气液两相流噪声数值模拟
张坻,李孔清*,王嘉,洪娜
【摘 要】由于气液两相流现象普遍存在,气液两相流噪声已经成为输流管线中的关键性噪声之一.本数值模拟将实际模型简化,抽象出简化物理模型,对输流管道内的两相流噪声进行研究.首先,建立管道三维流场的数学物理模型,利用Realizable k-epsilon湍流模型和PBM模型对输流管道中的两相流瞬态流场进行求解;然后将求解出来的瞬态流场导入到声学软件Virtual.Lab进行快速傅里叶变化将时域转换成频域;最后利用Virtual.Lab中的声学有限元(FEM)模型求解两相流中的偶极子声源,得到两相流噪声频谱图,对输流管道中两相流的产生,传播和衰减规律进行分析.结果表明:由于两相流中的气泡生成发展和两相流湍流产生的压力脉动和速度脉动是两相流噪声产生的根本原因;在低马赫数下,偶级子声源是主要的噪声源,所以笔者只对两相流管道中偶极子声源进行计算. 【期刊名称】矿业工程研究 【年(卷),期】2017(032)001 【总页数】8
【关键词】气液两相流;realizable k-epsilon模型;偶极子;噪声
气液两相流流动在动力、石油、化工、热力等领域广泛存在.例如在石油工业中天然气凝析导致的两相流和核电工业的管线中水蒸气冷凝导致气液两相流.关于气液两相流的研究一直是一个比较热门的研究课题.由于管道内两相流的存在,管道内的流场压力变化较单向流更为剧烈,两相流流场的压力脉动导致的管道的振动和噪声是一个不可忽视的课题.
李小婷等使用声发射技术对气液两相流水平管路流动噪声信号进行实验研究,研
究表明两相流流场对于流动噪声有明显影响,特别是在分层流和环状流过渡状态尤为明显[1].孙斌等对水平管内气液两相流压差波动信号用小波包进行分解,对水平管道两相流中各频段信号的线性相关性进行研究[2].张子吟等对气液两相流中的噪声信号与两相流流场进行结合研究,测定两相流中的噪声信号[3].袁金宁等对气液两相流中的噪声进行了测试,得出了两相流中的噪声频谱,并对其峰值频率点进行了研究[4].
以上学者的研究本质不是对两相流声场进行分析,本文在前人对两相流声学研究的基础上,将实际条件下的两相流模型简化,建立简化的管道物理模型,采用Fluent与专业声学软件Virtual.Lab对两相流声场进行联合仿真,对不同工况下的两相流噪声进行计算并分析了水平管道中的两相流噪声的产生,传播和衰减规律.
1 物理模型
从实际情况下抽象出来的简化两相流的管段模型(如图1所示),管道内径为400 mm,由于管道内湍流充分发展,考虑计算复杂性,仿真计算域长度为2 000 mm,空气从位于管道中部直径为100 mm的入口流入(即A入口),水则从左侧的环形开口流入(即B入口).初始阶段主管道内全部充满水,无空气.空气与水进入管道后形成从左到右的水-空气混合两相流动.
管道中介质为空气和水,不考虑空气和水的可压缩性,参数如下:空气密度ρ=1.225 kg/m3,运动粘度1.48×10-5 m/s;水的密度ρ=1.0×103 kg/m3,运动粘度1.01×10-6 m/s,在管道出口处设置3个观测点,近点距离管口右端500 mm,中点距管道右端1 000 mm,远点距管道右端1 500 mm.如图2所示. 根据输流管道支管的实际情况和物理模型设置的边界条件如表1.
2 数学模型
2.1 CFD数值模拟模型 2.1.1 湍流模型
标准的k-epsilon模型自从被Spalding和Launder提出后已成为了工程流场计算中广泛使用的湍流模型.标准的k-epsilon模型是基于实验数据的半经验模型,具有适用范围广、经济、精度合理等特点.标准的k-epsilon可以较好的模拟一般的各向同性湍流,但模拟低雷诺数流动、射流、混合流、边界层流动以及带有分离的流动中精度较低.改进型的Realizable k-epsilon模型则可较好地适用这些流动的模拟,具有一定的优势.因此本研究中选择Realizable k-epsilon模型作为水气混合物的湍流模型.其主要控制方程如式(1)和式(2)所示. 1)湍流动能(k)方程: (1)
式中,Gb:由于浮力引起的湍动能k的产生项;C1ε，C3ε:经验常数;αk:与湍动能k对应的Prandtl数;Sε:用户定义的源项;ui:湍动粘度. 2)湍流动能耗散率(ε)方程: (2)
式中,Gk:由于平均速度梯度引起的湍动能产生项;Gb:由于浮力引起的湍动能k的产生项. 2.1.2 PBM模型
通过求颗粒数密度(number density function)的方式可以得到气泡的尺寸演变规律,具有很高的精度,因此PBM已广泛运用到两相流的模拟中. PBM模型主要计算控制方程如式(3)所示:
气液两相流噪声数值模拟
