[論文レビュー] Simulations of intermittent two-phase flows in pipes using smoothed particle hydrodynamics

Thomas Douillet-Grellier, Florian De Vuyst+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 18, 2018

Fluid Dynamics Simulations and Interactions参考文献 74被引用数 18

ひとこと要約

本研究では、滑らかな粒子流体力学（SPH）を用いて、パイプ内における間欠的二相流をシミュレートする応用を示した。多相SPH定式化に、カスタマイズされた流入・流出境界条件を適用した。Taitel-Ducklerの流れの状態図の予測を成功裏に再現し、ケルビン＝ヘルムホルツ不安定性によってスラグの形成を捉え、密度比・粘度比が最大約427に達する高密度・高粘度比の流れをモデル化した。これにより、SPHが産業的スラグ流れ予測に有効である可能性が裏付けられた。

ABSTRACT

Slug flows are a typical intermittent two-phase flow pattern that can occur in submarine pipelines connecting the wells to the production facility and that is known to cause undesired consequences. In this context, computational fluid dynamics appears to be the tool of choice to understand their formation. However, few direct numerical simulations of slug flows are available in the literature, especially using meshless methods which are known to be capable of handling complex problems involving interfaces. In this work, a 2D study of the instability processes leading to the formation of intermittent flows in pipes is conducted using an existing multiphase smoothed particle hydrodynamics formulation associated with inlet and outlet boundary conditions. This paper aims to demonstrate the applicability of smoothed particle hydrodynamics to a given set of close-to-industry cases. First, we check the ability of our implementation to reproduce flow regimes predicted by Taitel and Duckler's flow map. Then, we focus on the transition processes from one flow pattern to the other. Finally, we present the results obtained for more realistic cases with high density and viscosity ratios.

研究の動機と目的

• 滑らかな粒子流体力学（SPH）が、オフショアの石油・ガスパイプラインで一般的なスラグ流れを含む、パイプ内における間欠的二相流をシミュレートする能力を評価すること。
• 2次元パイプ幾何形状における多相SPHに適した流入・流出境界条件を実装し、検証すること。
• Taitel-Ducklerの流れ状態図で予測される流れの状態図を再現し、流れのパターン間の遷移を分析すること。
• 実際の産業的条件下を代表する高密度および高粘度比のシナリオにおけるSPHの性能を評価すること。
• SPHが産業的二相流れにおける複雑な界面動態をモデル化するメッシュレス代替手法として実現可能であることを示すこと。

提案手法

• 先行研究から得た多相SPH定式化を採用し、連続表面力モデルによる界面張力のモデル化を含んだ。
• 質量保存および運動量保存を確保するように、多相流れに特化した流入・流出境界条件を実装した。
• 安定性を確保するため、弱圧縮性SPHアプローチに、立方スプラインカーネルおよび人工粘性を用いた。
• 水平および傾斜パイプ幾何形状をシミュレートすることで、流体力学的および地形誘発スラグのメカニズムを捉えた。
• スラグ周期性の評価のため、出口での体積分率時間系列にフーリエ解析を適用した。
• Taitel-Ducklerの流れ状態図の予測と比較し、流れの状態間の遷移ダイナミクスを分析することで、結果を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2次元パイプ設定において、SPHはTaitel-Ducklerの流れ状態図が予測する4つの主要な流れ状態（ミスト、散乱、間欠的、層流）を正確に再現できるか？
• RQ2 SPHシミュレーションにおいて、流動条件を変化させた場合、各流れ状態（例：層流から間欠的）の間で流れのパターンがどのように遷移するか？
• RQ3 SPHは、オイル・ガス系に一般的な高密度比（最大約427）および高粘度比（最大約32）をどの程度まで処理できるか？
• RQ4 流体力学的スラグのシナリオにおいて、SPHはケルビン＝ヘルムホルツ不安定性によってスラグ形成の発生と進化を捉えることができるか？
• RQ5 出口体積分率の時間系列解析から、リザーバーに類似した幾何形状におけるスラグ通過の主周波数は何か？

主な発見

• SPHは、2次元パイプシミュレーションにおいて、Taitel-Ducklerの流れ状態図が予測する4つの流れ状態（ミスト、散乱、間欠的、層流）をすべて成功裏に再現した。
• スラグの形成は、t = 0.026 s に波の山がパイプ上部に達した際に、ケルビン＝ヘルムホルツ不安定性によって誘発され、その時点で開始された。
• 地形スラグのケースでは、出口における気相反応体積分率に強い振動が観察され、主周波数は約226 Hzであった。
• 出口気相反応体積分率のフーリエ変換により、周期的なスラグ行動が確認され、安定したスラグ伝播の存在が裏付けられた。
• SPHシミュレーションは、スラグの長さの短縮と高さの増加といった動的進化を捉えた。最終的には、スラグはパイプ断面の全高を占領した。
• SPHは、高密度比（最大約427）および高粘度比（最大約32）の処理においても安定性を示し、実際の産業的条件下への適用可能性が示された。