水平油气两相流流型转变及相界面不稳定性研究进展.docx
《水平油气两相流流型转变及相界面不稳定性研究进展.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《水平油气两相流流型转变及相界面不稳定性研究进展.docx（10页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
水平油气两相流流型转变及相界面不稳定性研究进展
水平油气两相流流型转变及相界面不稳定性研究进展
1，研究背景
气液两相流动是一种十分复杂的流动现象，系统内最重要的特征是两相结构及分布上的不均匀性与状态的不稳定性和多值性，且各相间存在可变形相界面。
相界面及其所引发的特征与各相的物性、流量、流动参数、管道几何形状及几何位置等诸多因素密切相关，给系统的深入研究带来了很多困难。
早期的大多数研究者只关心能否得到计算压力降或推算热流密度的实用关联式，而不考虑管内流体的流动形态。
近二十年的研究工作表明，考虑不同的流型分布，理论预测和计算能更准确地反映两相流的流动本质，从而获得更精确的结果。
相分布（即流型）是多相流流动特性以及传热特性研究的基础，不同的流型具有其独特的流动以及传热特性。
管道中流型的变化往往引发流阻的改变、流动的稳定性、传热以及压降等特性的变化。
工程上的油气混输系统，由于受流量、介质物性、管道形式以及倾斜角度等因素影响，管道截面含气率发生变化，导致管内出现各种流型。
工程上对许多多相流系统事故进行分析时，常常发现是由于流型的不明确造成误算或误操作。
因此，对流型特性，尤其是段塞流特性，进行准确分析以及流型识别至关重要，这对选用流阻计算公式、稳定性判据、传热以及压降计算公式都具有极为重要的实用意义。
2，油气两相流流型及流型图研究
气液两相流在各种流量组合下表现出不同的流型。
每一种流型有其特定的两相分布和界面形状。
当一种流型向另一种流型转化时，气液界面形状发生了变化。
由于两相流动的复杂性，两相流动的机理至今没有为人们所完全认识，因此流型的区分，流动状态的描述以及流型的识别一直是两相流研究的主题。
上个世纪末，Levy（1999）的著作对各种管道倾角下的流型进行了总结，并且对现今两相流研究的复杂性、其中存在的问题和各种研究学派的异同作了总结。
对于水平气液两相流，根据Mandhaneetal.（1974）；Taitel和Dukler（1976）；Barnea1987）；Petalas&Aziz（1998））的实验观察，典型的流型包括（图1）：
（1）分散泡状流（Dispersed-Bubbleflow）
当液相流量较高，在一个很宽的流量范围内，细小的气泡分布于连续的液相中。
由于浮力作用这些气泡基本上集中在管道的上半部分。
（2）延长泡状流（ElongatedBubbleFlow）
在分散泡状流的基础上，随着气相表观速度的增大，在气液界面会掀起扰动的波浪，管道上部的小气泡在界面波的作用下合并，并逐渐增大延长，发展成更大的气泡，且在大气泡尾部仍有许多小气泡跟随，这种流型为延长泡状流。
（3）分层流（Stratifiedflow）
当气液两相流量都较低时，重力作用引起气液两相分隔流动，即液相位于管道的下半部分，而气相沿管道上半部分流动。
气液两相界面是光滑的。
如果气速上升，界面剪切应力增加，气液界面变得如鹅卵石路面般的凹凸不平，进而出现波状界面。
（4）段塞流（Slugflow）
当气相和液相的流量进一步增加，液层进一步升高。
气液界面波逐渐密集，直至最终管道被液相堵塞。
堵塞管道的液相部分称为液塞，液塞被流速较快的气流加速，冲击管壁并且沿着流动方向从流速较慢的液层铲起一部分液体。
段塞体单元包括液塞体和其末端的延长气泡和气泡下部的液层。
这样延长气泡和液塞交替出现沿着管线向下游游动。
（5）环状流（Annularflow）
液相呈环膜状沿管壁向前流动，高速气流中心夹带细小液滴。
由于重力作用，液膜沿管壁周向分布不均匀，管道的下半部分的液膜要厚于上半部分。
文献中还报道了其他不同的流型。
增加新的流型定义是对流型的进一步细化并且能更加深入地反映流型的特征。
例如，图1所示的波状分层流（stratified-wavyflow）和波形环状流（annular-wavyflow）体现了两种基本流型气液界面上存在的波动。
类似地，塞状流（plugflow）和半环状流（semi-annularflow）就是用于描述流型转换（泡状流和段塞流的转换、塞状流和环状流的转换）时的中间流型。
这些流型可以视为特定流型的子流型。
本文油气两相流实验观察到四种主要流型，即泡状流（分散、延长），段塞流，分层流（光滑、波状）和环状流。
图1 水平气液两相流流型
各国学者还致力于对两相流型分布和流型图的研究。
Kosterin（1949）给出了第一个流型判别图。
Baker（1954）给出了一幅用于各种介质的水平管流型分布图2，该图曾在一段时间内获得广泛应用。
图2 Baker（1954）的水平气液两相流流型图
其中，气相质量通量GG=mG/Akg/（m2·s），液相质量通量GL=mL/Akg/（m2·s）。
（1）
（2）
水和空气的物性常数为：
σwater=0.072N/m，μwater=0.001Pa·s，ρwater=1000kg/m3，ρair=1.23kg/m3。
Mandhane（1974）总结了管径范围为12.7~165.1mm、实验介质为油或水和空气的水平管内两相流流动实验结果，对管道内流型以及流型转换特征及其影响因素进行了研究。
他发现在水平管道中，尽管管径、介质物性存在较大差异，但仍具有相似的流型分布。
Mandhane的流型图得到了广泛应用（图3）。
图3 Mandhane（1974）的水平气液两相流流型图
Taitel和Dukler（1976）在Mandhane流型图的基础上，进行理论分析，建立了流型转换的关联式，并用新的坐标系统描述了流型间的转换特征，得到了水平管内两相流流型分布的Taitel和Dukler流型图（图4）。
图4 Taitel和Dukler（1976）的水平气液两相流流型图
其中，
（3）
纵坐标为：
（4）
横坐标为Martinelli数
：
（5）
Weisman（1979）利用实验研究了流体物性参数，液相粘度、表面张力以及气相密度对流型分布特征的影响，并对内径分别为25mm和50mm的流型分布特性进行了研究，指出由于管径不同，使得流型生成和发展所要求的气、液两相表观速度存在较大差别（图5）。
图5 Weisman（1979）的水平气液两相流流型图
Spedding和Nguyen1980）对水平气液两相流型进行了更细致的划分，并将各种流型的特征反映在流型图上，他们以气液两相体积流量比和Froude数作为流型图的坐标（图6）。
Mukherjee和Brill（1985）对内径为38.1mm的水平、垂直以及倾斜管道内油气两相流流型进行了分类，将流型划分成泡状流、弹状流、层状流以及环状流，研究了流型和流型转换，建立了流型转换的关联式，得到了各种工况下的流型图。
Stanislav和Kokal等人（1986）特别对内径为25.8mm，倾角为0°（水平）、1°、5°和9°的倾斜管道内油气两相流间歇流的流型特征进行了研究，发现不同倾角的流型图是相似的，只是转换的边界出现偏移。
Wood（1989）对内径为50mm的倾斜管道内气水两相流流型及其转换进行了研究，发现倾角对管内流型转变有着显著的影响，并主要表现在层状流向间歇流的转变上，而其它流型的转换边界则受倾角影响较小。
Oddie和Shi等人（2003）对内径为150mm的水平、倾斜以及垂直管道内空气水两相流以及油气水三相流流型及流型转换进行了观察，发现水平管和倾斜管内流动具有不同的流型分布。
图6 Spedding和Nguyen（1980）的水平气液两相流流型图
国内学者在水平油气两相流型特征方面也做了有意义的工作。
胡志华和周芳德等（2001）对内径为30mm的水平管内空气-轻质油两相流的流型及其转换进行了研究，绘制了流型转换的边界，采用量纲分析的方法建立了流型转换关联式。
研究认为环状流可以分别从层状流和间歇流转变而来，但是转换机理不同。
王经（1994）采用非线性理论和混沌分析方法研究了气液两相流流动动态特性。
王经教授（1993）采用空泡份额信号的时间序列Marple谱进行流型识别。
贾志海（2004）采用动态聚类算法对流型进行了辨识。
牛刚（2004）利用电容传感器对空泡份额检测及其两相流动特性进行了研究。
一些学者还对影响流型分布的因素进行了分析。
Lin和Hanratty（1987）比较研究了内径为25.4mm和95.3mm的水平管道内空气-水两相流的流型分布特征。
指出在较低表观气速时管径的改变对管内段塞流的生成影响很大，在高表观气速时段塞的形成则受管径变化影响很小。
此外，研究还认为管径变化对层状流向环状流转变以及段塞流向环状流转变也有较大的影响。
Weisman（1979）实验比较了管径为25.4mm和50.8mm的水平管道内流体介质的物性参数，液相粘度、表面张力以及气相密度等对流型的影响，认为液相粘度和气相密度对管内流型分布都有着很大的影响，而表面张力对流型特征的影响相对较小，并给出了流型转变的关联式。
Andritsos和Williams等人（1989）针对内径为25.2mm水平管道内甘油水溶液和空气两相流动，研究了粘性对分层流向段塞流的转变特性的影响，发现增加粘性使流型的结构发生明显改变，分层流向段塞流转换需要的液相速度明显增大，此外，由层状流向环状流以及段塞流向环状流转换的需要的气相表观速度也随之增加。
Nadler和Mewes等人（1995）对内径为59.0mm的水平管道内，液相粘度变化对白油-空气两相流流型影响进行了研究，并得到了和Andritsos和Williams等人[36]实验相似的结论。
Furukawa和Fukano（2001）则对内径为19.2mm的垂直管道内粘度对气液两相流的流型转变机理进行了研究，认为液相粘度对弹状流气泡周围的液膜以及环状流的液膜结构有明显的影响，液相粘度强烈的影响着管内的流型的分布结构，随着液相粘度的增加，由泡状流向弹状流转换需要的气相表观速度减小。
Andritsos和Hanratty利用甘油水溶液和空气作为介质，研究了粘性对层状流向段塞流转换的影响，认为随着液相粘度的增大，段塞流的稳定性增强。
表1油气两相流研究概况一览表
研究者
内径/mm
管道形式
实验介质
研究内容
液相
气相
Mandhane（1974）
12.7~165.1
水平管
油、水
空气
分析了不同内径流道以及多种液体对气液两相流流型及流型转变实验结果，得到了应用范围广的Mandhane流型图。
Taitel、Dukler（1976）
12.7~165.1
水平管
油、水
空气
在Mandhane流型图基础上，研究了气液两相流流型及流型转变特征，得到了Taitel流型图
胡志华、周芳德（2001）
30
水平管
轻油
空气
对影响管内油气两相流流型转变的各种因素进行了分析，利用量纲分析法得到了流型转换的准则关系式
Mukherjee、Brill（1986）
38.1
水平、倾斜、垂直管
煤油、润滑油
空气
将流型划分为层状流、泡状流、弹状流及环状流，对流型间的转变进行了研究，给出了转换的关联式
Stanislav、Kokal等（1986）
25.8
水平管、倾斜管
轻精炼油
空气
研究了倾斜管道内的间歇流流动特性
Oddie、Shi、（2003）
150
水平、倾斜、垂直管
油、水
空气
研究了水平、倾斜、垂直上升管和下降管内流型以及流型转变的特征
Weisman、Duncan（1979）
25，50
水平管
油、水
空气、蒸汽
分析了流体参数和内径对流型转变的影响
Andristos、Wiliams、Hanratty（1989）
25.2
水平管
甘油水溶液
空气
研究了液相粘度对层状流到弹状流的转变特性
Nadler、Mewes（1995）
59
水平管
透明矿物、白油
空气
研究了水平管内液相粘度对气液弹状流相分布特性
Furukawa,Fukano（2001）
19.2
垂直管
甘油水溶液
空气
研究了液相粘性对油气两相流流型转变的影响
由此可见，受管径、倾角以及流体物性参数等多种因素影响，管道内流型及其转换特征是极其复杂的。
表1给出了国内外油气两相流流型研究的概况。
继续阅读
升级会员 