（油气储运工程专业论文）水平管段塞流流动特性及压力波传播机理研究.pdf

石油大学( 华东) 硕士论文摘要 减；同时，差压幅值和液塞波动频率均显著提高( 降低) 。在气、液流量瞬 变过程中，管道中会形成一个向管道出口方向传播的压力波，其传播速度 随距管道入口距离的增大而逐渐衰减。 通过选取合适的回归模型，对气量瞬变过程中的压力过增值和压力过 降值进行了定量描述，得到了相应的回归方程。 首次利用改进的段塞流跟踪模型对水平管段塞流中压力波沿管线的传 播特性进行了模拟研究。结果表明，该模型能够有效的模拟该工况下压力 波的传播特性。 对液塞速度和液塞长度的波动过程进行的非线性分析表明，水平管空 气。水段塞流中的液塞速度和液塞长度波动均是对初始条件敏感的混沌振 荡，遵循分形统计规律，具有持久性；液塞速度和液塞长度波动的混沌特 征与实际两相流动特征之间存在着必然的联系，可以将u m = l l m s 作为描 绘液塞速度和液塞长度波动规律的分界点。 关键词：段塞流波动流量瞬变压力波分形 石油大学( 华东) 硕士论文 a b s t r a c t i n v e s t i g a t i o no nh y d r o d y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c sa n d p r e s s u r ew a v e p r o p a g a t i o nm e c h a n i s m o f a i ra n dw a t e r s l u gf l o w i nh o r i z o n t a l p i p e s a b s t r a c t e x p e r i m e n t so nh y d r o d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s o fa i r - w a t e r s l u g f l o ww e r e c a r r i e do u ti n2 7 4 3 ml o n g ，5 0 m mi d a n d3 8 0 ml o n g ，8 0 m mi d h o r i z o n t a l s t a i n l e s ss t e e lp i p e s t h ef l u c t u a t i o n so fc h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r so f s l u gf l o w w e r ea n a l y z e do nt h eb a s i so fn o n l i n e a ra n a l y s i st h e o r y a n dt h ep r o p a g a t i o n c h a r a c t e r i s t i c so f p r e s s u r ew a v e i nt r a n s i e n ts l u gf l o ww e r e i n v e s t i g a t e db ys l u g t r a c k i n g m o d e l w h i c hh a sb e e n i m p r o v e d t h ep r i m a r y c o n t e n t sa n d c o n c l u s i o n so f t h er e s e a r c hw o r kw e r eg i v e na sf o l l o w s ： t h ef l u c t u a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so f p r e s s u r ea n dd i f i e r e n t i a lp r e s s u r eo fs t e a d y s l u g f l o ww e r e e x p e r i m e n t a l l yi n v e s t i g a t e d i n2 7 4 3 m l o n g ，5 0 m m i d h o r i z o n t a lp i p e t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a ts t a t i s t i c a lt h e o r yw a sa ne f f e c t i v et o o l i nt h ea n a l y s i so ff l u c t u a t i o n so fd i f f e r e n t i a lp r e s s u r e ，a n dt h eh y d r o d y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c so fs l u gf l o wc o u l db em o r ef u l l yr e v e a l e du s i n gt h ed i f f e r e n t f l u c t u a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fd i f f e r e n f i a lp r e s s u r ea n d p r e s s u r e t h ee x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o no nc h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r so fs t e a d ys l u g f l o ww a sa i s oc o n d u c t e di nt h es m a l l p i p e t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h e d i s t r i b u t i o no f l i q u i ds l u gv e l o c i t i e sc o u l db ew e l lf i r e db yn o r m a ld i s g i b u t i o n s ， a n dm e a n l i q u i ds l u gv e l o c i t yw o u l d i n c r e a s ew i t ht h ei n c r e a s i n go fd i s t a n c eo f t h ep r o b ep o i n ta w a yf r o mt h ei n l e ta n dh a dad i r e c tr a t i o r e l a t i o n s h i pw i t h g a s l i q u i ds u p e r f i c i a l m i x t u r e v e l o c i t y 1 1 1 e r e s u l t sa l s os h o w e dt h a tt h e d i s t r i b u t i o no f l i q u i ds l u gl e n g t h so b e y e dl o g - n o r m a ld i s t r i b u t i o n ，a n df o rf u l l y d e v e l o p e ds l u gf l o wt h em e a nl i q u i ds l u gl e n g t h sw e r ea s1 1 1 7t i m e sp i p ei d 1 0 n ga n dt h em a x i m a ll i q u i ds l u gl e n g t h sw e r ea s2 5 - 3 9t i m e sp i p ei d 1 0 n g a n dt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sp r o v e dt h a tt h ed e v e l o p m e n t l e n g t hf o rs l u gf l o w i nh o r i z o n t a lp i p ew a s3 2 0 d b yu s eo fa p p r o p r i a t er e g r e s s i o nm o d e l s ，as e r i e so fe q u a t i o n st h a tc o u l d e x p r e s s t h er e l a t i o n sb e t w e e nm a x i m a lp r e s s u r ea n d g a s l i q u i ds u p e r f i c i a l j “ 石油大学( 华东) 硕士论文 a b s t r a c t v e l o c i t y , b e t w e e n m a x i m a ld i f f e r e n t i a l p r e s s u r e a n d g a s - l i q u i ds u p e r f i c i a l v e l o c i t ya n db e t w e e nl i q u i ds l u gv e l o c i t ya n ds u p e r f i c i a lm i x t u r ev e l o c i t yo f g a s l i q u i da n dd i s t a n c e o ft h ep r o b ep o i n ta w a yf r o mt h ei n l e tw e r ef i r s t l y o b t a i n e d c h a r a c t e r i s t i c so ff l o w r a t et r a n s i e n t si n s l u g f l o ww e r e e x p e r i m e n t a l l y i n v e s t i g a t e di n3 8 0 ml o n g ，8 0 m m i d h o r i z o n t a lp i p e t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a t t h e p r e s s u r e w o u l do v e r s h o o tw h e nt h e g a s f l o w r a t ew a si n c r e a s e do r u n d e r s h o o tw h e nt h eg a sf l o w r a t ew a sd e c r e a s e d f o rag i v e ns t a t u s ，t h ef a r t h e r t h ed i s t a n c eo ft h ep r o b ep o i n ta w a yf r o mt h ee n t r a n c ew a s ，t h eh i g h e rt h e p r e s s u r eo v e r s h o o tv a l u ew a s b u tw i t ht h ei n c r e a s eo f t h ed i s t a n c e t h ep r e s s u r e u n d e r s h o o tv a l u ei n c r e a s e da tf i r s t ，t h e n ，d e c r e a s e d w h e nt h eg a sf l o w r a t ew a s i n c r e a s e d ，s l u gf r e q u e n c yw o u l d b ei n t e n s e l yi n c r e a s e db e f o r er e c o v e r i n g t h e g a sf l o w r a t ed e c r e a s ew a sa s s o c i a t e dw i t l lt h et e m p o r a r ys t r a t i f i e df l o w w i t h t h ei n c r e a s eo f t h ed i s t a n c ea w a yf r o mt h ee n t r a n c e ，t h ep e r i o do f s t r a t i f i e df l o w i n c r e a s e d ，t o o a n dt h ep e r i o do f s t r a t i f i e df l o ww a sa l s oo b s e r v e dt ob el o n g e r f o rl o w e rl i q u i df l o w r a t e s w i t l lt h eg a sf l o w r a t ed e c r e a s i n g t h ef r e q u e n c yo f s l u gf l u c t u a t i o n i n c r e a s e d g r e a t l y , t h ea m p l i t u d ed e c r e a s e da f e rr e c o v e r i n g t h e p r e s s u r ew o u l di n c r e a s ew h e n t h e l i q u i df l o w r a t ew a si n c r e a s e d ，w h e r e a s ，i t w o u l dd e c r e a s ew h e nt h e l i q u i d f l o w r a t ew a sd e c r e a s e d t h em a g n i t u d eo f p r e s s u r ei n c r e a s eo rd e c r e a s ew o u l d a t t e n u a t ew i t ht h ed i s t a n c ea w a yf r o mt h e i n l e te x t e n d i n g w i t ht h el i q u i df l o w r a t ei n c r e a s i n g ，a m p l i t u d eo fd i f f e r e n t i a l p r e s s u r ea n ds l u gf r e q u e n c yw e r ei n t e n s e l yi n c r e a s e d o n t h ec o n t r a r y , w h e nt h e l i q u i d f l o w r a t ew a sd e c r e a s e d ，a m p l i t u d eo fd i f f e r e n t i a l p r e s s u r e a n ds l u g f r e q u e n c y w e r e i n t e n s e l yd e c r e a s e d d u r i n g t h ec o u r s eo fg a sa n d l i q u i d f l o w r a t ec h a n g e d ，t h e r ew a sa p r e s s u r ew a v ee x i s t i n gi nt h ep i p e l i n et o w a r dt h e e x i t t h es p r e a ds p e e do f t h ep r e s s u r ew a v ew a sa t t e n u a t e dd o w n s t r e a m u s i n ga p p r o p r i a t er e g r e s s i o nm o d e l s ，t w oe m p i r i c a le q u a t i o n s f o rt h e c a l c u l a t i o no ft h ep r e s s u r eu n d e r s h o o ta n do v e r s h o o tw a so b t a i n e dr e s p e c t i v e l y f r o mt h em o d e l sa n d e x p e r i m e n t a l d a t a t h e p r o p a g a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fp r e s s u r ew a v e i nt r a n s i e n ts l u gf l o ww e r e f i r s t l yi n v e s t i g a t e db yi m p r o v e ds l u gt r a c k i n gm o d e l t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a t t h i sm o d e lc o u l d e f f e c t i v e l ys i m u l a t et h ep r o p a g a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so f t r a n s i e n t i v 石油大学( 华东) 硕士论文 a b s t f a c t p r e s s a r ew a v e t h ef l u c t u a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so f l i q u i ds l u gv e l o c i t i e sa n dl i q u i ds l u gl e n g t h s w e r ea n a l y z e do nt h eb a s i so ff r a c t i o n a lt h e o r y t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h e f l u c t u a t i o n so f l i q u i ds l u g v e l o c f f i e sa n d l i q u i ds l u gl e n g t h s w e r ea l l c h a r a c t e r i z e dw i t hc h a o t i cv i b r a t i o n sw h i c hw e r es e n s i t i v et oi n i t i a lc o n d i t i o n s m e a n t i m e t h ef l u c t u a t i o n s w i 也p e r m a n e n c ep r o p e r t i e so b e y e d t h ef f a c t a l s t a t i s t i c s1 a w s t h e r ew a sas u b s t a n t i a lc o r r e l a t i o nb e t w e e nt h ec h a o t i c c h a r a c t e r i s t i c so f l i q u i ds l u gv e l o c i t i e sa n dl i q u i ds l u gl e n g t h sa n dt h ei n t r i n s i c c h a r a c t e r i s t i c so f g a s l i q u i dt w o - p h a g es l u g f l o w t h e s u p e r f i c i a l m i x t u r e v e l o c i t y 【，卅3 1l n g s c o u l db es e tt ot h ed i v i d i n gl i n ef o rt h ef l u c t u a t i o n so f l i q u i d s l u gv e l o c i t i e sa n dl i q u i ds l u gl e n g t h s k e yw o r d s ：s l u gf l o w , f l u c t u a t i o n ，f l o w r a t e t r a n s i e m s ，p r e s s u r e w a v e f r a c t i o n a l 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和 致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究 成果，也不包含为获得石油大学或其它教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡 献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名年 月日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅和 借阅：学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文。 学生签名： 导师签名： z 口哆年歹月3 同 训哆年，月彦目 蠢涵大学( 华东) 磺论文 1 1 研究背景及意义 第l 章绪论 石油与天然气开采及输送过程是与多相流动密切相关的过程。在这一 流动过程中，各相界面和相分布状况随麓输送介质( 油、气、水) 比率、 管线尺寸潋及圭氇形起茯静不同，澎或了番释各释豹流动擞态，简称流鍪。 流型的不同直接决定了多相流动的不同的流动特性。有关流动特性的研究 蠢是多撩漉磅究中懿重要谋题之一。 自从二十世纪7 0 年代的石油危机以来，人类已将油气开采的目光由陆 地转移裂了海上。这主要是因为馓晏上已探明黪濑气圈中，有5 0 位子水 深3 0 0 米以下的海底。与陆上油气田褶比，海上油气田大有可开发前途。 将深海油井的产油输送至海岸加工处理，蠢油气分输和油气混输两种方案。 瓶使用嗣一条管线将涵气矗接从深海输送至海瘁的油气混输技术，可以减 少油气酗开采初期在海上架设平台和在海底铺设输油管线的巨额投资。时 翁，这一采输方絮已为毽际主许多石涵公司掰关注，著注入大量豹资金德 行研究开发。 在溅浚管线中，段塞滚( s l u gf l o w ) 是一耱最常冕豹滚型，它在许多 操作条件( 正常运行、启动、停输、清管、输量变化等) 下都会出现。段 塞流可以描述为兖渍整令管道横截面的渡塞与大气泡( 葵下方裔渡膜) 豹 交替流动。该流溅的特点是问歇性强、聪降高。段塞流的出现会对下游的 分离及处理设施带来极为不利的影响。段塞流的离压降、间歇性镰特点激 媚了萁满予典型的瞬态流动，采麓传统的稳态计箨方法徽难准确擒述段褰 流的动态特性，因此有必震针对段塞流动的动态流动特性采用现代先进的 数学诗雾方法进行详尽静试验磅究及模掇黟 究，戮霞更黧瀚实遗揭示萁动 态波动特性，从而有效地指导管线系统的设计与运行。 承乎警段塞滤滚型像予b a k e r 淡型圈秘m a n d h a n e 浚黧整静中海嚣域， 间其它流型间都宵转变界限；并且在小尺寸和中等尺寸管路中，其对应的 气液相孝斤舞速度的分布范围很广。该流型广泛遗窍在于石漕工业、化学王 耧、动力工程阻及核反成堆工程中，具有广阔的工程应稍背景。段塞流流 石油大学( 华东) 硕士论文 绪论 动特性研究不仅可以确定特定工况下管线的压降和流量波动，而且可以确 定管线中的液塞长度分布、最大液塞长度、液塞频率、液塞速度和液塞中 的持液率等参数，这些参数就是段塞流的特征参数。段塞流特征参数研究 是理论研究的基础，同时可以为管线和下游油气处理设备的设计和运行管 理提供依据。例如，段塞流的摩阻压降决定了多相泵的选型；液塞长度、 频率及其运动过程中的生长现象将确定液塞捕集器的设计方案等。尽管目 前人们对水平管段塞流的研究己较为深入，但是所得到的参数和规律一般 都是平均意义上的。从实际应用来看，由于这些参数都具有波动特性，所 以这些规律还不能够较好地描述段塞流动的真实特征。因此我们应该在研 究其基本特性的基础上，对其沿管线的压降、液塞平移速度和液塞长度等 特征参数的波动变化规律进行研究。 目前常用的段塞流流动特性的研究方法有两种。一种是在模拟管道上 或工业管道上进行大量实验，找出段塞流的特征参数与管道操作参数之间 的经验关系式，并用这些经验关系式指导管线和下游油气处理设备的设计 和运行。这种方法的缺点是，经验方程是根据特定管道上的试验数据得出 的，其普遍适用性较差。段塞流的第二种研究方法是理论研究方法，即通 过建立段塞流的数学模型、数值离散格式和计算机数值求解等一系列步骤， 求出段塞流的特征参数和管线操作参数之间的关系。目前世界上较著名的 多相流模拟软件( o l g a 、t a c i t e 、p e t r a 和p l a c 等) 均采用该方法。 但采用这种方法，在数学建模过程中，由于方程组不封闭，必须引入一些 经验方程，这些经验方程要求取自高质量的试验数据，从而也必然会带来 适用性差的问题。 当然，不论是试验研究还是数值模拟，其最终的目的都是要将研究成 果有效地应用到实际生产之中。由于段塞流的特征参数强烈依赖于管道的 几何尺寸和流体的物性参数。这样，便要求我们必须从现场工业管道上获 得有价值的试验数据。要解决该问题，就必须采用能够提取段塞流特征参 数的高效的测量方法和测量仪表。然而，目前可以在实际油气混输管道上 应用的测量仪表也只有y 密度计，但其使用的安全性和昂贵的造价极大地 影响了其推广应用，因此有必要探索其他更加经济实用的测量方法。 基于此，本文拟对水平管段塞流流动特性进行详细的研究，以期得出 浚流型下更为详尽真实的流动特性及有效的测量方法，从而指导生产实际 的应用。 2 石波大学 6 0 0 以后。 非充分发展液塞基本上都会演变为规则液塞。在他们看来，s c o n 等人 ( 1 9 8 7 ) 印l 鬟发瑗豹液塞颓率帮长发漆流魂方两发生变亿静蔽塞流为准充分 发展段塞流。同时，他们还认为规则液塞的流动特性与入口条件无关，只 要繁遵是够长，瑟褥液塞最嚣臻会发震隽麓羹| l 滚塞。 b a m e a 等人( 1 9 9 3 ) 2 9 1 提出了一个用于预测液塞长度分布的模型，该模 型袋用了与n y d a j ( 1 9 9 2 ) 删类议熬观点，躲短渡塞产生于入e 1 效应，它们 属不稳定液塞。b a m e a 等人将所有液塞长度均大予缀小稳庇液塞长度的段 塞瀛称为稳定段塞溅。他们对管径在1 2 m m 一5 0 m m 范围内的水平管段塞流 的研究分拆表明，在距离入口缝l o m 以后，液塞的流动基本达到稳定。液 塞在距离入口处2 0 m 肘已经进入充分发展医。在该区域内，液塞不再增长， 掰鸯滚塞长发均大予最小稳定滚塞彀度。剃磊( 1 9 辩) 羚o l 对空气永段塞流的 研究表明，在低气体流速下，几乎不存在入口效应区，此时液塞均为典型 戆燕剽滚塞；隧著气体浚速豹增大，入日效磁区堰长( 长瘦爵达警径瓣2 2 0 倍) ，此时液塞尺寸、气泡尺寸、液塞单元陡度增大。在入网区以外，液塞 石油大学( 华东) 硕士论文 绪论 长度分散性的变化呈现出随机性，其长度基本上保持不变。 从上面的叙述可知，n y d a l ( 1 9 9 2 ) 1 2 ”、b a m e a 等，k ( 1 9 9 3 ) 、刘磊 ( 1 9 9 8 ) 3 0 l 均认为不稳定液塞仅存在于入口区，是一种入口效应，该不稳定 液塞流经一定管长后将演变为规则液塞。然而，有些研究者认为不稳定液 塞不仅仅是一种入口效应。o l i e m a n s ( 1 9 9 4 ) ”l j 认为不稳定液塞在流动过程中 有可能衰减( 称之为衰减液塞) ；还有可能持续不断的生长( 称之为生长液 塞) 。应该说明的是，这里所说的生长液塞与n y d a l ( 1 9 9 2 ) 仁州提出的非充分 发展液塞是两个不同的概念。非充分发展液塞流经一定管长后会发展为规 则液塞；而生长液塞则会沿流动方向持续不断的增长。同时 o l i e m a n s ( 1 9 9 4 ) 3 1 】还根据前人的研究指出，如果管道的流动条件在分层流区 域，则可能产生特别长的液塞。这种液塞的形成对应于n o r r i s 等人( 1 9 8 5 ) 【2 2 1 所提出的机理，并不是入口效应。b r i l l 等人( 1 9 8 1 ) 【3 2 】在油田分别对管径 为1 2 英寸和1 6 英寸的管线进行了两相流流动特性的测量，其液塞长度测 量结果约是管径的5 0 0 倍，如此长的液塞不可能是稳定液塞，必然是流动 过程中液塞不断增长的结果。d h u l e s i a 等人( 1 9 9 3 ) 3 3 】在管径为2 0 英寸、管 长为1 4 k m 的混输管线中测得液塞长度为单模分布和双模分布，其最大液 塞长度可达管径的3 7 5 倍。由此也更加充分地说明，液塞长度的发展不可 能仅是一种入口效应，在入口区外，也一定存在着不稳定的液塞。 b e n d i k s e n 等人( 1 9 9 2 ) p 4 j 对生长液塞、衰减液塞和自然液塞( 由 t a i t e l - d u k l e r 流型转变机理形成的液塞) 的存在区域进行了试验研究。结果 表明，即使在分层流流型区，稳定液塞也可能存在，这便说明由n o r r i s 机 理形成的液塞也有可能发展为稳定液塞。但是，只要液塞头部速度大于 液塞尾部速度，液塞就会不断的增长。 综上所述，根据液塞在流动过程中的发展特性，人们经常使用规则( 稳 定) 液塞、非充分发展液塞、生长液塞、衰减液塞以及自然液塞等概念对 其加以描述。但是迄今为止，对段塞流的发展特性还没有一个确切的定义 和分类，对其稳定性问题还需要进一步进行研究。 1 2 3 水平管道段塞流特征参数研究 对水平管段塞流的特征参数，如液塞或长气泡平移速度、液塞长度等 的研究，不仅有助于充分认清段塞流的流动特性，而且对数值模拟及工程 石油大学( 华东) 硕士论文 绪论 应用都有巨大的指导意义。 ( 1 ) 液塞或长气泡平移速度研究 n i c k l i n 等人( 19 6 2 ) 首次提出计算液塞或长气泡( t a y l o r 气泡) 平移 速度的经验公式，其更一般的表示形式为： 其中u 为液塞或长气泡平移速度；c 为滑脱系数；以为液塞中液体平均流 速；u d 为长气泡的漂移速度。 由于有关c 、以和的计算方法很多，所以式( 1 5 ) 的演变形式也很多。 在n i c k l i n 等，k ( 1 9 6 2 ) o ”j 、d u k l e r 等人( 1 9 7 5 ) t 圳以及n i c h o l s o n 等人 ( 1 9 7 8 ) 3 7 】的关系式中，他们都用气液两相混合速度来近似表示液塞中液 体平均流速u 。当然，从理论上来说，当液塞中的气泡与液体间无滑移刚， = u 。但是实际上由于液塞中的弥散气泡相对于液体有漂移速度，所以 此种近似是有条件的。k v e m v o l d 等h ( 1 9 8 4 ) 1 3 8 1 应用激光多普勒测速仪对液 塞中流速分布的测量结果证实，对于充分发展的紊流速度分布，作为 以的近似是合适的。 w a l l i s ( 1 9 6 9 ) 1 3 9 1 指出，滑脱系数c 反映了两相流体中速度分布的不均匀 性。在大多数研究者看来，滑脱系数c 值在水平管和垂直管中都是通用的， 即倾角对其基本没有影响。对于紊流，n i c k l i n 等，k ( 1 9 6 2 ) 1 3 5 】由实验得出 c = i 2 ，g r e g o r y 等j l ( 1 9 6 9 ) 得出c = i 3 5 ，d u k l e r 等人( 1 9 7 5 ) t 3 6 得出 c = i 2 5 1 2 8 ，n i c h o l s o n 等人( 1 9 7 8 ) 口7 j 在其关系式中一般取c = i 2 ，n y d a l 等 k ( 1 9 9 2 ) t 2 8 1 得出c = i 3 。对于层流，n i c k l i n 等人( 1 9 6 2 ) 3 5 1 由实验得出 c = i 8 1 9 5 ，c o l l i n s 等人( 1 9 7 8 ) 【4 1 】得出c “2 2 ，m a o 等p k ( 1 9 9 1 ) 4 2 1 得出 c = i 8 9 。可见，不同的研究者在相同流态下得出的滑脱系数c 值的差别不 大，也就是在确定的流态下c 值的选择对计算结果一般不会产生什么影响。 但是在不同流态下的c 值却差别较大，从而说明计算前确定两相流流态的 重要性。1 缸t e l 等a ( 1 9 9 0 ) 阳】对滑脱系数c 的解释比w a l l i s ( 1 9 6 9 1 3 9 】的解释 更为具体，他们认为，滑脱系数c 反映了速度分布的平均值与最大值之间 的关系。基于此，他们认为对于紊流取c = i 2 ，对于层流取c = 2 0 。 长气泡的漂移速度在水平管和垂直管中分别有不同的取值。n i c k l i n 等人( 1 9 6 2 ) 口5 】和b e n d i k s e n ( 1 9 8 4 ) 1 4 4 j 分别给出了垂直管和倾斜管中的计 算关系式。b e n j a m i n ( 1 9 6 6 ) m j 对气泡表面应用伯努利定理分析得出了水平 9 石油大学( 华东) 硕士论文 绪论 管长气泡漂移速度的计算式： u 。= o 5 494面(1-6) 当然，针对水平管中的长气泡是否存在漂移速度这一问题，学术界还 说法不一。g r e g o r y 等人( 1 9 6 9 ) 【4 0 】、d u k l e r 等a ( 1 9 7 5 ) 阳、h e y w o o d 等人 ( 1 9 7 9 ) t 4 q 的研究表明，水平管中的长气泡不存在漂移速度，即漂移速度为 零。n i e h o l s o n 等人f 1 9 7 8 ) l3 7 】的研究却表明，水平管中的长气泡具有明显的 漂移速度。b e n d i k s e n ( 1 9 8 4 ) 1 4 4 1 认 ，如果长气泡的鼻端从水平管的上部移 至管道的中心位置，则漂移速度可近似看作为零。同时他还认为，滑脱系 数c 和漂移速度都与混合流体的f r o u d e 数有关，当f r o u d e 数大于其临 界值时，c = i 2 ，u a = 0 ；而当f r o u d e 数小于其临界值时，c = i 0 5 ，u d 则由 式( 1 6 ) 来确定。p a g l i a n t i 等人( 1 9 9 6 ) 1 4 7 对油- 空气两相流进行了实验研究。 他们得到临界f r o u d e 数为6 ，且当f r o u d e 数大于6 时，c = 1 2 ；当f r o u d e 数小于6 时，c = i 1 。w e b e r 等人( 1 9 8 1 ) h 列的研究表明，水平管中长气泡的 漂移速度与e o t v o s 数有关，当e o t v o s 数小于其临界值时，长气泡的漂移速 度为零。由此可见，流体的物性将对水平管中液寨或长气泡的平移速度产 生一定的影响。 b a m e a 等a ( 1 9 9 3 ) 1 2 9 1 的研究指出，在液塞移动过程中，位于短液塞后 面的长气泡的平移速度要大于位于长液塞后面的长气泡的平移速度。n y d a l 等人( 1 9 9 2 ) 2 8 j 还对液塞平移速度的统计特性进行了研究。结果表明，液塞 平移速度不是一个常值，而是在时间轴上呈正态分布。他们认为，发生此 种情况的原因是液塞前面的液膜持液率波动的结果。 ( 2 ) 液塞长度研究 d u k l e r 等人( 1 9 7 5 ) 口6 j 对水平管段塞流的试验研究表明，稳定液塞长度 对气液相流量变化的反应并不敏感，通常为管径d 的1 2 3 0 倍。n i c h o l s o n 等人( 1 9 7 8 ) 【3 7 1 认为，水平管段塞流的液塞长度为3 0 d 。 t a i t e l 等人( 1 9 8 0 ) 【4 9 】认为，液膜流进入液塞扰动了液塞的正常速度分 布，故最小稳定液塞长度与恢复正常湍流速度分布所需的距离有关。其中 液膜和液塞的混合过程可通过容器中的壁面射流进行模拟。它们将管中心 射流速度衰减至初始速度的5 定义为正常湍流速度分布恢复点，依此他们 得到垂直管段塞流的最小液塞长度为1 6 d 。b a m e a 等) k ( 1 9 8 5 ) 5 0 】将t a i t e l 等人( 1 9 8 【4 9 】确定最小稳定液塞长度的方法应用于水平管，得到水平管最 1 0 石油大学( 华尔) 硕士论文 绪论 小稳定液塞长度为3 2 d 。这一结果与大多数研究者得到的水平管平均液塞 长度3 0 d 极为接近。c o o k 等j k ( 2 0 0 0 ) 喳1 的试验研究得到的水平管最小稳定 液塞长度为1 0 d 。可见，在最小稳定液塞氏度这一问题上还存在着分歧。 d u k l e r 等人f 1 9 8 5 ) 旧提出了计算稳定液塞长度的物理模型。其基本思 想是通过求解两壁面问平行流的边界层方程来确定稳定液塞长度。对于水 平管，由该模型得到的稳定液塞长度范围为1 0 4 0 d 。模拟结果基本上与相 关研究者的试验结果相符。b a r n e a 等x ( 1 9 9 3 ) 1 2 9 1 提出了液塞长度分布预测 模型。利用该模型得到，在小的混合速度( 小于o 2 6 r r d s ) f ，稳定液塞长 度为1 0 d ；而在较大的混合速度( 大于1 5 m s ) 下，稳定液塞长度增大为 1 5 d 。c o o k 等人( 2 0 0 0 ) f 5 1 】基于b a r n e a 和t a i t e l ( 1 9 9 3 ) 2 9 】的模型设计了一个水 平管液塞长度分布预测模型，他们得到以平均液塞长度为最小稳定液塞长 度的1 5 倍为标准时液塞充分发展所需管长大致为5 0 0 6 0 0 d 。 n o r r i s ( 1 9 8 2 ) 5 3 】以及s c o t t 等1 k ( 1 9 8 9 ) ”j 在不同管径的管道中进行试验 研究后得出结论，水平管平均液塞长度是管径的函数。s c o t t 等人( 1 9 9 0 ) t 2 5 】 研究了液塞长度在m a n d h a n e 流型图上的分布，他们发现，长液塞一般分 布于段塞流的流型转变边界；而短液塞则分布于转变区以内。 f a i r h u r s t ( 1 9 8 8 ) 5 5 】以及f u c h s 等j k ( 1 9 8 9 ) 5 6 】对大直径管道中液塞长度的测量 也证实了长度较大的液塞均分布于流型转变区附近这一现象。s a e t h e r 等人 ( 1 9 9 0 ) f 7 】的研究表明，液塞长度与气液混合速度有一定的依赖关系，即随 着混合速度的增大，液塞长度也有所增大。由此可见，液塞长度不仅仅是 管径的函数，而应是一个多参数相关的函数。 b r i l l 等人( 1 9 8 1 ) 【3 2 】对大尺寸管道中的测量数据分析后提出，水平管段 塞流的液塞长度呈对数正态分布。n y d a l 等) k ( 1 9 9 2 ) 幽】对小管径水平管道中 的液塞长度的测量结果也证明了液塞长度呈对数正态分布。而d h u l e s i a 和 h u s t v e d t ( 1 9 9 3 ) 口3 j 的研究则发现了液塞长度呈反高斯分布的结论。s a e t h e r 等x ( 1 9 9 0 ) 5 日的研究还表明水平管中的液塞长度分布遵循分形统计规律。 可见，不同研究者得出的液塞长度分布是有所差异的。b a r n e a 等人( 1 9 9 3 ) 2 9 指出，在水平管中，如果管道入口处的液塞长度分布发生变化，一般不会 影响发展过程中的液塞长度分布、完全发展的液塞长度分布、平均液塞长 度、最大液塞长度以及液塞长度的标准偏差等，即它们对入口液塞长度分 布不敏感。s a e t h e r 等人( 1 9 9 0 ) 瞄”认为，当给定h u r s t 指数、平均液塞长度 以及其标准差时，运用他们称为连续随机加法的方法可以推测出此时管内 1 l 石油大学( 华东) 硕士论文 绪论 的液塞长度分布。f a b r e 争k ( 1 9 9 2 ) 2 1 指出，对于给定的流体和流量，液塞 长度的统计平均值及其标准偏差会随管径的增大而增大；并且液塞长度的 分散性也会沿流动方向增大。 从以上的研究状况可以看出，对于水平管段塞流，影响液塞长度的因 素很多，如何抓住其中的主要因素得出通用的液塞长度是多相流领域亟待 解决的问题之一。目前，大多数研究者都认同n i c h o l s o n 等) k ( 1 9 7 8 ) 3 7 1 提出 的液塞长度模型，即认为3 0 d 是水平管段塞流中的液塞平均长度。如上所 述，这一模型也正面临着严峻的考验。 1 2 , 4 流量瞬变条件下段塞流流动特性研究 段塞流的流量瞬变过程是指时均流量在短时间内从一个基本不变的值 改变到另一个基本不变的值的过程。可以是将某一相流量固定，而快速改 变另一相的流量；也可以是两相流量同时改变。通过流量瞬变特性研究可 以分析段塞流各相流量波动时其流动特性的变化规律。在油气混输过程中， 系统的停输、再启动、清管、输量调整以及发生事故( 泄漏或堵塞) ，甚至 在系统的正常运转情况下，都要涉及到气液流量的瞬变现象。因此，研究 流量瞬变条件下的段塞流流动特性具有重要的实际意义。 k i n g 等