流动信息．因此，充分认识气液两相流钝体绕流的规律和流场分布特性，并通过电学手段表征，可以为工业设备的抗振设计以及气液两相流体的流动参数测量提供理论依据．Hulin 等[2]和林宗虎等[3]通过实验研究了气液两相流钝体绕流的一些特性．文献[2]得出当来流含气率小于 10%时涡街是稳定的结论，文献[3]在垂直上升和垂直下降 2 个流向分析了漩涡脱落特性．但气液两相流流场复杂，真实流动状态不易检测，通过实验无法研究流场各个位置上的基本物理量(速度、压力、温度、组分等)的分布，以及这些物理量随时间的变化情况；因此，利用数值仿真计算模拟真实条件，可以克服实验研究的不便，探究流场的动态过程，并在数值模拟和实流实验之间建立更紧密的互证关系，为气液两相流的测量提供更深入的借鉴依据和有力支撑．笔者在 50,mm 垂直上升管道内，利用 Fluent 软件仿真，并通过实验研究了气液两相细泡流绕漩涡发生体流动发生气液两相涡街的一些现象．实验表明，截面含气率在小于 10%时涡街是稳定的[4]，因此笔者分析了截面含气率在 0～8%变化时对脉动升力以及漩涡脱落的影响．将计算流体动力学(computationalfluid dynamics，CFD)仿真结果与实验比较，最大误差小于 8%，平均误差小于 4%．

1 建模与数值仿真

1.1 模型的选择与建立

考虑到在水平管段，气液两相流在运动过程中极易出现分层的现象，涡街流量计检测到的很多都是纯水的信息，失真太大；而在垂直上升管道内，气液两相流在重力和浮力等作用下，相对混合比较均匀，检测效果也很好，所以选择竖直管段为实验管段，直径D＝50,mm，仿真时建模也按该尺寸建立竖直管段．

从实际出发，涡街流量计需要有前后直管段来保证漩涡分离的稳定性，因此在建立仿真模型时，选取30D 长的管道，前直管段处为 181,mm，梯形柱漩涡发生体为 19,mm，后直管段为 400,mm．所选梯形柱漩涡发生体的尺寸为单相流产生稳定涡街的典型尺寸，即迎流面与管径比为 0.28．由于二维数值仿真中省略了漩涡的拉伸弯扭项，忽略了边界层条件，造成了二维仿真结果与真实的三维流场存在较大差异，且漩涡自身还有三维的特性，因此，选择建立三维模型[5]．管内采用结构化网格六面体剖面，边界层与漩涡发生体梯形柱采用结构化网格四面体剖面，并进行光顺处理，如图 1 所示．