航空航天丨海洋船舶丨核电能源
石油天然气
化工过程工艺
水利环境
-多相的世界-
石油天然气领域中，管内气液两相的流量、物性，以及管道的尺寸、布置方式等不同，使得气液两相流中存在着不同的流型。环状流较容易出现在高气相流量、低液相流量的条件下。
环状流主要特征是气体在管道中心部分流动，而液膜顺着管壁流动，形成较为连续的环状薄膜。与此同时，有相当一部分液膜被气流的剪切作用带入气芯，以液滴的形式随管中间的气芯运动。在整个流动过程中，液滴不断地飞溅沉积到液膜上，同时液膜上的液体又不断地被卷吸到气芯中。液相逐渐覆盖管道内壁形成液体薄膜，气相在管道中间高速流动，并可能夹带部分液滴[1]。无论管道是水平、垂直或倾斜，管内都有可能形成环状流，且由于受到重力的作用，管道底部的液膜往往比顶部的液膜更厚[2]。因此，环状流液膜结构的变化以及其动态特性往往更加随机、更加快速、更加复杂，液膜厚度沿壁周向的分布也并非对称，这些因素使得环状流研究较为困难。
图1垂直管道中气体流态随气体速度的变化（Prasser等，）
垂直管中常见的两相流流型为泡状流、段塞流、搅拌流、环状流。但不同于水平管道，在垂直管道内管的受力方向是90°，所以垂直管内最主要出现的流型是段塞流和环状流，基本不出现分层流。
往期文章曾介绍过采用TransAT软件模拟垂直管中的段塞流，本期主要分享采用TransAT软件大涡界面模拟（LEIS）方法模拟垂直管内的环状流。
计算域及流动条件：
管子尺寸：3cm（直径）*cm（长度）
VG=L/m，对应ReG＝8.55×
VL＝70L/m，对应ReL＝4.22×
初始膜为h/D=0.04
两相都是湍流状
采用TransAT软件特有的浸入界面IST网格技术，将管道CAD导入后生成网格，网格量为80万。采用LEIS方法进行计算模拟。大涡界面模拟（LEIS）
多相流中两种或更多种不混溶的流体被空间和时间上演化的尖锐界面隔开当界面一侧的流体是在界面上施加切应力（切向应力）的气体时，后者称为自由表面。ITM适用于求解此类问题。当这些流动问题是湍流时，所需的计算方法将变得极具挑战性。最好的方法是将ITM与尺度解析湍流仿真技术相结合，可以捕获主要的湍流和界面尺度。这些方法的组合称为大涡界面模拟。
在HPC计算机（核）上进行3D仿真，图2为不同时刻环状流的三维大涡界面模拟结果，其中高密度区为水，低密度区代表气相，白色箭头代表横向（径向）速度矢量。图2不同时刻环状流的三维大涡界面模拟结果水膜的相干波浪结构可以在水流方向和横截面方向上看到，特别是在第3幅图现象比较明显。少数几个地方可以观察到液膜上的液体被卷吸到气芯中。二次流运动也很明显。
图3显示了不同时刻液膜厚度，表现出液膜变形的特征，可以观察到分离的液滴被卷吸到气芯中。3D视图在视觉上造成液膜太厚的印象。
图3不同时刻液膜厚度（Top-View)
以上模拟是在粗网格下进行，对于小波纹波及大扰动波等精细界面结构，需要用更精细的网格进行计算。选取的计算域大小为：长度为0.2m，直径为0.m。使用由个单元组成的BFC网格，其横截面由个单元覆盖，如图4。
图4管道的BFC网格截面图，显示了网格的高分辨率
图5环形流动和二次流动结构以及液膜厚度的截面图图5展示了环形流的二次流动结构以及液膜厚度，可以看出对于环状流的小波纹波及大扰动波的模拟需要非常精细的网格。图中仅下部的4个截面实现了充分发展的湍流，并获取了相对较宽的界面结构，最大的结构尺度是直径的一半，然而很薄的液膜及很小的界面扰动并未被捕捉。
参考文献
[1]程立新.有液滴卷吸时的环状流换热系数的预测模型[J].工程热物理学报，，21(3):-.[2]孟赵一.油气润滑系统水平管内环状流形成机理研究[D].秦皇岛：燕山大学，：1-2TransAT作为多相流计算模拟软件，可应用于航空航天、海洋船舶、能源、石油天然气、化工过程工艺、水利环境工程、微流体等领域。
针对石油天然气领域出现的多组分流动（颗粒/天然气/水/石油），TransAT可以进行大尺度2D/3D瞬态仿真，也可以分析上游（勘探）及下游（运输和分离）工艺过程。另外，TransAT配置有水合物生成和溶解模型，可以进行水合物形成和运输相关的油气开发流动保障模拟。
????TransAT
基于欧拉三相模型的油/气/水分离仿真
????TransAT
海底石油泄漏及水合物堵塞模拟
????TransAT
海底水合物形成及堵塞的计算模拟
????TransAT
立管中段塞流模拟
????TransAT
石油天然气工业瞬态多相流动及流动保障
TransAT软件可广泛应用于化工及过程工艺计算仿真，尤其是涉及工艺设计的仿真分析，包括流化床、填充床、冷却塔、搅拌器、分离器、吹塑成型工艺、颗粒磨损，以及制浆、造纸工艺、医药制备工艺、食品加工等过程工艺仿真分析。
????TransAT
喷嘴雾化仿真分析
????TransAT
输气管道中密集颗粒输运模拟
????TransAT
管道中颗粒输运及床层形成模拟
????TransAT
射流反应器中湍流的LES预测验证
TransAT软件可广泛应用于水利工程仿真（洪水、泥石流、雪崩等自然灾害影响分析、水过滤和分离技术、蓄水、溢洪泄洪系统、海岸工程等），水处理计算模拟（包括传统的二次澄清、先进的活性粒子絮凝及臭氧化系统），以及风场模拟（高层及大型建筑，桥梁及隧道市*设施，工业气体排放造成的城市污染扩散等）。
????TransAT
大气污染物扩散数值模拟
????TransAT
央视大楼的风场数值模拟
????TransAT
大坝溃坝数值模拟
更多TransAT仿真案例，欢迎添加客服咨询（