[论文解读] 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 18

一句话总结

本研究展示了光滑粒子流体动力学（SPH）在模拟管道中间歇性两相流的应用，采用定制化的进出口边界条件的多相SPH格式。成功再现了Taitel-Duckler流型，通过Kelvin-Helmholtz不稳定性捕捉到段塞形成过程，并对高密度比和高粘度比流动（最高达~427）进行了建模，证实了SPH在工业段塞流预测中的潜力。

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.

研究动机与目标

• 评估光滑粒子流体动力学（SPH）在模拟管道中常见于海上油气管道的间歇性两相流（尤其是段塞流）方面的能力。
• 在二维管道几何结构中实现并验证多相SPH的入口和出口边界条件。
• 重现Taitel-Duckler流型图预测的流型，并分析流型之间的过渡过程。
• 评估SPH在典型工业条件下高密度比和高粘度比场景下的表现。
• 展示SPH作为无网格替代方法在工业两相流复杂界面动力学建模中的可行性。

提出的方法

• 采用先前文献中的多相SPH格式，包括通过连续表面力模型实现的表面张力建模。
• 为多相流实现定制化的入口和出口边界条件，确保边界处质量与动量守恒。
• 采用弱可压缩SPH方法，结合立方样条核函数与人工粘性以提高稳定性。
• 模拟水平和倾斜管道几何结构，以捕捉水力驱动和地形诱导的段塞形成机制。
• 对出口相体积分数时间序列进行傅里叶分析，以提取段塞频率并评估周期性。
• 将结果与Taitel-Duckler流型图预测结果进行对比，并分析不同流型之间的过渡动力学。

实验结果

研究问题

• RQ1 SPH能否在二维管道设置中准确再现Taitel-Duckler流型图预测的四种主要流型（雾状、分散、间歇、分层）？
• RQ2 在SPH模拟中，不同流型（如分层流向间歇流）在不同工况下如何相互转变？
• RQ3 SPH在处理典型油气系统中高密度比和高粘度比（最高约~427和~32）方面的能力达到何种程度？
• RQ4 SPH能否通过Kelvin-Helmholtz不稳定性机制，在水力段塞流情景中捕捉到段塞形成的过程？
• RQ5 基于出口相体积分数时间序列分析，升管类几何结构中段塞传输的主导频率是多少？

主要发现

• SPH在二维管道模拟中成功再现了Taitel-Duckler流型图预测的所有四种流型（雾状、分散、间歇、分层）。
• 段塞形成始于t = 0.026 s，当波峰到达管道顶部时触发，由Kelvin-Helmholtz不稳定性引发。
• 在地形段塞流情况下，出口处气相体积分数出现强烈振荡，主导频率约为226 Hz。
• 出口气相体积分数的傅里叶变换证实了周期性段塞行为，支持稳定段塞传播的存在。
• SPH模拟捕捉到了段塞的动态演化过程，包括长度缩短和高度增加，最终占据整个管道高度。
• 该方法在处理高密度比（最高约~427）和高粘度比（最高约~32）方面表现出鲁棒性，表明其适用于真实工业条件。