类型a
研究作者与机构及发表信息
该研究的主要作者为邢雷（Lei Xing）、周晓庆（Xiaoqing Zhou）、蒋明虎（Minghu Jiang）、蔡萌（Meng Cai）、赵立新（Lixin Zhao）和綦航（Hang Qi）。他们分别来自东北石油大学机械科学与工程学院、黑龙江省石油石化多相处理与污染防控重点实验室、大庆油田博士后科研工作站以及大庆油田生产技术研究院。该研究于2024年11月14日发表在《Physics of Fluids》期刊上，题为“The Effect of Variable-Diameter Ratio on the Deformation Characteristics of Discrete Oil Droplet in the Sudden Contraction and Expansion Round Pipe”。
学术背景
该研究属于流体力学领域，特别是两相流体动力学的研究范畴。随着全球能源需求的增长，输油管道作为能源运输的重要组成部分，在实现高效原油输送方面变得越来越重要。目前，注水法被广泛用于提高采油率，导致输油管道中主要承载油-水两相流。然而，变径管道（如突然收缩和扩张的管道）对离散相油滴的流动特性、变形行为及其破碎机制的影响尚未得到充分研究。这限制了油-水两相流在管道中的高效运输。因此，本研究旨在通过数值模拟和实验相结合的方法，探讨变径比（variable-diameter ratio, e）对离散相油滴在突然收缩和扩张管道中运动、变形及破碎行为的影响，从而为优化管道设计提供理论指导。
研究流程
该研究包括以下几个主要步骤：
1. 研究对象的选择与建模
研究对象是离散相油滴在连续水相中通过突然收缩和扩张圆管的运动行为。圆管的几何结构参考了广泛应用的圆形微孔过滤器，其变径比（e=d1/d2）分别为2.0、2.5和3.0，细管段长度为30mm，粗管段长度为70mm。实验中，水相以一定的入口流量注入管道，而油滴则通过三通装置由微量注射泵注入。油水两相在三通管中充分混合后流入突然收缩和扩张的圆管。
数值模拟方法
数值模拟基于体积分数法（Volume of Fluid, VOF）和离散相模型（Discrete Phase Model, DPM）。VOF方法用于追踪油水界面的变化，而DPM方法则用于模拟油滴的运动轨迹及其破碎过程。控制方程包括连续性方程、动量方程、能量方程和湍动能方程。网格划分采用六面体结构化网格，并在入口和出口处进行局部加密。通过网格独立性测试确定最佳网格数量为约160,000个单元。计算使用ANSYS Fluent软件完成，采用瞬态模型和雷诺应力模型（Reynolds Stress Model, RSM）。边界条件设置为无滑移壁面条件，压力出口为自由流出。时间步长设为0.0001秒，收敛残差设为10^-6。
实验验证
实验部分通过高速摄像系统记录油滴在管道中的变形行为。实验装置包括3D打印的突然收缩和扩张圆管、储液罐、微量泵、流量计、高速摄像机等。实验材料选用蒸馏水作为连续相，重载齿轮油（GL-5 85W-90）作为离散相。实验过程中，通过调节微量泵和微量注射泵控制入口流量和油滴直径。每个实验条件重复三次以减少误差。
主要结果
1. 变径比对流场特性的影响
在相同入口流量条件下，变径比越大，突然扩张区域的压力损失越高，而湍动能（turbulent kinetic energy, TKE）逐渐减小。此外，突然扩张区域的肩部涡流增强，主流动能更多地分散到涡流中，导致能量损失增加。
变径比对油滴变形的影响
油滴的最大变形发生在细管段，且随着变径比的增加，最大变形值逐渐增大。当变径比为4.0时，油滴在细管段的最大变形值达到dmax=0.99；而当变径比为2.0时，dmax仅为0.75。
入口流量对油滴变形的影响
入口流量越大，细管段内的流速越高，油滴表面的剪切力也越大，导致油滴轴向长度增加。在最大入口流量下，油滴的最大变形值随变径比的增加而显著增大。
油滴直径对湍动能分布的影响
油滴直径不影响管道内湍动能的大小和分布，但较大直径的油滴在细管段内的轴向长度更长。此外，油滴的临界破碎直径随入口流量的增加而减小，表明高流速下油滴更容易破碎。
结论与意义
该研究表明，变径比对突然收缩和扩张管道内的流场特性、油滴变形及破碎行为具有显著影响。研究结果揭示了变径比越大，流场中的压力损失和能量消耗越高，同时油滴的变形程度和破碎倾向也更大。这些发现为优化油-水两相流在管道中的运输提供了重要的理论依据，有助于提高输油管道的设计效率和运行稳定性。
研究亮点
1. 首次系统分析了变径比对突然收缩和扩张管道内油滴变形行为的影响。
2. 结合数值模拟和实验验证，确保了研究结果的准确性和可靠性。
3. 提出了油滴临界破碎直径的概念，为预测油滴破碎行为提供了新的思路。
4. 开发了一套基于VOF-DPM耦合模型的数值模拟方法，可用于类似复杂流场的研究。
其他有价值内容
研究还探讨了电场耦合和壁面润湿性对流场特性的影响，为未来相关研究提供了方向。此外，作者感谢国家自然科学基金等多个项目的支持，体现了该研究的重要性和实际应用价值。