·130 工程科学学报，第43卷，第1期 on gathering and transportation-riser pipeline systems is increased,making it a great engineering significance to study the flow-induced force in a variety of pipeline-riser systems.The empirical and theoretical models are gradually established.The ability of CFD software to simulate flow field and excitation force offers numerous advantages.Therefore,research on the accuracy of CFD software calculation results and the comparison and optimization of effective CFD calculation simulation methods will have important scientific research value for development in the future.This article comprehensively summarized the current research status of gas-liquid two-phase internal flow excitation,which can provide guidance for further related research. KEY WORDS flow-induced force;gas-liquid flow;momentum flux;experimental study;model;computational fluid dynamics 管道内气液两相流在核工业、化工业以及石 频谱图中主频率值是一致的，由此证明流体轴向 油运输等多个领域中广泛存在，与单相流相比，其 动量通量的变化使管道弯管部分产生了脉动力 密度、压力、动量通量在流动中变化较大-习，当流 Cargnelutti等2I进一步指出，单相流中弯头部位作 经阀门、弯头、三通等部件时，极易引起脉动力， 用力的产生是由于流体流动方向和压力的改变， 即“流激力”6“流激力”会引起管道振动，当振 而气液两相流中，这两者的变化由于密度、气液界 动频率与管道固有频率相接近时，会产生“共振” 面的急剧变化而大大增加；在直管中，管道作用力 现象-0，使管道振动幅度进一步增大，引起管系 的产生机理是液塞经过引起的湍流噪声和压力波 的疲劳破坏-)据英国安全与健康执行局(HSE) 动，而在弯头部位，则是由于动量通量在短时间的 的研究显示，英国2010年海洋工程行业在北海 剧烈改变所造成 21%的管道损坏是由管道振动引起的疲劳失效引 Giraudeau等在实验中直接对截面含气率信 起因此研究“流激力”对管道的安全设计和运 号和U型管弯管部位受力同时进行测量，通过对 行具有重要意义 比两者的频谱图发现，同一组实验下两者的主频 在过去几十年内，管道外流对管道的影响受 率值基本相同.Lu等阿指出，基于均匀混合流假 到了广泛关注5-20，但随着研究的深入，学者们发 设，气液两相流动量通量可以通过持液率进行 现管道内流流激力的产生机理与管道外流有本质 计算： 的区别四.本文首先对管道内气液两相流流激力 M=A子[Pg哈)+p(1-a哈oj (1) 的产生机理方面的研究进展进行了综述，然后总 结了流激力的影响因素，最后对其计算模型进行 其中，M为动量通量，N;a)为截面平均含气率； 了阐述，旨在全面展示气液两相内流流激力的研 j为气液混合流速，单位ms;A为管道截面积， 究现状，为进一步开展相关研究给出指导 m;Pg和pr分别为气体和液体的密度，kgm3基 于此，Giraudeau等p认为其实验证明了弯头处的 气液两相流流激力发生机理 动量通量变化在管道弯头部位激励产生了作用 1968年，学者Yih和Griffith2首次进行了三 力，并提出在段塞流流型下液塞的频率与弯头受 通结构内气液两相流流激力的实验研究，研究发 力信号的主频率值近似相等.然而，Lu等2阿通过 现：气液两相流流动伴随着强烈的压力、持液率和 实验获得了弯头受力值信号，并通过式(1)计算不 动量通量波动，正是由于这些不稳定因素导致了 同工况下的动量通量值，将两者的均方根(RMS) 管道系统的受力和移动.作者认为动量通量更能 进行比较发现具有一定的差距，并非严格相等 从本质上揭示流动的变化规律，因此将动量通量 (图1)，这表明弯头受力并非完全由动量通量的变 变化看作“源”，三通结构的移动看作“响应”，但 化引起.Liu等阿以90°弯头为控制体积进行动量 限于实验条件不足，实验并未直接测量流体动量 分析，得到一阶偏微分动量方程，通过理论推导和 通量的变化，而是使用过滤器将管道移动信号转 傅里叶转换等手段，最终发现，低频段（小于1Hz) 换为动量通量信号.Riverin和Pettigrew使用光 的流激力波动主要由管道内压力波动引起；高频 学探针测量了U型管弯管处的气泡大小和频率以 段（大于1Hz)的波动主要由动量通量波动引起 及该处管道的受力值，作者认为，不同气泡的经过 但由于当地速度、截面含气率突然变化带来了局 导致动量通量的不断变化，经过的气泡越大，带来 部冲击作用，在此局部冲击作用的影响下，两者的 的动量变化越大；通过实验数据做出气泡尺寸-频 主频率之间存在一定的差距.Liu等对段塞流 率图线，发现最大气泡对应的频率值与受力信号 流型下的这一局部冲击作用进行了进一步研究分on gathering and transportation-riser pipeline systems is increased, making it a great engineering significance to study the flow-induced force in a variety of pipeline-riser systems. The empirical and theoretical models are gradually established. The ability of CFD software to simulate flow field and excitation force offers numerous advantages. Therefore, research on the accuracy of CFD software calculation results  and  the  comparison  and  optimization  of  effective  CFD  calculation  simulation  methods  will  have  important  scientific  research value for development in the future. This article comprehensively summarized the current research status of gas-liquid two-phase internal flow excitation, which can provide guidance for further related research. KEY WORDS    flow-induced force；gas-liquid flow；momentum flux；experimental study；model；computational fluid dynamics 管道内气液两相流在核工业、化工业以及石 油运输等多个领域中广泛存在，与单相流相比，其 密度、压力、动量通量在流动中变化较大[1−3] ，当流 经阀门、弯头、三通等部件时，极易引起脉动力， 即“流激力” [4−6] . “流激力”会引起管道振动，当振 动频率与管道固有频率相接近时，会产生“共振” 现象[7−10] ，使管道振动幅度进一步增大，引起管系 的疲劳破坏[11−13] . 据英国安全与健康执行局（HSE） 的研究显示，英国 2010 年海洋工程行业在北海 21% 的管道损坏是由管道振动引起的疲劳失效引 起[14] . 因此研究“流激力”对管道的安全设计和运 行具有重要意义. 在过去几十年内，管道外流对管道的影响受 到了广泛关注[15−20] ，但随着研究的深入，学者们发 现管道内流流激力的产生机理与管道外流有本质 的区别[21] . 本文首先对管道内气液两相流流激力 的产生机理方面的研究进展进行了综述，然后总 结了流激力的影响因素，最后对其计算模型进行 了阐述，旨在全面展示气液两相内流流激力的研 究现状，为进一步开展相关研究给出指导. 1    气液两相流流激力发生机理 1968 年，学者 Yih 和 Griffith[22] 首次进行了三 通结构内气液两相流流激力的实验研究，研究发 现：气液两相流流动伴随着强烈的压力、持液率和 动量通量波动，正是由于这些不稳定因素导致了 管道系统的受力和移动. 作者认为动量通量更能 从本质上揭示流动的变化规律，因此将动量通量 变化看作“源”，三通结构的移动看作“响应”，但 限于实验条件不足，实验并未直接测量流体动量 通量的变化，而是使用过滤器将管道移动信号转 换为动量通量信号. Riverin 和 Pettigrew[6] 使用光 学探针测量了 U 型管弯管处的气泡大小和频率以 及该处管道的受力值，作者认为，不同气泡的经过 导致动量通量的不断变化，经过的气泡越大，带来 的动量变化越大；通过实验数据做出气泡尺寸–频 率图线，发现最大气泡对应的频率值与受力信号 频谱图中主频率值是一致的，由此证明流体轴向 动量通量的变化使管道弯管部分产生了脉动力. Cargnelutti 等[23] 进一步指出，单相流中弯头部位作 用力的产生是由于流体流动方向和压力的改变， 而气液两相流中，这两者的变化由于密度、气液界 面的急剧变化而大大增加；在直管中，管道作用力 的产生机理是液塞经过引起的湍流噪声和压力波 动，而在弯头部位，则是由于动量通量在短时间的 剧烈改变所造成. Giraudeau 等[24] 在实验中直接对截面含气率信 号和 U 型管弯管部位受力同时进行测量，通过对 比两者的频谱图发现，同一组实验下两者的主频 率值基本相同. Liu 等[25] 指出，基于均匀混合流假 设，气液两相流动量通量可以通过持液率进行 计算： M = A j2 [ ρgα A g (t)+ρf ( 1−α A g (t) )] （1） 其中，M 为动量通量，N；αg A (t) 为截面平均含气率； j 为气液混合流速，单位 m·s−1 ；A 为管道截面积， m 2 ；ρg 和 ρf 分别为气体和液体的密度，kg·m−3 . 基 于此，Giraudeau 等[24] 认为其实验证明了弯头处的 动量通量变化在管道弯头部位激励产生了作用 力，并提出在段塞流流型下液塞的频率与弯头受 力信号的主频率值近似相等. 然而，Liu 等[25] 通过 实验获得了弯头受力值信号，并通过式（1）计算不 同工况下的动量通量值，将两者的均方根（RMS） 进行比较发现具有一定的差距，并非严格相等 （图 1），这表明弯头受力并非完全由动量通量的变 化引起. Liu 等[25] 以 90°弯头为控制体积进行动量 分析，得到一阶偏微分动量方程，通过理论推导和 傅里叶转换等手段，最终发现，低频段（小于 1 Hz） 的流激力波动主要由管道内压力波动引起；高频 段（大于 1 Hz）的波动主要由动量通量波动引起， 但由于当地速度、截面含气率突然变化带来了局 部冲击作用，在此局部冲击作用的影响下，两者的 主频率之间存在一定的差距. Liu 等[26] 对段塞流 流型下的这一局部冲击作用进行了进一步研究分 · 130 · 工程科学学报，第 43 卷，第 1 期