（动力工程及工程热物理专业论文）气液两相流管道振动检测研究.pdf

p i p e l i n ec o n v e y i n g g a s - l i q u i dt w o - - p h a s ef l o w at h e s i ss u b m i t t e df o rt h ed e g r e eo fm a s t e r c a n d i d a t e ：s o n gj u n ji a n s u p e r v i s o r ：d e p u t y p r o f h a od i a n c o l l e g eo fm e c h a n i c a l & e l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g c h i n au n i v e r s i t yo fp e t r o l e u m ( e a s tc h i n a ) 2 ， 明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中做出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：鍪经躯2 日期：力，年上月秒日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷版 和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和 复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他 复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名：垒经丝 指导教师签名： 日期：) 年j 月矽e 1 日期：2 口，年j ，月；口日 ， ， 摘要 本文首先详细阐述了气液两相流的基本理论，包括气液两相流的特点、特性参数、 流型的分类及其识别方法。从引起气液两相流管道的振动机理出发，对气液两相流管道 进行动力学分析，对不同流型下的气液两相流管道进行振动检测实验研究。 在气液两相流、管道振动机理等理论的基础上，运用大型有限元软件a n s y s 对气 液两相流水平直管、弯管进行动力学分析。首先计算出水平直管、弯管振型和固有频率， 接着对其进行谐响应分析，发现在周期性冲击载荷作用下，弯管的响应曲线较复杂，管 系的振动与管系约束、激励的形式及施加的位置都有关，而管道随机振动分析结果表明， 管道振动的剧烈程度与冲击力的大小及冲击力作用的频率高低密切相关。最后，以空气 和水为介质，进行了大量的气液两相流管道振动检测实验，对比分析管内为单相气和气 液两相流时振动数据的异同，发现气液两相流管道振动强度比单相气大，同气量不同液 量时，液量大的管道振动剧烈；对水平气液两相流管道，研究分层流、波浪流、段塞流、 环状流等流型、同流型不同气液量下的气液两相流管道的振动特性，及出现各种流型时 对应的频域等信号特征：研究了不同起伏角度的起伏管道的振动特点，上行管段跟下行 管段的振动频谱对比分析，以及起伏角度对流型的影响等。 关键词：气液两相流，管道，流型，振动检测 一 r e s e a r c ho fv i b r a t i o nd e t e c t i o no fp i p e l i n e c o n v e y i n gg a s l i q u i dt w o - - p h a s ef l o w s o n gj u n j i a n ( p o w e re n g i n e e r i n ga n de n g i n e e r i n gt h e r m o p h y s i c s ) d i r e c t e db yd e p u t yp r o f h a od i a n a b s t r a c t t h i sp a p e rd e s c r i b e dt h eb a s i ct h e o r yo fg a s - l i q u i dt w o - - p h a s ef l o wf i r s t l y , i n c l u d i n g g a s - l i q u i dt w o - p h a s ef l o wc h a r a c t e r i s t i c s ，p a r a m e t e r s ，f l o wp a t t e r na n dr e c o g n i t i o nm e t h o d d y n a m i ca n a l y s i so fg a s l i q u i dt w o - p h a s ef l o wp i p ea n dv i b r a t i o nt e s te x p e r i m e n t a ls t u d yo f g a s l i q u i dt w o - - p h a s ef l o wp i p ew e r ed o n eu n d e rd i f f e r e n tf l o wp a t t e r nw e r eb a s e do nt h e m e c h a n i s mo ft h ep i p e l i n ev i b r a t i o nc a u s e db yg a s - l i q u i dt w o p h a s ef l o w b a s e do nt h eb a s i ct h e o r yo fg a s l i q u i dt w o p h a s ef l o wa n dt h em e c h a n i s mo fp i p e v i b r a t i o n , d y n a m i ca n a l y s i so fg a s - l i q u i dt w o - p h a s ef l o wh o r i z o n t a ls t r a i g h tp i p e ，b e n d i n g p i p ew e r ed o n eb yf i n i t ee l e m e n ts o f t w a r ea n s y s v i b r a t i o nm o d es h a p e sa n dn a t u r a l f r e q u e n c yo f h o r i z o n t a ls t r a i g h tp i p e ，b e n d i n gp i p ew e r ec a l c u l a t e df i r s t l y , t h e nt h e i rh a r m o n i c a n a l y s i sa l ed o n e ，f o u n dr e s p o n s ec u r v e so ft h ep e r i o d i ci m p a c tl o a d so nb e n d i n gp i p ei sm o r e c o m p l e x ，t h ev i b r a t i o no fp i p e l i n es y s t e m 、) i ，i t l lt h ec o n s t r a i n t s ，i n c e n t i v e sf o r ma n dp o s i t i o n a r ei m p o s e d ，w h e r e a st h er a n d o mv i b r a t i o na n a l y s i sr e s u l t ss h o wt h a tt h ep i p e l i n ev i b r a t i o n i n t e n s i t yi sc l o s e l yr e l i e dt ot h es i z eo ft h ei m p a c tf o r c ea n d t h ef r e q u e n c yo fh i g ha n dl o wo f t h ei m p a c tf o r c e f i n a l l y , al a r g en u m b e ro fg a s - l i q u i dt w o - p h a s ef l o wp i p ev i b r a t i o nd e t e c t i o n e x p e r i m e n t sw e r ed o n e ，w h i c hu s e da i ra n dw a t e ra st h em e d i u m ，t h ev i b r a t i o np i p ed a t aw e r e c o m p a r a t i v ea n a l y z e dt h ed i f f e r e n c e sa n ds i m i l a r i t i e so fb e t w e e nt h es i n g l e - p h a s eg a sa n d g a s - l i q u i dt w o - p h a s e ，w h i c hf o u n dt h a tt w o - p h a s ef l o wp i p e v i b r a t i o ns t r e n g t ht h a nt h e s i n g l e p h a s eg a s ，v i b r a t i o ne n e r g yv a l u e so ft h el a r g e rl i q u i dv o l u m ep i p ei sb i g g e rw h e nt h e v o l u m eo fg a si ss a m e ；s t u d i e dt h es t r a t i f i e df l o w , w a v yf l o w , s l u gf l o w , a n n u l a rf l o wa n d o t h e rf l o wp a t t e r n so ft h eh o r i z o n t a lg a s l i q u i dt w o - p h a s ef l o wp i p e s ，a n dt h ev i b r a t i o n c h a r a c t e r i s t i c so ft h ep i p e l i n ea n dt h ee m e r g e n c eo fv a r i o u sf l o wp a t t e r n sc o r r e s p o n d i n gt ot h e f r e q u e n c yd o m a i ns i g n a lc h a r a c t e r i s t i c su n d e rt h es a m ef l o wp a t t e r no fd i f f e r e n tg a s - l i q u i d 一 t w o p h a s ef l o w ；r e s e a r c h e dt h ev i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fi n c l i n e dp i p e l i n e so fd i f f e r e n t a n g l e s ，c o m p a r a t i v ea n a l y z e dt h ev i b r a t i o ns p e c t r u mo fu p s t r e a mp i p ea n d t h ed o w n s t r e a m p i p ea n di m p a c to f t h ei n c l i n e dp i p e l i n e sa n g l eo nf l o wp a t t e r n k e yw o r d s ：g a s l i q u i dt w o - p h a s ef l o w , p i p e l i n e ，f l o wp a t t e r n ，v i b r a t i o nd e t e c t i o n l ， 目录 。 。第一章前言1 1 1 课题来源及研究意义l 1 1 1 课题来源1 1 1 2 课题研究意义1 1 2 气液两相流管道系统振动研究进展。2 1 2 1 输流管道系统振动研究进展2 _ 1 2 2 气液两相流管道振动国内外研究进展2 。1 3 本文研究的主要内容3 第二章气液两相流基本理论5 2 1 两相流概述5 2 1 1 两相流概念5 2 1 2 气液两相流动特点5 2 1 3 气液两相流特性参数6 2 2 流型8 2 2 1 流型概述8 2 2 2 垂直管两相流流型分类9 2 2 3 水平管两相流流型分类1 1 2 3 流型识别方法1 2 2 3 1 两相流流型直接测量方法。1 3 2 3 2 两相流流型间接测量方法1 4 2 3 本章小结1 6 - 第三章气液两相流管道振动机理17 3 1 输流管道振动机理1 7 3 1 。1 直管的耦合振动1 7 3 1 2 曲管的耦合振动1 9 3 2 气液两相流管道振动机理2 0 3 3 本章小结2 2 第四章气液两相流管道动力学分析2 3 4 1 气液两相流管道模态分析2 3 4 1 1 模态分析基本理论2 3 4 1 2 气液两相流管道模态分析2 4 4 2 气液两相流管道谐响应分析2 7 4 2 1 谐响应分析基本理论2 7 4 2 2 气液两相流管道谐响应分析2 8 4 3 气液两相流管道随机振动分析3 1 4 3 1 随机振动分析基本理论。3l 4 3 2 随机载荷功率谱密度的确定。3 3 4 3 3 气液两相流管道随机振动分析3 5 4 4 本章小结4 0 第五章水平气液两相流管道振动检测及分析4 1 5 1 实验装置及仪器4 1 5 2 实验方案及测点4 2 5 2 1 实验方案4 2 5 2 2 测点布置4 3 5 2 3 工况总结“ 5 3 数据分析准备4 5 5 - 3 1 管道系统设备参数4 6 5 3 2 支架振动分析4 6 5 4 数据分析4 8 5 4 1 单气分析4 8 5 4 2 分层流、波浪流数据分析5 0 5 4 3 段塞流、环状流数据分析5 2 5 5 本章小结5 5 第六章起伏气液两相流管道振动检测及分析5 6 6 1 实验方案及工况5 6 6 1 1 测点布置5 6 6 1 2 工况总结5 7 6 24 0 角管道数据分析5 7 6 2 1 上行管段分析5 7 6 2 2 下行管段分析5 9 6 36 0 角管道数据分析。6 1 6 3 1 同气量不同液量分析6 1 6 3 2 起伏管道对比分析6 2 6 3 3 三种角度管道对比分析6 4 6 4 本章小结6 7 结论。6 8 参考文献7 0 攻读硕士学位期间取得的学术成果7 3 致谢。7 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 1 课题来源及研究意义 第一章前言 1 1 1 课题来源 本课题来源于国家重大科技专项课题高含硫气田集输工艺与安全控制技术子课 题集输系统积液监测技术及规律研究。 国内排名第二的四川普光气田，探明储量为3 5 0 0 亿立方米，但是其天然气含有h 2 s ( 剧毒) ，一旦发生严重泄露，对人民的生命和财产的安全构成巨大威胁。天然气从各 个井口经计量后，经集输管线全部输送到气体处理站。在输送的过程中，由于管壁和周 围环境的换热作用，致使液相逐渐沉积，使管内流体呈现气液两相流动，这样会导致动 力消耗增加，管输效率降低，而且容易引起管道振动，对管道造成冲击。本课题旨在研 究复杂地表条件下形成气液两相流时管道的振动特性，同时探寻流型分布与振动检测数 据之间的关系。 1 1 2 课题研究意义 本课题研究的首要意义是，保障输气管道的安全的运行。此外，气液两相流管道技 术在石油、石化工业中的应用非常普遍，其具体应用可以归纳为以下几个方面【l 】： ( 1 ) 在输油管道中，油品中的轻烃会逐渐释放出来，同样，在输气管道中中会析 出重烃组分，都会形成气液两相流动。如何描述油、气介质在管内的流动，掌握其流动 的规律，所以有必要对气液两相流进行深入研究。 ( 2 ) 在矿场集输系统中，使用一根管线对油气混合输送的优越经济性，以及如何 计算进入分离器的气液两相流的压力大小，对分离器的安全操作十分重要。 ( 3 ) 在海上油气田的开发中，使用混输技术将大大降低平台的建造、操作费用， 降低铺设海底管线的费用等等以及海上油气加工设备的安装经营费用。 ( 4 ) 石油炼制过程中解决烃混合物的泡点、露点、汽化率问题，以及如何精确描 述油藏问题等等，这些都要用到气液两相流技术。 总之，鉴于气液两相流技术的巨大实用价值和由此带来的经济效益，为了更好的掌 握流体流动的规律，有必要对气液两相流管道进行振动检测，为气液两相流管道的正常 运行提供保障，为管道内有无积液提供合理判据。 第一章前言 1 2 气液两相流管道系统振动研究进展 l 。2 1 输流管道系统振动研究进展 引起输流管道系统振动的主要原因有【2 】：管内液体流动状态突然改变，引起液压冲 击，如控制管道的运动部件突然制动；液体流经节流口处出现的空穴现象；输流管道的 设计不合格、设备配置不正确，也会引起管道振动；外界的激发频率跟管道系统的固有 频率相等或相近时，便引发管道共振。 研究输流管道振动的方法很多，简单介绍主要有以下几种： ( 1 ) 特征线法，即把偏微分方程转化成常微分方程，使用数值积分方法在计算机 上求解出输流管道系统的振动方程。 ( 2 ) 有限元法，先把结构离散化，接着单元分析，再整体分析，最后得出整体结 构的载荷跟位移组成的线性方程组，便可引入边界条件求解。用有限元法对输流管道系 统进行结构模态分析与响应分析等动力学分析。 ( 3 ) 特征线一有限元法，鉴于前两种方法的缺点，实现两者的优势互补，这即对液 体使用特征线法，对梁模型管道使用有限单元法，将液体节点与管道节点重合，如此便 可以较精确地计算液体管道的振动响应，有效消除特征线法的插值误差，但是计算量大。 ( 4 ) 传递矩阵法，对解决链式结构模态分析效果很好，已经广泛地应用于充气管 道、梁结构等。与有限元法相比，其总传递矩阵维数不随单元的增加而增加，将恒保持 7 维，这就是该方法的优越性所在。 ( 5 ) 互功率谱法，是采用有限差分法，获得结构波传播方向上数个测点的波长截 面上的速度、平均力信号，再通过求力信号与速度信号频域内互功率谱的方法进行能量 流频域的计算与分析。 ( 6 ) 组件结合法，该方法在频域内使用比较合适，首先要用有限元软件对管道结 构振动进行模态分析，响应分析几个必需的低阶模态，通过力的作用来实现流固耦合， 但是不适用于管道的瞬态响应。 1 2 2 气液两相流管道振动国内外研究进展 国外，对气液两相流管道振动研究起步较早，最早研究的是核电站的蒸汽管道。h a r a , f 经过大量实验研究 3 1 ，指出气液两相流动引起管道振动的主要是由振动系统质量、离 心力、科氏力的周期性改变引起的。t h o r p e ，r b 等考虑了液体的粘度、表面张力等参数 研究了气液两相流的作用力对弯管振动的影响。 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 s a k a g u c h i 等【4 1 ，在s c o o p i n g 模型的基础上，运用质量和动量平衡的积分方程，对 任意形状的封闭体积内单一液塞瞬态运动进行了动态分析，并通过通过对液塞的动态特 性分析进行了冲击力的动态分析。o w e r l ，i 等【5 】研究了被膨胀气体驱动的单一液塞在管道 中的运动情况。湿蒸汽或高压气体管道中形成的液塞在管道中由膨胀波驱动，而液塞前 的压缩波和摩擦力则阻碍液塞这种驱动，当液塞速度增大时，膨胀波会减小。 w i g g e r t ，d c 等【6 】估算了单一液塞在空管流动时对管道所产生的应力和位移。j y a n g 等模拟了液塞在空管里的运动，预测了段塞流的转化，及含气率、持液率和轴向速度的 分布情况，并研究了高速液塞冲击弯头时的水锤现象。 国内，在这方面的研究起步较晚，但是也作出了不少研究成果。钱秀清1 7 对炼油厂 加氢管线内的流体振源分析，最终分析得出是由段塞流引起的，并计算出水平管道跟垂 直管道段塞流的发生频率。刘清玉认为对于由气液两相流引起的管道振动，应首先识别 出管内的流型，然后分析是不是段塞流引起管道振动，若是，再计算段塞流的频率并作 进一步分析。 周晓军等【8 】阐述了气液两相流流固耦合、瞬变流的理论模型和数值计算方法，并对 各种方法进行了对比分析，并且指出了当前气液两相瞬变流流固耦合研究遇到的问题， 还简化了段塞流运动模型，提出了一种适于立管弯头部位动、静载荷的计算分析方法， 算出的结果表明管内流体流速对弯头载荷变化规律的影响较大。但是该方法没有考虑弯 头部位的压力损失，降低了计算精度，需使用更为精确地段塞流特性参数和段塞流运动 模型来提高计算精度。 王树立等【9 】对9 0 。弯管进行了实验研究，在不同含气率下的气液两相流水击压力波 在管道中的传播和衰减规律，发现冲击压力波在弯管中的传播与冲击压力波在直管中的 传播差别很大，弯管外侧压力大于内侧，而在弯管出口与入口直管段处内外侧压力相同， 形成压力环。但未考虑气液两相流各相参数变化对压力波传播的影响。陈贵清等i l o 】针对 流固耦合引起管道结构振动中的一些问题进行了分析和总结，强调了流固耦合分析的重 要性。 1 3 本文研究的主要内容 针对气液两相流管道的振动，本文从管道振动机理出发，对气液两相流管道进行有 限元动力学分析，并作大量的振动检测实验来分析和研究气液两相流管道的振动及管内 不同流型对管道振动的影响。本文的主要内容有以下几点： 3 第一章前言 ( 1 ) 阐述了气液两相流的基本理论，包括气液两相流的特点、特性参数、流型的 分类及其识别方法； ( 2 ) 在流固耦合作用输流管道振动原因的基础上，对引起两相流管道的振动 原因进行了详细的阐述； ( 3 ) 在前两章的基础之上，运用大型有限元软件a n s y s ，对气液两相流水平直管、 直弯管进行模态分析、谐响应分析、随机振动分析等动力学分析； ( 4 ) 对气液两相流、单相气管道进行非介入式振动检测实验，将加速度传感器固 定在管道外壁的测点进行振动检测，主要获得该测点的速度、加速度的频谱图，分析管 内为单相气和气液两相流时振动信号的差异； ( 5 ) 对水平气液两相流管道，研究不同流型、同流型不同气液量下的气液两相流 管道的振动特性，分析引起管道振动的原因，管内出现不同流型时，振动信号的特征， 得出相关结论； ( 6 ) 针对起伏气液两相流管道，采用不同倾斜角度、不同的流型的工况进行振动 检测实验，分析频谱图特点、倾斜角度对流型的影响，以及对比分析上行管段和下行管 段的流型、振动强度的差异，给出相关结论。 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第二章气液两相流基本理论 2 1 两相流概述 2 1 1 两相流概念 在流动系统中只存在两相物质的叫两相流【1 】叫( 其中至少一相为流体) 。两相流这 一术语在上世纪3 0 年代最早出现于美国的一些研究生论文中；在j a p p l p h y s 杂志上于 1 9 4 9 年也出现了两相流( t w o - p h a s ef l o w ) 这一术语。 石油、化工生产都涉及两相流，在两相流动研究中，气相和液相可以以连续相形式 出现称为连续介质，如气体一液膜系统；以离散的形式出现的称为分散介质，如气泡一液 体系统。固相一般是以颗粒或团装的形式处于两相流中。根据连续介质和分散介质不同 的组合方式，可以把两相流动分为以下四类： ( 1 ) 气固两相流动：即气体一固体颗粒的两相流动，如气体除尘、散装运粮船只 得装卸常靠气体运送粮食、固体水合物输送天然气。 ( 2 ) 气液两相流：即气体一液体两相流动，如锅炉沸腾管内水和水蒸气的共流， 加热炉燃料油喷雾雾化，石油天然气的混合输送等。 ( 3 ) 液固两相流动：即液体一固体颗粒两相流动，如固体物料的液力输送，水煤 浆的制备、输送和喷燃，泥石流等。 ( 4 ) 液液两相流动：即液体一液滴两相流动，如油田的含油污水以及石油乳状液 的运动等。 在所有两相流中，气液两相流是最为常见、最为复杂的一种，它广泛存在于石油、 化工、过程和设备中。气液两相流根据流动环境的不同，又可分为管内气液两相流和管 外气液两相流等，前者为本文的研究对象。与单相流相比，气液两相流不仅多出了一相， 因其相界面的形状和分布均随着流动过程而不断变化，流动结构有很强的随机性，因此， 研究气液两相流具有更大的难度。 2 1 2 气液两相流动特点 气液两相流动是一较复杂的流体运动形式，目前未有很成熟的认识理论体系， g b w a l l i s 称其为“不确定( i n s e c u r e ) 科学。它的复杂性表现在液体气化、气体释放、 各相之间的相界面可变形以及界面分布不均匀等。因此，其物理特性、数学描述比单相 型并存的情况。 ( 2 ) 相间相互作用强 在两相流中相与相之间的相互作用是非常强烈的，例如：两相流管道中的段塞流就 是气液单相之间的剧烈扰动而引起的，而且它与流体物性以及外界条件都有关。 ( 3 ) 能耗大 单相流中，若忽略粘性损失，就基本上不用考虑能耗问题。而两相流能耗要比单相 流大得多，因为即使忽略壁面边界层粘性损失，相间磨擦损失以及蒸发或冷凝引起的能 量损耗依然很大。 ( 4 ) 物性变化临界值降低 在气液两相流中至少包含两种成份或状态，其物性将随重度比、容积比、温度等的 变化而变化，故气液两相流中将有更多的物性参数被定义。另外，当一相的容积率从无 到有，从而形成气液两相流时，将引起原临界量的急剧变化。 ( 5 ) 数学描述难度大 在气液两相流的微元体内会发生相间摩擦、传热、传质、化学反应等相互作用，涉 及到的参数、边界条件较多，因此描述气液两相流的数学方程相当复杂，至今仍处于发 展和研究阶段。 2 1 3 气液两相流特性参数 由于气液两相流动的复杂性、随机性，所以涉及的参数要比单相流多而且复杂，在 工程上，为便于定义各种基本宏观物理量，通常简化为一维流动来描述。除了描述流体 最常见的压力、速度、温度等参数外，还需要引入一些两相流管路所特有的参数，如质 量流量、气液相折算速度等，这些参数简单介绍如下【1 1 。1 2 】。 ( 1 ) 质量流量 气液两相混合物的质量流量w ，k g s ，定义为单位时间内流过管道流通截面的气液 混合物总质量。对气液两相流管道，混合物质量流量为： 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 形= w e + 睨 式中 气相的质量流量，k e d s ； ( 2 - 1 ) 呒液相的质量流量，k g s 。 ( 2 ) 体积流量 气液两相混合物的体积流量q ，m 3 s ，定义为单位时间内流过管道流通截面的气液 混合物的总体积。同样，单位时间内流过管道流通截面的气相体积和液相体积分别称为 气相体积流量q 和液相体积流量q ，且有： q = q + q ( 2 - 2 ) 娩：监(2-3) 骁：堕(2-4) p l 式中 骁气相的体积流量，m 3 s ； 鲛液相的体积流量，m 3 s ； 忽气相密度，k g m 3 ； 见液相密度，k g m 3 。 ( 3 ) 气相、液相真实速度 在气液两相流管道中，气相、液相所占的流通截面分别为如和4 ，则每一相的真 实速度( 即真实相平均速度) 表示如下，气相真实速度为： = 譬 协5 ， 液相真实速度为： 卟宝 协6 ， ( 4 ) 气相和液相的折算速度 所谓折算速度就是假定管道全部流通截面只被两相混合物中的任一相占据时的流 第二章气液两相流基本理论 速，即气相折算速度为： = 鲁 ( 2 7 ) 液相的折算速度为： = 鲁 ( 2 8 ) 从上面的表达式可以看出，气相和液相的折算速度必定小于气液相的实际流速。折 算速度常用于判断流型方式，其中在均相流、漂移流模型中也经常用到该参数。 ( 5 ) 截面含气率( 又称空隙率) 截面含气率为气相所占截面积和管道总流通截面积之比，表示为： 口= 鲁= 彘 亿9 ， 么 如+ 4 一 式中口截面含气率； 彳管路总流通截面积，i n 2 ； 4 气相流通截面积，m 2 ； 如液相流通截面积，m 2 。 ( 6 ) 容积含气率 容积含气率为气相体积流量和气液两相总体积流量之比，用表示，即： = 害= 盎 协 qq + q 7 截面含气率口( 又称空隙率) 、容积流量含气率夕均属于气液含气率，一般由于气、 液两相间存在相对速度，口和夕并不一致。 在上述的参数中，如速度，随时间的变化呈现出明显的随机波动特征，大量的理论 和试验研究表明，在一些特性参数的波动过程中，蕴藏着表征气液两相流的独特性质及 其变化规律相关的信息。 2 2 流型 2 2 1 流型概述 气液两相流是气、液两相在一起共同流动，般由气液界面、气相、液相三部分组 成。气液两相流在管道中流动时，由于压力、流量、温度等参数的变化，会形成许多具 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 有不同相分界面的流动结构形式，即流型。不同的流型，会以不同频率的力作用于管道 上，引起管道的不同类型的振动。 流型研究，即在不同的参数、边界条件下，准确给出流型种类及流行之间转化过渡 的条件，流型划分包含以下两个问题：一是流型定义的不确定性，由于人为观察的影响， 不可避免的存在主观因素的干扰，对流型的判别只能定性判断；二是流型定义的多样性， 目前还没有一套公认的、统一的定义。 从工程应用角度而言，流型是最重要、最难测量的参数，研究两相流的流型及其转 变，熟知每种流型变化机理，建立适当的模型来研究气液两相流的传热、传质，找出引 起流动阻力和传热量变化的原因，便于采取相关措施，保证系统可靠性、安全性的运行， 能进一步揭示两相流动的基本规律，推动两相流的发展和研究。因此，客观上要求对流 型进行有效识别。 2 2 2 垂直管两相流流型分类 在气液两相流中，流型与流动和传热特性也是密切相关的，早期人们直接运用单相 流的层流、紊流理论对两相流的相对形态，对流型的分类及流型间的过渡关系式进行了 大量的研究。 随着人们对两相流研究的越来越深，o s h i n i w o 等【1 3 1 q 从工程应用角度出发，提出 几种常见的流型划分，是目前经常应用的气液两相流流型分类，如表2 1 所示。 表2 1 常见的管内绝热条件下流型划分 t a b l e2 - 1c o m m o nt y p eo fp i p ei n s u l a t i o nb yd i r t yc o n d i t i o n s 近年来b a r n e a 等人根据流体连续性将流气液两相流划分为：连续的( c o n t i n u o u s ) 、 间断的( i n t e l m i t e n t ) 、弥散i 拘l ( d i s p e v s e d ) z 类。该分类方法将单相流流体力学理论与气液 两相流相联系，将复杂的流型分类简化为三种模式，每种模式之间有明显的差别，便于 气液两相流应用。按照这种划分方法，水平管中的流型划分如图2 1 所示。 9 第二章气液两相流基本理论 _ ，。 、。 ， 誓 ， 图2 - 1 水平管气液两相流流型按介质的连续性进行划分 f i g 2 - 1f l o w p a t t e r no fh o r i z o n t a lp i p eg a s - l i q u i dt w o - p h a s ef l o ww e r ec l a s s i f i e da c c o r d i n g t ot h ec o n t i n u i t yo f t h em e d i a 本文中涉及到的气液两相流均是绝热下的管道内部流型，根据管中气液两相流的流 动的方向，分为垂直向下气液两相流流型和水平管气液两相流流型【1 3 】【1 刀。 研究者们，做了大量实验研究表明，垂直向下的气液两相流流型可分为：细泡状流、 弹状流、块状流、液束环状流、环状流，如图2 2 所示。 ( 1 ) 细泡状流( b o b b l ef l o w ) ：是垂直方向流动最常见的流型之一，气相、液相分 别呈分散相、连续相，气泡在管子中央气泡较多，管壁气泡少，气泡一般呈球形。此时 气体量比较小，其含气率在3 0 以下。 ( 2 ) 弹状流( s l u gf l o w ) ：随着气量的增大，气泡直径接近管道内径时，变成大块 弹状气泡，弹状气泡的连续液相中含有较小的分散气泡，气外围液膜相对气泡向下流动。 ( 3 ) 块状流( c h u r nf l o w ) ：气体流量进一步增大时，弹状流中的气泡速度增大最 终气泡破裂，形成块状流型。此时大小不一的块状气体在液体中以混乱状态流动，以强 烈湍动的非均匀混合物形式流动，同时伴有液相的激烈搅动。 ( 4 ) 环状流( a n n u l a rf l o w ) ：当气相流速较高时，气弹汇合成气柱在管道中心流 动，气柱中夹带着一些小液滴，液体沿管壁流动，形成一层液膜，有时液膜内也会夹杂 少量气泡。实际上，纯环状流的参数范围很窄，一般呈环状弥散流状态。 l o 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 ( 5 ) 液束环状流( w i s p ya n n u l a rf l o w ) ：当环状流的液量继续增大时，气液交界 面呈波状流动，气芯卷吸的液量增加，气芯中的液滴浓度增大，形成条状液块或液束。 细泡状流气弹状流块状流液柬环状流环状流 图2 - 2 垂直管中的气液两相流流型划分 f i 9 2 - 2 f l o wp a t t e r no fv e r t i c a lp i p eg a s - l i q u i dt w o - p h a s ef l o w 2 2 3 水平管两相流流型分类 水平管中的气液两相流流型一般分为六类，如图2 3 所示。在水平管中，由于重 力的作用，使大部分气相存在于管道上部，而大部分液相则存在于管道底部，比垂直管 要多出分层流和波状分层流两种流型。 细泡状流 分层流 气塞状流 波状分层流 气弹状流环状流 图2 3 水平管气液两相流流型划分 f i g z - 3f l o wp a t t e r no fh o r i z o n t a lp i p eg a s - l i q u i dt w o - p h a s ef l o w 第二章气液两相流摹本理论 ( 1 ) 细泡状流( b o b b l ef l o w ) ：因为浮力的作用，一般气泡沿着管道顶部向前流动， 且散布在连续的液相内。水平管细泡状流出现在含气率低或气相流速较小的工况下。 ( 2 ) 气塞状流( p l u gf l o w ) ：随着气量的增加，小气泡聚合成成较大的气塞，这样 便形成塞状流。 ( 3 ) 分层流( s t r a t i f i e df l o w ) ：分层流只有在气液两相的流速都很小时才会发生， 气相在管道上部流动，液相在管道底部流动，两相被一个较平滑的分界面分开。 ( 4 ) 波状分层流( s t r a t i f i e dw a v yf l o w ) ：在分层流的基础上，随着气相流速的增大， 气液分界面上掀起扰动的波浪，沿流动方向呈现波状，便进入波状分层流。 ( 5 ) 气弹状流( s l u gf l o w ) ：又称段塞流，当气体流速更高时，分界面处的波浪被 激起与管道上部管壁接触，形成弹块状并以高速沿管道向前推进。气弹状流与气塞状流 的不同在于气弹上部无水膜，被气弹涌起的波浪会周期性的湿润上部管壁。 ( 6 ) 环状流( a n n u l a rf l o w ) ：当气量进一步增大时，形成气核和环绕管周的一层液 膜。而液膜厚度受重力影响在管壁周向分布不均匀，底部液膜较厚，顶部液膜较薄。 微倾斜管道中的流型与水平管道相似，管路的倾角对流型影响较大，管路向下倾斜 时容易产生分层流，相反时则容易产生间歇流。当管路的水平倾斜角度超过4 0 0 - - 6 0 0 时， 与垂直管道中的流型相似。 2 3 流型识别方法 传统的气液两相流型识别分两类【1 8 】：一是根据两相流型图，进行流型识别；二是根 据流型转换机理得到的转换准则，结合现场的实验数据确定流型。 ( 1 ) 流型图法 流型图法，是综合表示流型分布和流型过渡的简便方法，但流型图法不可能解决所 有的流型识别，造成流型过渡转换准则复杂多变，坐标多变，最常用的坐标是气液两相 的流量。流型图只能说明可能存在的流型，不能给出精确的答案。 在前人的基础上，b a k e r - s c o t t 提出了比较常用的水平管两相流动流型图，如图2 - 4 所示。h e w i t t 提出了比较常用的垂直管两相流动流型图，如图2 5 所示，主要适用于高 压下的蒸汽水两相流和常压下的空气、水两相流。大部分的流型图是通过空气水两相 流动的实验获得，适用范围有限。 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 象 ： l 妒 o l 扩 g 锄 _ 溆 霸0 孥伐5 乎0 2 0 1 g 毋( k s t m 毫s n 。： ：一、“。 。7 ，7 ， ，r ， 图2 - 4b e l l 修正的b a k e r 流型图 f i 9 2 - 4 b e l lm o d i f i e df l o wp a t t e r nm a po fb a k e r 一。，。，。 - ，姆，m 4 。岛再、。二涮 图2 - 5h e w i t t 的流型图 f i 9 2 - 5 f l o wp a t t e r nm a po fh e w i t t ( 2 ) 流型转换