（油气储运工程专业论文）水平管油水两相分散流相分布及流动特性研究.pdf

关于学位论文的独创性声明 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作出了明确的说明。 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：日期：卯年月夕扫 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。 日期：知年r 月声日 日期：矽r f 年r 月弓d 日 摘要 在油水两相分散流中，由于油水混合物会出现乳化、反相以及因粘性能量耗散导致 温升等一系列复杂的过程，以至于油水两相分散流的相分布以及流动特性有别于其他的 流型。为了更深入的探索油水两相流的流动机理，本文在内径为2 5 4 m m 的水平控温实 验环道上对油水两相分散流的相分布特征及其流动特性进行了研究。通过改变油品物 性、含油率、流量以及温度等参数，探索了油水两相分散流流动过程中，液滴粒径及其 分布、管路压降梯度、油水混合物表观粘度以及分散体系的动力学不稳定性和热力学不 稳定性的变化规律，从微观结构上揭示了油水两相流的流动本质。 研究结果表明，油水两相分散流中液滴的s a u t e r 平均直径随着混合流速的增加而逐 渐减小，随着温度的升高而逐渐增大，但是随着含油率的增加，液滴s a u t e r 平均直径基 本保持不变。通过对不同工况条件下的液滴粒径进行概率统计分析，发现油水两相分散 流的液滴粒径均服从l o g n o r m a l 概率统计分布规律。 油水混合物表观粘度与不同的油品物性之间有较大关系，低粘油品的油水混合物表 观粘度随着混合流速的增加基本保持不变，而高粘油品的油水混合物表观粘度则随着混 合流速的增加而呈线性减小的趋势。随着温度的升高，油水混合物表观粘度都逐渐减小； 但是随着含油率的升高，油水混合物表观粘度先逐渐增加，达到一最大值后急剧减小。 并且通过本实验中的数据拟合出油水混合物表观粘度的经验关系式。 在油水两相分散流从启动到充分发展阶段的动力学不稳定过程中，油相和水相在管 路中因管壁的剪切作用，使油水两相在管路中的相间相互作用增强，导致油水两相体系 中的一相分散到另一相中，从而形成分散相液滴。而油水两相流在流动过程中由于油水 混合物的粘性而存在粘性能量耗散，导致系统温度的升高。从能量守恒的角度，研究了 油水两相流系统中不同能量之间的转换规律。 关键词：相分布，液滴粒径，微观结构，表观粘度，油水两相流 i n v e s t i g a t i o no np h a s ed i s t r i b u t i o na n df l o wc h a r a c t e r i s t i c o fo i l - w a t e rd i s p e r s e df l o wi nh o r i z o n t a lp i p e h ez h e n g b a n g ( c o l l e g eo fp i p e l i n ea n dc i v i le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rl vy u l i n g a b s t r a c t i nt h eo i l w a t e rt w o p h a s ed i s p e r s e df l o w ，o i la n dw a t e rm i x t u r ew i l le x p e r i e n c eas e r i e s o fc o m p l e xp r o c e s s e s ，s u c ha se m u l s i f i c a t i o n ，p h a s er e v e r s a la n dt e m p e r a t u r er i s ec a u s e db y v i s c o u se n e r g yd i s s i p a t i o n ，a c c o r d i n g l yt h ep h a s ed i s t r i b u t i o na n df l o wc h a r a c t e r i s t i c sa r e d if f e r e n tf r o mo t h e rf l o wr e g i m e s i no r d e rt oc o m p r e h e n dt h ef l o wb e h a v i o ro fo i l - w a t e rf l o w i nt h eg e n e r a l ，t h em i c r o s t r u c t u r ea n df l o wb e h a v i o ro fd r o p l e t si no i l - w a t e rd i s p e r s e df l o w w e r es t u d i e d e x p e r i m e n t sw e r ec o n d u c t e do na2 5 4 m m ，t e m p e r a t u r ec o n t r o l l e df l o wl o o p b yc h a n g i n gt h ep h y s i c a lp r o p e r t i e so fd i f f e r e n to i lp r o d u c t s ，o i lc o n t e n t ，f l o wr a t ea n d t e m p e r a t u r e ，t h ef l o wp r o c e s so fo i l w a t e rd i s p e r s e df l o w ，d r o p l e ts i z ea n dd i s t r i b u t i o n ， p i p e l i n ep r e s s u r ed r o pg r a d i e n t ，a p p a r e n tv i s c o s i t yo fo i l - w a t e rm i x t u r ew e r ee x p l o r e d ，a n d t h ec h a n g el a wo fd y n a m i ci n s t a b i l i t ya n dt h e r m o d y n a m i ci n s t a b i l i t yo ft h ed i s p e r s e ds y s t e m ， w h i c hr e v e a l e dt h en a t u r eo fo i l w a t e rt w o - p h a s ef l o wi nm i c r o c o s m i ca s p e c t t h er e s u l t ss h o w e dt h a ti no i l w a t e rt w o p h a s ed i s p e r s e df l o wt h ea v e r a g ed r o p l e ts i z e d i m i n i s h e da st h ef l o wr a t ei n c r e a s e d ，a n dg r e wa st h et e m p e r a t u r er o s e b u ta st h eo i lc o n t e n t i n c r e a s e d ，t h ea v e r a g ed r o p l e ts i z ei n c r e a s e df i r s t l ya n dt h e ns h r u n kg r a d u a l l y a f t e r s t a t i s t i c a l l ya n a l y z i n gt h ed i s t r i b u t i o no fd r o p l e ts i z eu n d e rd i f f e r e n tw o r k i n gc o n d i t i o n s ，a c o n c l u s i o nw a sd r e wt h a ti no i l - w a t e rt w o - p h a s ed i s p e r s e df l o wt h eb e h a v i o ro fd r o p l e ts i z e f o l l o w e dl o g n o r m a lp r o b a b i l i t ys t a t i s t i c sd i s t r i b u t i o nr u l e a p p a r e n tv i s c o s i t yo fo i la n dw a t e rm i x t u r ei sm a i n l yd e p e n d e n to nt h ep r o p e r t i e so fo i l t h ea p p a r e n tv i s c o s i t yo fo i lw i t hl o w v i s c o s i t yr e m a i n e dp r a c t i c a l l yu n c h a n g e da st h ef l o w r a t ei n c r e a s e d ，b u tt h ea p p a r e n tv i s c o s i t yo fo i lw i t hh i g hv i s c o s i t yd e c r e a s e dl i n e a r l yw i t h i n c r e a s eo ft h ef l o wr a t e w h e nt h et e m p e r a t u r er o s et h ea p p a r e n tv i s c o s i t yo fo i la l ld e c r e a s e d ， b u ta st h eo i lc o n t e n ti n c r e a s e dt h ea p p a r e n tv i s c o s i t yg r a d u a l l yi n c r e a s e da n dt h e nd e c l i n e d s h a r p l ya f t e rap e a kw a sr e a c h e d a ne m p i r i c a lr e l a t i o nw a sf i t t e db ya n a l y z i n gt h ed a t a g a i n e df r o mt h ee x p e r i m e n t s 1 1 d u r i n gt h ed y n a m i c a l l yi n s t a b l ep r o c e s sf r o mt h es t a r tt ot h ef u ll yd e v e l o p e ds t a g e ，t h e t w op h a s e se x p e r i e n c e ds h e a ra c t i o nc a u s e d b yt h ep i p e l i n ew a l l ，w h i c he n h a n c e dt h e t u r b u l e n tm o v e m e n to ft h eo i l - w a t e rf l o w ，s oi nt h es y s t e mo n ep h a s e d i s p e r s e di n t ot h eo t h e r a n df o r m e dd i s p e r s e dp h a s ed r o p l e t h o w e v e r ，i nt h eo i l w a t e rt w o p h a s ef l o wv i s c o u se n e r g y d i s s i p a t i o ne x i s t e db e c a u s eo ft h ev i s c o s i t yo ft h em i x t u r e ，s ot h es y s t e mt e m p e r a t u r er o s e f r o mt h ep e r s p e c t i v eo fc o n s e r v a t i o no fe n e r g y ，t h et r a n s f o r m a t i o nr u l eo f e n e r g yi no i l w a t e r t w o - p h a s es y s t e mw a ss u m m a r i z e d k e y w o r d s ：p h a s ed i s t r i b u t i o n ，d r o p l e ts i z e ，m i c r o s t r u c t u r e ，a p p a r e n tv i s c o s i t y ，o i l w a t e r t w o - p h a s ef l o w 1 1 1 目录 第一章绪论l 1 1 研究背景及意义1 1 2 国内外研究现状2 1 2 1 液滴粒径的研究2 1 2 2 油水两相流雎降规律的研究7 1 2 3 油水两相流不稳定性研究1 0 1 3 本文研究内容1 2 第二章实验系统与测试方法1 4 2 1 实验系统介绍1 4 2 2 测量仪表与数据采集系统15 2 3 测试流体物性1 7 2 4 实验原理与数据处理方法2 1 第三章液滴粒径及其分布规律研究2 2 3 1 液滴粒径的测量2 2 3 2 液滴粒径的分布规律2 4 3 3 液滴粒径的影响因素2 9 3 3 1 温度对液滴粒径的影响规律2 9 3 3 2 混合流量对液滴粒径的影响规律3 0 3 3 3 含油率对液滴粒径的影响规律3 l 3 4 本章小结3 2 第四章油水两相分散流流动特性研究3 3 4 1 油水两相分散流压降梯度变化规律3 3 4 1 1 混合流速对压降梯度的影响规律3 4 4 1 2 含油率对压降梯度的影响规律3 6 4 1 3 温度对压降梯度的影响规律3 8 4 2 油水混合物粘度的影响因素4 0 4 2 1 混合流速对表观粘度的影响4 3 4 2 2 体系温度对表观粘度的影响4 4 4 2 3 含油率对表观粘度的影响4 7 4 3 油水混合物表观粘度预测模型4 9 4 4 本章小结5 1 第五章油水两相分散流的不稳定性研究5 2 5 1 动力学不稳定性研究5 2 5 1 1 实验原理及方法5 2 5 1 2 动力学不稳定过程分析5 2 5 2 热力学不稳定性研究5 7 5 2 1 实验原理及方法5 7 5 2 2 热力学不稳定过程分析5 7 5 3 本章小结6 2 结论与展望6 3 参考文献j 6 5 致谢6 9 中国石油人学( 华东) 硕上学位论义 1 1 研究背景及意义 第一章绪论 油水两相分散流是指油水两相流中，油相或水相以液滴的形式分散于另一相中。在 油f f l 开发的中后期，随着采出液中含水率的上升以及流速的增加，使这种流型广泛存在 于油田的油井和集输管线中。在油水两相分散流中，油水混合物会出现乳化、反相以及 因粘性能量耗散导致温升等一系列复杂的过程，以至于油水两相分散流的油水相分布和 流动特性有别于其他的流型。 在油水两相分散流中，液滴是其最主要的特征，液滴粒径及其分布规律对于研究油 水两相分散流的相分布特性以及相问的传热和传质都具有非常重要的意义。关于油水两 相分散流在宏观上的规律特性研究，如流动特性和压降梯度等，已经有众多学者采用不 同的技术手段和理论方法对其展开了探索，获得了不同的油水两相流流动特性的预测模 型，但是这些预测模型都有其特定的适用范围，通用性较差。这主要是由于研究者仅仅 从改变油水两相流的外在宏观条件出发来对油水两相流的流动特性展开研究，并没有深 入到油水两相流的本质及其内部微观结构中。而油水两相分散流在流动过程中，由于油 水混合物的粘性能量耗散导致其热力学不稳定性，以及油相和水相在混合阶段其动力学 特性也在不断发生变化，因此这些内在的特性变化，直接决定了油水两相分散流在宏观 上的流动表现。 随着相含率的不断变化，油水两相分散流的管路压降梯度也会经历一个复杂的变化 过程，这主要与油水混合物表观粘度的变化有关。在油水两相分散流的反相过程中，油 水混合物的表观粘度会在反相点附近发生突变，在反相点的表观粘度甚至是单相时的几 十倍，这对于油田集输管路的设计和运行都具有极其重要的影响。因此，研究油水混合 物的表观粘度对于油水两相分散流的流动特性和压降规律都具有非常重要的意义。目 前，研究者已经提出了众多计算油水混合物表观粘度的关系式，涉及到的参数较少，主 要为油相和水相粘度以及相含率。但是由于油水表观粘度的复杂性，其影响因素也必定 是多方面的，因此，有必要探索不同参数对油水表观粘度的影响规律。 在油水两相分散流动过程中，由于液滴的形成及其结构的变化主要是因流动过程中 体系的动力学条件发生改变而导致的，混相注入的油水两相流其液滴的形成主要发生在 系统运行的初始阶段，这一过程体系并没有达到稳定，当油水两相流完全分散后，系统 第一章绪论 才达到稳定。因此，油水两相分散流中液滴形成的这一过程称为动力学不稳定阶段。对 这一动力学不稳定过程进行研究，可以更好的揭示油水两相分散流中液滴的形成机理。 油水两相在管道中流动时，由于油水混合物的粘性，油水两相流在流动过程中会存 在着能量的损失，这一部分能量会以热能的形式耗散，也即油水两相流的粘性能量耗散。 粘性能量耗散会导致测试流体温度的升高，而这一变化会进一步导致油水两相的物性参 数的改变。研究油水两相流的能量耗散问题，对于揭示多相流中能量转换过程以及流动 特性具有非常重要的意义。当管道保温层的保温效果良好时，可以忽略流体向环境的散 热，使油水两相流的粘性能量耗散可近似等于油水混合物的温升。因此，基于油水两相 体系的能量守恒，探索油水两相分散流的流动过程中，泵的输入功、管路摩擦以及能量 耗散之间的关系，从而更好的理解油水两相分散流的流动特性。 总之，基于油水两相分散流在生产实际中的重要意义，同时为了更好的理解多相流 的力学特性及流动机理，需要对油水两相分散流的相分布以及流动特性进行更深入的探 索和研究，从而加深对油水两相流内部几何结构及其变化规律的认识，提高油水两相流 流动特性的预测效果，这对两相流体力学的理论化和系统化都具有及其重要的学术和应 用价值。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 液滴粒径的研究 ( 1 ) 液滴粒径的测量方法 液液两相分散流广泛存在于石油开采输送、化工和制药等行业，这种流型与其他流 型的最主要区别就是存在分散相液滴，而液滴的粒径及其分布状态对于液液两相流的相 间质量、动量和能量的传递都具有十分重要的作用。尽管分散体系在多相流中具有非常 重要的地位，但是仅有少数研究者对油水两相分散流液滴粒径的测量方法进行过研究， z h a n g 和i s h i i i l 】利用等动量取样装置对分散体系取样，然后通过照相的方法获得分散相 的粒径及其分布规律；a n g e l i 和h e w i t t l 2 1 将内窥镜插入油水两相分散流管道中，并利用 与之连接的照相机拍摄液滴照片，从而获得水平管路中油水分散体系的液滴粒径； v i e l m a 等人【3 】利用高速摄像技术拍摄水平管路中高速运动的液滴照片，通过图像处理软 件获得液滴的粒径数据；孙科霞等人【4 1 、i s h i i 等人【5 ，6 1 利用多头电导探针测量水平管泡状 流中气泡的粒径；l o v i c k 等人【_ 7 】采用双传感器阻抗探针来测量管截面不同位置的液滴弦 长及其速度；k a d a m b i 等人【8 】将粒子图像测速( p i v ) 技术成功应用于两相分散流中分 2 中国石油大学( 华东) 硕j j 学位论文 散相粒径的测量；a u g i e r 等人1 9 j 也利用p i v 技术对油水两相流微观结构体系进行了研究。 纵观不同研究者所采用的方法，照相法的特点是：直观、非侵入和无扰动等，但是 照相法要求被测流体为无色透明，便于照相机的拍摄，由于相机的分辨率及曝光时问的 限制，照相法对于较小的液滴无法识别。而在流速较高时，由于液滴运动较快，需要采 用高速摄像机进行拍摄；探针法则是利用油水两相的电学物理特性的差异而发明的一种 方法，该方法不受流体颜色的限制，但是该方法只能测量管截面局部位置的液滴，对于 其他位置的液滴则无法检测，而且还会出现丢失液滴的现象，并且该方法是一种侵入式 的方法，会对油水两相流产生扰动；p i v 技术是目前较为先进的一种测量方法，该方法 对被测流体无扰动，分辨率较高，但该方法也要求被测流体具有一定的可透视性，而且 p i v 系统成本较高，从而会对该技术的推广应用产生一定的影响。 ( 2 ) 液滴粒径的预测模型 液滴是油水两相分散流的最主要特征。在流动过程中，由于油水两相间的相互作用， 分散相液滴会受到连续相的湍流作用而发生形变、聚合和破裂，从而导致液滴的结构发 生变化。因此，对油水两相分散流中液滴的粒径及其分布展开研究，可以从油水两相流 的微观结构上理解分散流的流动特性，从而更好的进行实际生产的设计和管理。 大多数湍流场中的液滴粒径预测模型是基于k o l m o g o r o v l l 0 1 和h i n z e 【| l 】模型发展而 来的，该方法是通过对流体粒子的变形与破裂进行受力分析，获得液滴粒径的预测模型。 并且提出了无量纲的w e 数和黏数作为确定液滴平均粒径的参数。由于油水分散体系中 各液滴的直径均不相同，因此，为了便于统计和分析，研究者主要采用最大液滴粒径、 最小液滴粒径或s a u t e r 平均粒径来作为分散体系中液滴粒径的评价指标。 根据h i n z e 的分析，在分散相粘度较低时，黏数可以忽略不计。因此，当w e 数超 过临界值时液滴就会发生破裂。并且还认为液滴的破裂是由于动态的压力波动克服了维 持液滴稳定的界面张力所导致的。h i n z e 给出了湍流场中最大液滴粒径的预测模型： f , x 3 5 3 “职- o 7 2 5 占- 2 5 “= 学 ( 1 - 1 ) 其中为单位质量的平均能量耗散率，尼为摩擦因子，。为连续相的轴向平均速度， d 为管道内径。 k u b i e 等人1 2 】基于单个液滴与连续相之间的相互作用对h i n z e 的模型进行了改进， 引入了湍流波动速度v ，的概念来代替连续相平均速度，并且认为： 3 第一章绪论 厂厂、” _ 卅3 k 从而提出了如下的最大液滴粒径预测模型： d 。戤= 5 5 3 与 ) c p c ( 1 2 ) ( 1 3 ) s l e i c h e r 等人1 1 3 1 对湍流场中液滴的粒径进行了实验研究，研究结果表明，其最大液 滴粒径与玩。25 和0 j 5 呈正比，与h i n z e 模型中的u 圳2 和扩6 有所不同。s l e i c h e r 等人认 为出现这种情况是由于液滴的破裂主要发生在管壁附近，此处的湍流场其同向性最差。 而h i n z e 则认为液滴的破裂主要发生在各向同性的湍流场中。s l e i c h e r 通过引入各相粘 度参数给出了与h i n z e 不同的最大液滴粒径预测关系式： ( 型) ( 盟) 0 5 ：3 8 ( 1 + 0 7 ( r l d u ) 。，) ( 1 - 4 ) a00 其中，r d 和仉分别表示分散相和连续相的粘度。 h e s k e t h 等人【1 4 】定义了一个与h i n z e 不同的w e 数，从而提出了如下的最大液滴粒 径预测模型： k = ( 孕) 0 6 ( 赤矿0 4 ( 1 + 刚6 ( 1 - 5 ) 其中，w e f 。，为临界韦伯数，w e c 。，= r d m 。( 岛p c ) 3 ，b 是由流场决定的常数，r l d 为 分散相粘度，j 为黏数，由下式给出： 二：( 型型) ( 堡) o s ( 1 - 6 ) 6 p d 该模型与其他模型的不同之处就在于其临界w e 数中考虑了各相的密度对w e 数的 影响。 b r a u n e r 等人对于高分散相浓度的情形提出了一个新的计算关系式： d m 。= 2 2 2 ( 华九志彳4 n 6 其中成为混合物密度，c n 为调整系数，九由下式给出： 九2 丽u , d 4 ( 1 7 ) ( 1 8 ) 中国，f j 油人学( 华东) 硕l ：学位论文 a n g e l i 和h e w i t t t 2 j 分析了油水两相分散流中液滴的运动以及液滴与湍流涡之间的相 互作用，通过考虑液滴的破裂和聚合过程研究了油水两相分散流中液滴粒径及其分布规 律。实验数据表明，油水混合物的液滴粒径会随着连续相速度的增加而减小，对于最大 液滴粒径和s a u t e r 平均直径可以用d = a u 6 来表示速度对液滴粒径的影响。当d = “。 时，指数6 = 1 8 ，但这一结果比h i n z e 提出的1 1 2 要小，但比s l e i c h e r 提出的一2 5 要大。 当存冼2 时，指数b 的值仍然为1 8 。由于摩擦因子与能量耗散有关，因此该作者将其他 参数用摩擦系数来表示，从而提出了如下的液滴粒径预测模型： 靠。虬1 。8 = 4 2 x1 0 + 2 f 矗” ( 1 - 9 ) 以，u c l8 ：2 1 0 2 厂。3 1 2 ( 1 1 0 ) 尽管该液滴粒径预测模型所涉及到的参数较少，但是由于摩擦系数受流动条件的影 响较大，确定过程也较复杂，而且该模型为半经验半理论的预测关系式，预测结果与实 验条件有较大关系。 纵观不同研究者提出的液滴粒径预测模型，涉及到的影响因素主要有连续相流速、 界面张力、各相密度以及摩擦系数等。由于摩擦系数受整个流场的影响，因此摩擦系数 的确定是建立液滴粒径预测模型的关键。 ( 3 ) 液滴粒径的统计分布规律 由于液滴的粒径是不均匀的，因此无法用单一的平均直径来描述其分饰特性，还需 要结合其他参数来构建合适的数学表达式。尽管当两种分散体系具有相同平均粒径时， 但其粒径分布也不一定相同，为了更好的描述液滴粒径的变化，需要采用合适的概率密 度函数来刻丽液滴群的分布规律。已经有一些研究者对油水两相分散流的液滴粒径分布 规律进行了研究，提出了不同的油水混合物液滴粒径概率分布函数。k a r a b e l a s 1 6 】发现 r o s i n r a m m l e r 分布和上限l o g n o r m a l 分布能较好地描述实验中的液滴粒径分布。 s i m m o n s 等人【1 7 峙旨出上限l o g n o r m a l 分布来描述液滴粒径分布要比n o r m a l 分布效果 好。 p e r e z 1 8 1 采用了n o r m a l 分布、l o g n o r m a l 分布和r o s i n r a m m l e r 分布分别描述y 士l o 和士2 0 倾斜管路中油水两相分散流的液滴粒径分布规律。研究发现，在所有的倾斜管路 中，l o g n o r m a l 分布最能反映出液滴粒径的分布规律。但是在一些情况下，n o r m a l 分 布的效果要比l o g n o r m a l 分布好，而且在其他一些条件下l o g n o r m a l 分布和n o r m a l 分布都能描述出此时的液滴粒径分布规律，但r o s i n r a m m l e r 分布却完全不能反映出 5 第一章绪论 o w 时油滴的粒径分布。 l o v i c k 等人【l9 】在内径3 8 m m 的不锈钢水平管路中研究了油水两相分散流的液滴粒 径及其垂直分布，在实验过程中采用双传感器阻抗探针来测量管截面不同位置的液滴弦 长及其流速。研究发现，在双重连续分散流中液滴的浓度及其粒径会随着离界面距离的 增加而减小，而且在下层的油滴粒径与上层的水滴粒径差别较小。混合物速度对液滴粒 径并没有太大的影响，这主要是由于一方面较高的混合物速度会增加油水两相流的剪 切，使液滴粒径减小；但同时另一方面，会产生更多的大液滴央带，使大液滴伴随在小 液滴中，从而使液滴粒径总体趋于稳定。而且在实验过程中发现液滴粒径的统计分布都 呈r o s i n r a m m l e r 函数分布。但是在该研究中是将液滴的弦长作为液滴的粒径进行统计 分析，与其他研究者所采用的液滴直径来进行统计分析有一定的区别。因此，该预测模 型也无法较好的预测其他研究者的液滴粒径分布规律。 w a h a i b i 和a n g e l i l 2 0 j 在与l o v i c k 相同的实验装置上再次对水平管双重分散流进行了 研究。研究发现，油水折算速度对液滴粒径没有明显影响，这与通常认为的液滴粒径随 着速度的增加而减小的观点不同。出现这种现象主要是由于在分散流中油水折算速度的 增加会影响液滴的破裂和聚合平衡，从而导致液滴粒径的减小；但在双重分散流中，速 度的增加一方面会增加液滴的破裂，但另一方面会使一相进入另一相的央带增加，从而 出现更大的液滴，使液滴粒径总体上趋于稳定。而对于液滴粒径的分布，w a h a i b i 等人 在对液滴粒径数据的统计分析中发现，其粒径分布呈r a s i n r a m m l a r 函数分布，这与 l o v i c k 的研究基本一致。 a n g e l i 和h e w i t t l 2 1 研究了内径2 4 3 m m 的水平不锈钢管和有机玻璃管中油水两相分 散流的液滴粒径分布。在该研究中，研究者首次将内窥镜摄像技术应用于油水两相流的 研究中，通过拍摄油水两相分散流的液滴照片，利用计算机对照片进行处理，从而获得 液滴粒径的分布规律。在实验中分别采用上限l o g n o r m a l 分御和r o s i n r a m m l e r 分布 描述水平管路中油水两相流的液滴粒径分布规律，分析结果显示r o s i n r a m m l e r 分布能 更好的反映液滴的粒径分布，并且比上限l o g n o r m a l 分布更容易实现。管材对液滴粒 径有较大的影响：在不锈钢管中的液滴粒径要小于有机玻璃管中的液滴粒径，而且液滴 粒径还受连续相的物性及流速的影响。研究结果还显示，液滴的最大粒径和s a u t e r 平均 直径均与连续相速度的1 8 次方成正比，但文中并没有给出液滴粒径的理论关系式。 s u p a t h o r n l 2 1 】利用高精度的视频探针拍摄搅拌器中的液液分散体系的液滴粒径分布 规律，在研究中考虑了分散相的粘度以及界面张力对液滴粒径分布的影响。对于液滴粒 6 中国杠油人学( 华东) 硕一i j 学位论文 径的分布，提出了两种描述方法：一种是单分散描述，就是粒径分布范围较窄，所有的 液滴粒径都接近于平均粒径；而另一种为多分散描述，其粒径分布范围较宽。研究结果 表明，多分散描述的误差要比单分散描述小得多。对于多分散描述中，研究者分别采用 了n o r m a l 分布和l o g n o r m a l 分布来匹配实验数据，结果发现，l o g n o r m a l 分布更能 体现分散体系中的液滴粒径的分布状态。 a t m a c a l 2 2 1 利用高速摄像法研究了油水两相流的流动特性，同时还采用了n o r m a l 分 布、l o g n o r m a l 分布和r o s i n r a m m l e r 分布三种分布函数分别描述了倾斜管路中的油水 两相流液滴粒径分布规律。研究发现，利用上限l o g - n o r m a l 分布来描述液滴粒径分布 要比n o r m a l 分布效果好。但是在有些工况条件下，l o g n o r m a l 分布和n o r m a l 分布都 能描述出此时的液滴粒径分布规律。但r o s i n r a m m l e r 分布完全不能反映出o w 时油 滴的粒径分布，这一结果与p e r e z l l 8 】的观点完全一致。 综上所述，对于油水分散体系中液滴粒径的概率统计分布规律，研究者主要采用了 l o g n o r m a l 分布和r o s i n r a m m l e r 分布两种概率统计函数，而对于最常用的概率分布函 数n o r m a l 分布，研究者采用较少。这主要是由于在液滴的测量过程中，许多粒径非常 小的液滴无法被测量到，而大液滴则能较好的测量。因此，在概率统计分布中，n o r m a l 概率分布函数显然不符合，这也会使油水分散体系的液滴粒径整体偏大。 1 2 2 油水两相流压降规律的研究 ( 1 ) 油水两相分散流压降梯度 对于油水两相分散流的压降梯度预测模型，大多数研究者主要采用的是均相流模 型，该模型将油水混合物看作均匀的流体，然后利用单相流的流体力学知识计算压降梯 度。由于均相流模型将油水两相流处理成均匀的单相流，因此研究单相流的所有动力学 理论在此也均适用。而且均相流模型由于其结构简单、处理方便，在研究多相流的早期 阶段占有十分重要的地位。但是这种均相流模型仅仅在油水混合物充分分散的条件下才 具有较高的预测精度，而这一工况仅仅出现在油水混合流速较高的情形。当油水混合流 速较低时，油相和水相由于密度差，在流动过程中会出现一定程度的分层，从而使油水 混合物体系的均匀性降低，此时利用均相流模型误差会较大。 c a r l o s l 2 3 j 在研究水平管油水两相流时，采用f l u e n t 软件中的双流体模型来模拟油水 两相分散流的压降梯度，在模拟过程中，对于各相的质量和动量方程，分别采用各相的 物性参数进行计算。并将其模拟结果与s o l e i m a n i 等人【2 4 1 的实验数据进行了对比，研究 7 第一章绪论 结果表明，双流体模型对于油水分散流的模拟具有较好的效果。 r a s h m i 等人【2 5 】采用计算流体力学的方法，通过f l u e n t 软件自带的欧拉一欧拉模型模 拟了水平管油水两相分散流的压降梯度、实际持液率和相分布。对于连续相的湍流流动 采用缸模型，将模拟结果与先前的实验数据进行对比。研究结果表明，流速越高，模 拟效果越好，这主要是由于高流速下油水两相混合更充分。 j a y a w a r d e n a 等人在研究水平管油水两相流过程中，将阴层分离流模型处理为双 重分散流模型，也即上层为w o 分散流，下层为o w 分散流。并且该模型的预测结果 与其他研究者的实验数据吻合较好。但是该模型在计算上下两层的分散流中，仍然涉及 到混合物表观粘度的问题。 综上所述，对于油水两相分散流的压降梯度的计算，大多研究者主要采用均相流模 型进行计算。通过对不同研究者研究结果的分析可以看出，采用均相流模型计算的结果 与实验数据有一定的出入，偏差会随着质量流速的减小而增大。对于这种偏差的存在， 是由于在均相流模型中假设了两相之f h j 没有相l 日j 速度滑移。当混合流速较小时，浮力的 作用会愈加显著，从而引起两相间较大的速度差异；而当混合流速较大时，油水两相间 的湍流流动会使油水两相混合更加均匀，因此当混合流速增大时偏差会减小。在油水两 相分散流流动过程中，该模型是将油水两相看作均匀的混合体系，其物性参数采用油水 混合后的物性参数，如混合密度、混合粘度以及混合表面张力。而该模型中所用到的油 水混合粘度，目前还没有较好的测量仪器和技术来进行测量，需要提出更精确的预测模 型。 ( 2 ) 油水混合物表观粘度 一些研究者已经对油水混合物表观粘度展开了研究，提出了不同的计算油水混合粘 度的半经验半理论的关系式。d u k l e r 等人旧在研究气液两相流过程中，提出了一种基于 各相体积分数的气液表观粘度的预测关系式。根据相同的原理，将其用于油水两相分散 流的油水混合物表观粘度的计算中，从而获得了一个与各相体积分数有关的线性函数： r = = s o t m + 占。7 7 。 ( 1 - 11 ) 其中，。和。分别表示油相和水相的体积分数，叩。和r l 。分别表示油相粘度和水相 粘度。将该模型用于油水两相流中并不是十分精确，因为分散相的结构特征对油水两相 分散流的油水表观粘度也有一定影响。但是由于该模型结构简单、计算方便，因此，仍 广泛应用于油水混合物表观粘度的计算中。 8 中围石油大学( 华东) 硕 ：学位论文 b r i n k m a n l 2 8 1 基于e i n s t e i n 的相对论研究了较稀体系的混合物表观粘度，提出了分散 体系混合物的表观粘度关系式： 刁，= 仉( 1 一乃) 之5 ( 1 1 2 ) 其中，为连续相的粘度，勘为分散相的体积分数。 p a l l 2 9 1 研究了水平管路中油水两相流在层流和湍流时的o w 乳状液，结果发现，层 流中的分散体系的表观粘度要高于湍流中的表观粘度。p a l 认为油相粘度在o w 乳状液 的表观粘度中仅仅起到一个次要角色，基于t a y l o r 方程，提出了如下的油水混合物表观 粘度预测关系式： 舻，也5 等辔 7 其中，因子印从1 7 5 到2 5 之间变化。 对于w o 油水乳状液的表观粘度关系式，较常见的还有3 0 l ： e i n s t e i n 公式：心= r o ( 1 + 2 5 e 。) ( 1 1 4 ) g u t h 等人公式：= 1 。( 1 + 2 5 。+ 1 4 1 占：) ( 1 1 5 ) v a n d 公式：。= 心( 1 + 2 5 e 。+ 7 3 e ：+ 1 6 2 4 e 3 w ) ( 1 1 6 ) m o h c o h 公式：声= 心( 1 + 2 5 s 。+ 2 1 9 t r ：+ 2 7 4 。3 ) ( 1 1 7 ) 其中，表示油相粘度，表示油水乳状液的含水率。 上述公式都有其特定的适用范围：w 值越小，e i n s t e i n 公式的效果较好；g u t h 公式 和v a n d 公式适用于含水率小于4 0 的情形；而m o h c o h 公式适用于含水率小于5 0 的 情形。 h e w i t t 等人3 1 1 在研究油气水三相流动过程中，提出了一个计算油水混合物表观粘度 的关系式： = ( 1 一c 乙) 【( 1 一占。) 7 0 + 占。r 。 + c = t l c c c 一2 5 ( 1 18 ) 其中，g 表示混合度系数，其值在o 1 之间；6 w 表示入口含水率；表示连续相的 体积分数；r 。表示连续相的粘度。 蔡继勇等人【3 2 1 研究了水平管内油水乳状液的表观粘度，在实验过程中，考虑了系统 压力和温度对表观粘度的影响。基于实验测得的数据，获得了如下的表观粘度经验关系 式： 第一章绪论 一o ，。巍状液，z ，= = 。4 5 2 6 p 一。5 7 4 ；6 7 p 一。6 ( rj i j 蹋 。，w 乳状液：。= 。2 p o0 4 5 射p 0 0 6 ( ，+ 丁t 害乒三舌宅笔 b 2 5 ( 1 19 ) ( 1 2 0 ) 其中，p 表示系统压力，表示系统温度，。表示含水率。 综上所述，影响油水混合物表观粘度的因素主要有：温度、压力、相含率、油相物 性、水相物性和剪切速率等。计算油水混合物表观粘度的关系式有很多，由于这些关系 式是在不同的实验工况条件下获得的，各关系式的适用范围也不尽相同，通j j 性较差。 目前，还没有出现普遍适用的油水混合物表观粘度计算式，大多数表观粘度计算式是通 过对大量数据拟合得到的经验关系式，缺乏从乳状液微观理论上