（油气田开发工程专业论文）垂直井筒两相流温度场计算方法研究与应用.pdf

r e s e a r c ha n d a p p l i c a t i o no ft e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o nf o r t w o - p h a s ef l o wi nv e r t i c a lp i p e s y u x i a o - d a n ( o i l & g a sf i e l dd e v e l o p m e n te 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 im i n g - z h o n g a b s t r a c t t h ep h y s i c a l p r o p e r t y a n dt h e o l o g i c a lb e h a v i o r p a r a m e t e r s o ft h e m u l t i p h a s ef l o wi nt h ew e l l b o r ea r es e n s i b l ef u n c t i o n so ft e m p e r a t u r e h e n c e ， a 酗c a l c u l a t i o no ft e m p e n m n ed i s t r i b u t i o ni st h es i g n i f i c a n tb a s e m e n to f f o r e c a s t i n g i t s p r e s s u r ed i s t r i b u t i o n ，p r o c e e d i n go p t i m i z a t i o np r o c e d u r ea n d a n a l y s i so f i t sb e h a v i o r a i m e da tt h ea c t u a lp r o d u c t i o ni no i l g a sf i e l dd e v e l o p m e n t ，a n db a s e do n m u l t i p h a s ef l o wm e c h a n i c sa n dt h e r m a lc o n d u c t i o nt h e o r y , t h et h e s i se s t a b l i s h e s am a t h e m a t i c a lm o d e lw h i c hi n c l u d e ss t e a d y s t a t eh e a tt r a n s f e ri nt h ew e l l b o r e a n du n s t e a d y - s t a t eh e a tc o n d u e t i o ni nt h ef o r m a t i o n t w o p h a s ef l o wm o d e li s a d o p t e di nc a l c u l a t i n gc o e f f i c i e n to f h e a tt r a n s f e r m o r e o v e r , i no r d e rt os i m p l i f y c a l c u l a t i o n , t h em o d e lc o l l a t e sa n de s t a b l i s h e se x p e r i m e n t a lt w o p h a s eh e a t t r a n s f e rr e l a t i o n sf o rt h eu s eo f d i f f e r e n tf l o wp a t t e n sa n dm e d i u m s a c c o r d i n gt ot h em o d e l ，n o to n l y a s s o r t a t i v et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n p r o f a m m e so fs o m eo fp e t r o l e u me n g i n e e r i n g sw h i c hc o n t a i nc o n v e n t i o n a l w e l l ，e l e c t r i c a lh e a t i n g ，h o tf l u i di n j e c t i o na n ds t e a mi n j e e t i o na r ec o m p o s e d ，b u t a l s ot h ec o m p a r a t i v ea n a l y s i sb e t w e e ns i n g l e p h a s ef l o wa n dt w o p h a s ef l o w t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o ni sd o n e f o rt h eh o tf l u i di n j e c t i o nw e l l ，t h ea f f e c t i n g f a c t o r so nt h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o nh a v eb e e na n a l y z e du n d e rt h ed e n s i t y , s p e c i f i ch e a t ，f l o wr a t ea n dt h et e m p e r a t u r eo fi n j e c t e d h o tf l u i d f o rt h e e l e c t r i c a lh e a l i n gw e l l ，d i f f e r e n th e a t i n ge f f i c i e n e i e sh a v eb e e na n a l y z e d f o rt h e s w a m ii n j e c t i o nw e l l ，t h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o nm a dt h ed r y n e s sf r a c t i o n d i a w i b u t i o nh a v eb e e nc o u n t e d ，f r o ma b o v eo n , s o m ec o n c l u s i o n sa n d s u g g e s t i o n sa r co b t a i n e d k e yw o r d s ：v e r t i c a lt u b e ，t w o p h a s ef l o w , t e m p e r a t u r ef i e l d ，h e a tt r a n s f e r c o e f f i c i e n t 独创性声明 本人声明所里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，也不包含为获得中国石油大 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：盟 如7 年年月f 弓日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国石油大学有关保留、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。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 学生躲乏蛆加7 年牟月，；日 导师签名：霪生l 砷年 4 月 ，日 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 第1 章前言 1 1 研究的目的及意义 众所周知，原油及天然气的物性参数都是随着压力和温度的变化而变 化。即井筒内流体的物性参数依赖于准确的温度场模型，而现有的温度场 计算模型都是基于单相流传热，为了改善计算的准确度，应采用两相流传 热模型。 在石油的生产、运输过程中广泛存在着气液的两相流动。与单相传热 和两相流体力学相比，对两相传热的理解还不是很透彻。这一方面是由于 两相流动的复杂性，另一方面也是由于该课题还没有深入地展开。事实上， 两相流传热是一个至关紧要的课题。 两相流的传热还可应用在热力采油的石油开采方面。准确地预测注蒸 汽井井筒内蒸汽的压力、温度和干度等参数的变化，对注蒸汽热力采油来 说是非常重要的。因此，根据传热学和两相流原理，建立井简注蒸汽两相 流动精确的数学模型也是十分重要的。 另外，随着石油和天然气的生产正在向深海领域发展，海底生产系统 的开发就越发频繁。由于原油埋藏深度的加深，远距离输送f 从油层向井底 设备) 的都是多相流系统。因此，需要知道流体在流动过程中的状态( 包括流 体力学和热学) 。其中，预测海底管线相关问题，例如蜡的沉积、腐蚀、水 合物、冷却油管线的启动等问题在石油工业中都是具有挑战的问题。以上 问题的预测、预防和纠正都部分依赖于精确的传热模型。例如，传热模型 在蜡的沉积厚度计算里面是使用最广泛的模型。也就是说，由精确的传热 模型，可得到传热系数；通过传热系数，就能得出井筒内的温度分布。因 此，就能够计算边界层温度，从而计算引起蜡沉积的驱动力和老化系数， 然后根据蜡的沉积速度就能采取补救措施。 然而，与多相流流体力学相比，相关文献中很少有关于两相流传热的 实验数据和模型研究。对比单相传热系数和两相流体力学，两相传热更加 复杂，因为对于不同特定流型的传热机理是不同的。因此，需要找寻适合 石油开采过程中计算井筒温度场的两相流传热模型，从而指导石油开采过 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第l 章前言 程o 1 2 国内外研究现状 1 2 1 两相流的研究现状 由于气液两相流动具有可变形的界面和一个可压缩的气相，使其成为 两相流动中最复杂的一种。资料分析表明，井筒气液两相垂直管流的研究 大多集中于2 0 世纪七八十年代，进入八十年代后的研究较少【l 卅；六十年代 以后的研究多数都集中在考虑流动型态的气液两相和油、水、气三相流动 的力学模型研究之上，有些研究是在特定条件下将油，水整体作为液相与 气相组成的简化两相流动。先期的大多数研究只是基于实验室数据或是局 部现场数据的汇总和数学处理，因而所得到的每一种模型在精度及实用性 等方面都有其自身的局限性：而近十多年的相关研究表明，依靠扩充的现 场油井数据库，结合不同流态转化的经典表达式所进行的预测，结果相当 令人满意，并且能很好地与实际数据相吻合。 o r k i s z e v s k i 4 对已经发表了的几种主要方法加以分析综合之后，提出了 自己的方法。o r k i s z e w s k i 认为垂直管中三相流体有四种流动型态：( 1 ) 泡流， 气体为分散相，液体为连续相；( 2 ) 段塞流，气体为分散相，液体为连续相； ( 3 ) 过渡流，一段气相，一段液相，无连续相；( 4 ) 环雾流，液体为分散相， 气体为连续相。 a z i z 、o o v i e r 并q f o g a r a s i 5 】提出了另一种方法：将油气井中的流动型态 划分为泡状流、弹状流、过渡型态、环状流和雾状流，建立了这些流型之 间的转变界限。并在在密度和摩擦损失项中，通过气液两相分离作用，引 入当地气相体积因素。 h a s a n 与k a b i r 6 1 合作对垂直油井中油气水混合物的流动特性进行了一 系列研究。他们运用垂直管内气液两相流动的研究成果，提出了区分油井 中油气水混合物流动型态的新方法，并得出了各流型条件下截面含气率及 压力梯度的计算方法。 a n s a r i m 等对井筒中的气液两相流动进行了研究，他们在前人工作的基 础上，给出了井筒中气液两相流的流型预测方法，并对各种流动型态的流 2 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 动机理和特点进行了分析，建立了描述泡状流、段塞流和环流流动特性的 模型。 k a y a 嵋j 对前人的力学模型进行总结和修正，利用扩大的t u f f p 油井数 据库进行评价，对该模型进行压降预测的同时也和a n s a r i 等人、 h a s a n k a b i r 、c h o k s h i 和t e n g e s d a l 力学模型，以及a z i z 等人、h a g e d o m 和 b r o w n 的相关式进行了比较，研究结果表明此模型与数据较吻合。 t a i t e 、b o m e a 和d u k l d 研从一种流型到另一种流型转变发生的机理出发 解释和预测了转变条件。他们提出了描述转变的物理模型，发展了理论基 础的转变方程，以构造流型图，较全面地考虑了影响流型转变的各种因素， 使应用范围变宽。 上个世纪七十年代中后期以来，不少学者开始从寻找流型转变的机理 着手，提出描述流型转变的物理模型，以此来构造转变的数学方程，并通 过这些方程来建立流型图。这种理论或半理论的关系式对预测流型的存在， 以及是否会发生流型转变有很大的参考价值。对于垂直向上流动，在理论 模型方面有：t a i t e l 和d u k l e r t 、m c q u i l l a n 和w h a l l e y 、m i s h i m a 和i s h i i 、b i l i e k i 和k e s t i n 、h a s a n 和k a b i r 等人的研究。我国西安交通大学的陈宣政等人也从 各流型流动机理方面入手，取得了一定的研究成果。 1 2 2 井筒温度场的研究现状 近年来，热力采油工艺在国内外许多油田得以应用，对井筒温度场的 计算方法也越来越精确。目前有不少文献介绍过井筒温度场的计算方法。 从1 9 6 2 年雷米( r a m e y ) 的文章发表以来，国内外已经建立了许多并筒热传 递的数学模型并取得了一定的成果。 h j r a m e y ，j r 和s a t e r t ”j 通过建立和使用更符合实际情况的简化的并筒 传热模型，建立了井眼温度与深度和注入时间的函数关系式，它是在只有 油管或套管内有流体流动，而地层没有流体流动的条件下建立起来的。 r j s t e f e n s e n 和r c s m i t h i 】讨论了不同注水环境下的温度分布规律以 及井喷、射孔等对井筒温度剖面的影响。 杨克远【i2 】等人建立了用于抽油机井热洗清蜡过程的数学模型，并且在 热洗水各种温度和压力以及各种地层条件下进行了数值模拟。模拟结果揭 3 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 示了热洗清蜡的规律，可以指导热洗清蜡的最佳操作。 汪泓1 1 3 运用传热学理论，通过对稠油从井底流出井筒的温度变化、井 简原油与地层之间热交换过程的传热机理研究，建立数学模型，可以模拟 不同产量、不同含水的井筒温度剖面，以及电加热所需功率，从而为稠油 井电加热生产方案的制定提供科学依据。 王杰祥和张红1 1 4 】在对常规井筒温度场进行了计算的基础上，根据能量 守恒定律及传热学原理，考虑由井筒向地层传热及电机、电缆散热，推导 出了电潜泵井生产流体沿井筒的温度分布计算模型，并对某一井深为 1 8 0 0 m 的电潜泵生产井进行了模拟计算。 胡耀江和施明恒i i5 】建立了被水饱和的一维多孔介质中一端注入蒸汽后 热液区温度分布的数学模型，导出了向半无限大侧向介质散热的热流密度 项，以及以凝结前缘运动速度表示的控制方程中对流项系数的具体表达式 考虑了水蒸汽凝结前缘这一移动边界条件，提出了运用拉氏变换及数值反 演求解此问题的一种计算方法，获得的计算值与实验结果一致。 宋辉1 1 6 】应用有限元方法，以闭式热水循环采油方式及轴对称对流传导 方程为计算模型，研究了不同工作参数下井筒温度场随时间的变化规律， 分析了异常条件下如停产、停注、停止热水循环等对井筒温度场的影响程 度，从而解决了油井投产前暖井时间、油管凝堵时解凝时间的计算问题。 彭轩、刘蜀知i l7 j 根据热平衡方程，建立了自生热压裂过程中井筒温度 场的数学模型，采用隐式差分格式建立了数值计算方程，并对一口井进行 了实例计算和分析。 刘晓燕、李刨埽】在考虑大地温度场沿深度方向线性变化的基础上，建 立了采油井筒径向稳态传热、轴向非稳态传热的物理模型及数学模型，并 进行了简化，给出油水混合物沿井筒轴向的温度变化规律。结合大庆油田， 对不同参数下的井简出口油水混合物温度进行了计算，分析了井深、油管 尺寸及油井产液量对出口油水混合物温度的影响，并对油管是否旋转对计 算结果的影响进行了对比分析。 李子丰1 1 9 从水蒸汽的热力学性质入手，结合稠油热采方法。建立了用 于计算蒸汽、油管、套管和地层动态温度场的数学模型。 4 中国石油大学( 华东) 硕士论文第l 章前言 徐玉兵、崔孝秉1 2 川对一般井况的熟采工艺进行了分析计算，并根据计 算结果提出了相应的工艺原则，为注蒸汽热力工艺参数的设计提供了一定 的理论基础。他们利用两相流理论和传热学原理分别建立了基本符合现场 实际的注蒸汽井筒( 包括井筒外部受热地层) 的温度场分布模型及井筒内部 的蒸汽流动模型。 杨德伟、黄善波口i 】等人根据传热学和两相流原理，建立了并筒注蒸汽 两相流动的数学模型。准确地预测注蒸汽井井简内蒸汽的压力、温度和干 度等参数的变化；选择了四种方法来计算摩阻压降，并与现场测得的实际 数据进行了比较。计算结果表明，采用分离模型的f r i e d d 方法和流型模型的 b b 方法均能得出比较理想的结果。 王弥康脚j 阐述了每一部分热阻的数学模型及其解法，重点剖析了处理 非稳态的各种半解析方法，并根据现场实际条件，对各种方法进行了计算 比较。推荐用于计算注蒸汽井筒热损失的较好关系式。 赵金洲和任书泉【2 3 】建立了注液过程中井筒内液体与周围地层换热的隐 式差分模型，对井筒内的温度场进行了计算。 王鸿勋和李平1 2 4 j 在埃克梅尔等人提出的基本算法的基础上，提出了新 的非稳态井简传热的计算方法，并考虑了注入液到达目的层以前，井简原 有积液与井筒、水泥环及地层的热交换。 曲海潮【2 5 】等人提出了利用简便易行的热阻热容算式取代传统使用的有 限差分法来离散建立的数学模型，模拟研究中综合考虑了热传导、对流 换热、热辐射等传热方式，并根据实际情况将导热系数、液体密度、比热 等热物性参数当作变量来处理。 高学仕 2 6 l 等人利用有限元分析软件a n s y s 分析了并筒的瞬态传热，分 析结果表明，随着注入的进行，在模型任意位置的径向热流量均逐渐减小， 能量损耗随着注入周期的延长而下降，因此，适当延长注入周期有利于节 省能源，如果不能延长注入时间，则可以通过适当地增大单位时间的注入 量来降低能量损失。 赵刚、马远乐1 2 ”等人在研究中得到了闭式热流体循环解析解，并讨论 了参数处理和程序设计等应用中遇到的问题并将低温核供热堆应用于油田 5 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第l 章前言 的可行性研究。 董长银和张琪脚1 考虑环空产出液与油管掺入液及地层之间的双重传导 作用，同时考虑了有液体相变导致的焦耳一汤母森效应，建立了稠油泵井筒 流体温度分布数学模型，并研究了温度分布随时闻的变化规律。 毛伟和梁政【2 9 1 假设井筒中的传热为稳态传热，井筒周围地层的传热为 非稳态传热的条件，根据能量守恒定律建立了计算井筒温度分布的数学模 型，利用半解析和解析的方法进行了计算。 1 2 3 地层中温度场的研究现状 j e c h a p p e l e a r 希l c w v o l e k 【3 0 】建立了热注的数学模型，主要目的是了解 热水注入地层的情况，但是没有考虑油水两相所导致的不稳定性。 e j w i t c r h o l t 和m p t i x i r 0 3 l 】给出了包括关井情况的注水井中井筒和地 层温度的计算公式。 m t h o m p s o n 和t m b g c s s f 3 2 l 对钻井时的井下泥浆温度进行了预测，考 虑了地层的热传导和泥浆的热对流作用。 m d e i r u t e 3 3 1 在地层内存在径向和纵向传导的情况下，模拟了关井后 的温度剖面。 f r e d e r i cm a u b e u g e ，m i c h e lp d i d e k ，m a r t y nb b e a r d s e l l f 3 4 j 提出了一个 多层注入模型，这个新的温度场模型考虑了由于流体减压以及流体和多孔 介质摩擦生热引起的温度变化，能够预测井眼和地层中的流速和温度。 a h 嬲粕和c s i r m b i 9 3 5 】在给出正确的初边值条件下，建立了一维径向 热传递模型。 i l c s m i t h 和l 乙j s t e f e n s e n l 3 6 j 提出了利用温度测井的计算机分析估计流 动剖面。他们通过改变影响温度特性的参数，对注水井的温度测井进行了 详细的研究，研究结果表明温度测井对地层的热学特性以及井眼的几何形 状具有敏感性；另外还指出了注入水的温度和小流量的漏失对温度测井的 影响，并对温度测井解释提出了指导性意见。 j o h nf a g l e y 等口刀对关井前后井筒的热传递进行了数值模拟，提出关井 前一段时间的热注是一种解释老井注入剖面的潜在的重要工具。 袁益让【3 叼针对在油藏中水驱油的流动和传热问题提出了多孔介质中完 6 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 全可压缩、可混溶驱动问题的差分方法。 郭春秋和李颖川【3 9 】在假设井筒内传热为稳态传热，地层传热为不稳态 传热的情况下，进行了气井压力温度预测综合数值模拟。 冯恩民1 4 0 1 等人在建立的温度模型中，除了考虑热传导外，特别强调了 水井中与油层内传质传热，构造了关于导热系数、比热等参变量的优化识 别模型。 综上所述，到目前为至，还没有一套专门用于计算井简内两相传热的 数学模型。因此，本文要在以上理论的基础上开发计算井筒内两相传热的 计算程序。 1 3 论文的理论依据与主要内容 ( 1 ) 论文的理论依据 根据气液两相流流动状态和传热综合模型，采用b e g g s b r i l l l 4 1 】的两相流 动压力降计算方法，建立符合实际情况的垂直井筒温度场数学模型。 ( 2 ) 主要研究内容 本文就井简温度场计算及两相流等相关问题进行了研究： 在国内外气液两相流动和传热的基础上，对两相流的流型及两相对 流换热系数的计算模型进行了研究，针对不同流动型态下的对流换热系数， 选择合适的经验关系式以便于简化计算。 深入细致地分析垂直井筒及地层的流动和传热机理，根据不同的开 采工艺建立不同的具有两相流动的井筒温度场模型，模型同时包含井筒内 的稳态传热计算和地层的非稳态导热计算两部分。 以空气和水为两相介质，对两相对流换热系数进行实例计算，并分 析气相流量对两相对流换热系数的影响。 对不同开采工艺的温度场模型进行实例计算。其中，对常规井、注 热流体循环井和电加热井，分别用单相流和两相流计算方法进行井筒温度 场的计算，并对结果进行分析。 根据实例计算结果。对热流体循环井，分析热流体密度、比热、流 量和注入温度对井筒温度的影响；对电加热井，分析不同加热功率对井简 7 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 温度的影响；对注蒸汽采油井，分析井筒内温度分布和干度分布。 编制了配套的常规采油、电加热采油、注热流体采油和注蒸汽采油 井筒温度场计算程序。 8 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章井简内两相流体流动的传热 第2 章井筒内两相流体流动的传热 准确计算井筒温度场分布，需要精确的传热模型。多年来，许多学者 进行的井筒温度场计算都是基于单相流传热模型。而石油系统中的传热主 要是两相流传热模型，两相流传热主要体现在对流换热系数上。因此，本 章将主要从两相对流换热系数的相关理论进行阐述。 由于不同的气液两相流模型具有不同的水动力学和传热特性，因而研 究管内气液两相流流型对于存在气液两相流的井简内两相对流换热系数的 计算也是十分必要的。 2 1 气液两相流的流型 对两相流，由于气、液两相均可变形，两相界面将不断变化，从而两 相介质的分布状态也不断改变，这使流动问题大为复杂，但是流动型态同 样是影响流动的重要因素。两相流流动型态及其过渡特征的研究，是两相 流研究中最基本也是最重要的问题之一。任何真正反映现象特征或本质， 并能最精确地预报两相流动各特征的两相流模型，都必须以对流动型态及 其过渡的深入细致的观察，对各种特定流动型态的属性、规律及其相互间 转变的机理和条件的掌握为基础或前提，并针对特定的流动型态进行相应 的数学描述。 此外，流动型态还与管道尺寸、管截面形状、管道角度、所处的重力 场、介质的表面张力、壁面及相界面问的剪切应力等因素有密切关系。垂 直管路的流动型态主要由不同的气液速度决定的。 2 1 1 垂直井筒气液两相流流型划分 油气混和物的流动结构是指流动过程中油、气的分布状态，简称流型。 它与油气体积比、流速及油气的界面性质有关。不同流动结构的混和物有 各自的流动规律。在垂直井筒的气液两相管路中，划分三种流型，如图2 1 所示。在垂直管路中，层流消失，轴向上流型更加均衡，受重力影响不大。 对于垂直管路中的泡流，其特点是气体为分散相，液体是连续相；气体主 要影响混和物密度，对摩擦阻力的影响不大；滑脱现象比较严重。对于段 塞流，它的流动沿轴向均衡，大管径的t a y l o r 泡几乎相当于管径；其中， 9 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章井筒内两相流体流动的传热 气体呈分散相，液体是连续相，气液交替出现。对于环状流，气液两相是 连续的，气体的举油作用主要是靠摩擦携带。 从以上的介绍可以看出，以上流型的流体力学机理和表现都各不相同。 一些流型相对来说有很少的气相，如泡流和段塞流：一些流型有大量的气 相，如环状流。 泡流段塞流环状流 图2 1 垂直井筒中气液混合物的流动型态 正如我们所知的那样，流体的成分决定着传热的表现。因此，两相流 动的传热取决于气液组成和它们的流动速度。这也就说明了传热模型的复 杂性。 2 1 2 影响气液两相流流型的因素 影响流型的因素很多，主要有以下几项：流体的物理性质、流量和流 道的几何形状等。下面分别说明各因素对流型的影响。 ( 1 ) 流体流量 各相流体的流量及比例是影响流型的最主要因素。对于直径一定的管 线而言，流量的大小可以通过各耜的表观速度来表示。不同的气液表观速 度可能导致管路中不同的流型。目前，大多数工业流型图都是根据各相表 观速度来划分的。 ( 2 ) 流体的物理性质 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章井筒内两相流体流动的传热 流体的流型转换与其物理性质有着密切的联系。在气液两相流动中， 液相粘度对流型的影响较大。在恒定液体流速下，液体粘度越大。由气泡 流转变为冲击流所需要的气体流量越小。另外，气相和液相的密度比也会 在不同程度上影响流型的变化。 ( 3 ) 管径 管径对流型过渡区的影晌很大。在气液两相流中。当管径加大时，需 增大液相表观速度才能获得段塞流。此时，如果气速较小则可获得环状流。 在气体表观速度很大时，管径对流型的影响将交得很微弱。管径对流型的 影响还表现为对各相间作用力的影响，相间作用力与流体润湿角密切相关， 而管径则是决定润湿角大小的重要因素。 ( 4 ) 管子倾角 管子倾角对流型转变有非常重要的影响，s h o h a m 用实验说明了在层流 向非层流的转变过程中，即使管子倾角发生很小的改变，也会对流动型态 有很大影响。 2 2 双组分气液两相对流换热系数的研究 2 2 1 流体表观流速对两相对流换热系数的影响 两相对流换热系数h ，在确定的液体表观流速v 。下与气体的表观流 j 枣v s g 有一定的关系。一般来说，在”曲确定时，v 。越大，h ，的值越大。在 泡流区，在一定对，砩的值随着7 艮的增加而缓慢增加a 在间歇流区，”殛 的增加，但h ，的值保持不变直到到达间歇一环状流过渡区。在间歇一环状 流过渡区，相对来说，两相对流换热系数h 。的值在低v 舭时增加，在高v 。时 减少。在环状流区，在一定时，h r p 的值随着的增加而缓慢增加。 两相对流换热系数的加强是由于气相的增加，定义为矗，k 。它的值 在泡流和间歇流中快速增加，在环状流中缓慢增加。 2 2 2 两相对流换热系数的相关式 两相对流换热系数主要体现在不同的经验或实验关系式上，主要分为 以下四个方面： 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章井筒内两相流体流动的传热 ( 1 ) 针对两相流传热的修正s i e , d e r - t a t e 相关式 4 2 - 5 1 】 由于许多研究者认为两相流的传热机理与单相流非常类似，所以 s i e d e r - t a t e 建立的单相传热相关式被修正以满足两相传热的数据。在对该式 进行修正的过程中，人们一般在因次分析的基础上引入另外的无因次量， 或者采用均相模型或分相模型的概念来修正单相流参数。 g r o o t h u i s 和h e n d a l 对气液混合物( 空气水和空气一汽油) 的传热进行 了研究，并依据结果提出了经验关联式。他们指出经验关联式会影响实验 结果，并将空气一水和空气一汽油的两相传热系数分别换算到1 4 0 f 和 2 0 3 下的壁温条件下。 k n o t t 和a n d e r s o n 测量了在均匀热流条件下一定粘度的油和氮气混合 物的传热规律，尽管s i e d e r - t a t e 公式只适用于常壁温条件，但它也被用于 常热流条件。 d a v i s 和d a v i d 采用了滑脱模型建立了气液两相的传热相关式。其实验 数据出于环状流和环雾流下的纯对流( 没有核态沸腾) 换热数据。 o l i v e r 和w r i g h t 对水平气液段塞流( 层流条件下) 的传热规律进行了实 验研究。他们认为段塞流传热的强化部分是因为液相速度的增加，另一个 原因是由于液相段塞中出现回流。 k u d i r k a 等研究了低干度下的泡流流动和传热规律，两相流动是分别将 气体从多孔管壁引入垂直向上流动的水和乙烯基乙二醇中而得到的。 u e d a 和h a n a o k a 得到了垂直向上气液混合物平均换热系数的实验结 果。他们研究了液相流速、空隙率、液相普朗特数对换热系数的影响。 o l i v e r 和y o u n g 采用假塑性流体研究了气液段塞流的传热规律，并在 试验中控制了段塞的长度。 c h u 和j o n e s 研究了垂直向上及向下条件下非沸腾两相流的传热规律。 实验证明，在相同的气相和液相质量流速下，垂直向下非沸腾两相流的换 热系数要高于垂直向上流动的情况。 s h a h 提出了覆盖较宽流动参数的层流和湍流条件下两相流换热系数的 相关式。 e l a m v a l u t h i 和s r i n i v a s 得到了非沸腾条件下两相流压降以及单相流和 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章井筒内两相流体流动的传热 两相流传热的实验数据。水空气和空气一甘油的两相流压降数据符合 l o e k h a r t m a r t i n e l l i 相关式。 ( 2 ) 传热的l o c k h a r t m a r t i n e l l i 型相关式【5 2 4 习 该方法中，两相传热数据应用l o c k h a r t 和m a r t i n e l l i 提出的两相流与单 相流压降之比来关联。该方法采用两个参数来反映流动特征：两相流与单 相流的压降之比妒，声= 饵；两相流与单相流的传热系数之比， 甲= h e 。以下研究者试图利用l o e k h a r t - m a r t i n e l l i 因子庐以及不同的系 数和指数来预测。 f i r e d 研究了水平管道中空气一水混合物( 两相都为湍流) 的流动和传热 规律，他们采用两相传热系数与单相换热系数的比值( 甲2 ) 及两相摩擦压降 比率( 2 ) 之间的关系来处理试验结果。换热系数由对数平均温差和积分平 均温差来计算，且作者认为后者更为准确。 s e r i z a w a 等研究了径向湍流热扩散系数以分析单相流和气一水两相流 内管道中心区域气泡对传热系数的影响。他们认为在热量、动量以及气泡 的传递过程中，液相的湍流速度成分是主要的影响因素。 v i j a y 等采用甘油一空气、水一空气、水一氦气以及水一氟利昂1 2 进 行了垂直向上管道中的两相两组分强迫对流试验。他们采用f r i e d 针对水平 两相两组分流动提出的坐标系来处理数据，并得到了l o c k h a r t - m a r t i n e l l i 形 式的传热相关式。 ( 3 ) 包含空隙率参数的两相流换热相关式【5 c 6 0 该类方法的某些相关式是基于以下假设：引入加热段的气体仅仅起到 加速液相的作用，且热量主要由液相传递和携带。这样，两相传热的机理 可以看作向加热段中以实际平均流速( 而非表观流速) 流动的单相液流的传 热。因此，空隙率参数便出现在两相传熟相关式中。然而，研究人员在各 自的相关式中采用不同的单相流换热相关式会导致无因次系数和指数的微 小差别。另外，也有些研究者将两相流传热机理直接与气液两相的瞬时流 量比相关。这样，他们将空隙率或持液率作为两相传热的一个参数。 h u g h m a r k 依据气相段塞速度和液相段塞雷诺数的关系建立了水平气 1 3 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章井筒内两相流体流动的传热 液段塞流的换热系数相关式。他假设全部的管壁被液相润湿且在液相和管 壁之间为连续的液体，因而也仅仅存在管壁和液相段塞之间的传热。他们 在得到两相摩擦系数的基础上采用了动量和热量传递相似的理论。 d o r r e s t e i j n 在直径7 0 m m 的电加热垂直向上和向下管道中研究了非沸 腾空气一油两相流动的强迫对流换热系数。实验中出现的流型为泡流和沫 状流。 a g g o u r 采用不同的气体研究了气相密度对垂直管道中两相流的局部平 均换热系数、压降和流型的影响。他们提供了流型的照片以及与之相对应 的换热系数、摩擦压降的测量结果，并将结果以j a y 提出的修正s p a l d i l l g 理论来关联。他们还建立了预测j l ，的简单相关式，该式以单相流模型为基 础，而其中的雷诺数的计算采用两相流中液相的平均速度。 鼬出a l l a h 和s i m s 采用不同研究者的1 3 种气液混合物的数据检验了1 1 个已有的垂直两相流换热系数相关式。数据集包含了不同的气液物理性质、 管径和流型。在对比的基础上，他们推荐了两个垂直层流和湍流条件下的 换热系数相关式。 ( 4 ) 简化的数值或解析方法 在气液两相流的众多流型中，有些流型本来就属于非稳态过程，每个 过流断面的局部质量流量和相分布都随时间发生很大的变化。因而会出现 局部热流密度、换热系数以及壁温的振荡。于是，某些研究者立足于预测 非稳态的时间平均热流密度或换热系数。在该类方法中，有些研究者采用 v o nk a r m a n 的相似理论。当设计者关心这些随时间变化的特性时，必须求 解流动和传热的复杂方程组。然而，在绝大多数设计者关心的场合，得到 平均换热系数就足够了。所以一些研究者便试图提供平均换热系数，而不 是去求解非稳态的温度和传热方程。 d a v i s 等【6 l l 将湍流中动量和热量传递的、b nk 姗锄相似性理论应用于 研究水平气液两相分层流中透过波状液膜的传热。 n i u 针对水平气液段塞流建立了一个数值模型。该模型具有计算不同时 问和空间位置管壁和流体温度、换热系数以及热流密度的功能。 s h a h a r a b 锄y 等【6 2 】建立了实验装置来测量两相段塞流中随时间变化的 1 4 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章井筒内两相流体流动的传热 温度、热流密度和传热系数，并将温度和热流密度的脉动与n i u 的结果进 行了对比。随时间变化的管道内壁和外壁的温度被作为随时间变化的边界 条件来求解管壁热传导方程。热传导方程由有限差分法来求解，忽略轴向 导热，并在垂直管条件下运用对称的假设条件。 2 3 双组分气液两相对流换热系数的计算 多年来，有大量的数据是关于垂直和水平管路的气液两相的强迫对流 换热关系式和实验数据。现将其中部分人总结的不同传热系数的基本计算 公式介绍如下1 6 3 6 s 】： ( 1 ) a 韶a 口模型 层流： 孕= ( 1 一口) 1 胆( 2 1 ) n u l = 1 6 1 5 ( 矾们硝4 紊流： 孕：0 一口广”( 2 3 n u c = 0 0 1 5 5 ( r e 。严慨) 0 5 l 丝i ( 2 q k 砌， ( 2 ) c h ua n dj o n e s n u r e = 0 4 3 ( r 严魄，啦治 睁厂 ， ( 3 ) d a v i sa n dd a v i d 岭嘶0 ( 圹( 等卜尸 ， ( 4 ) d o r r e s t e i j n 层流： 1 5 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第2 章井筒内两相流体流动的传热 冬生：0 一口) 帕 吃 紊流： 孕：0 一口) 枷 n u l = 0 0 1 2 3 ( r 甜9 时3 时4 ( 5 ) d u s s e a u n u 7 p = o 0 2 9 ( r e ，) o ”o ，吒) “ ( 6 ) e l a m v a l u t h ia n ds v i n i v a s 肌，一o r s ( 告厂 d ”慨) v 3 ( 等厂 ( 7 ) g r o o t h u i sa n dh e n d a l n u w = 0 0 2 9 严蚶时4 ( 8 ) h u g m a r k ，s 叫斟时4 n u w = 0 2 6 ( r e 。o 。陋。0 5 5 0 ) o 。4 ( 1 0 ) k i n g 等= 鑫1 2 o5 ( 羞) ，( 羞) 。r 2 吒 + o o 。l l 业j ，l 址儿j n u 。= o 0 2 3 ( r e 。) ”( p 吃) 0 4 ( 1 1 ) k n o t t e t a l 1 6 ( 2 - 7 ) ( 2 - 8 ) ( 2 - 9 ) 2 - 1 ( 2 - 1 1 ) ( 2 - 1 办 r 2 1 3 ) ( 2 - 1 4 、 f 2 - 1 5 ) ( 2 - 1 6 ) ( 2 d 7 ) wf一堑 + ，、 = b i 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章井筒内两相流体流动的传热 层流： n u l = 1 8 忙吼趴 紊流： n u l = 0 0 2 7 ( r d w ”( ( 1 2 ) k u d i r k a e ta l 碰詈) 班时蚶符溉y 时p s 4 ( 1 3 ) m a r t i na n ds i m s n u l = 1 8 6 ( 仇嬲硝 紊流： n u l = 0 0 2 7 ( r a ”蚶俐“ ( 1 4 ) o l i v e ra n dw r i g h t 肌开呲( 芳一詈 n u l = 1 6 1 5 ( 粤孝巩锁 ( 15 ) r a v i p u d ia n d g o d b o l d ( 2 1 8 ) ( 2 - 1 9 ) ( 2 2 0 ) 佗- 2 1 ) ( 2 2 2 ) ( 2 2 3 ) ( 2 2 4 ) ( 2 - 2 5 ) 撕，一o s 詈) ”哙 ”似e 。r 6 慨r ( 等) “4 q ( 1 6 ) r e z k a l l a ha n ds i m s 1 7 仨 舛o+ = 丝流层 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章井筒内两相流体流动的传热 鲁0 矿9 层流： n u l = 1 8 6 ( r e 。耽趴 紊流： 肌c ：0 0 2 7 ) o 。( p r l ) o ”l 石, d bj 厂、n 1 4 ( 1 7 ) s e r i z a w ae ta 1 鲁小4 6 2 x # 2 7 层流： n u l = 1 8 ( r 耽吼 紊流： n u l = 0 0 2 7 ( r 甜8 蚶( 硝 ( 1 8 ) s h a h 甜+ 玎 层流： n u l = 1 8 r e 氍观饥 紊流： n u l - - 0 啡时时4 1 8 ( 2 - 2 7 ) ( 2 2 8 ) ( 2 2 9 ) ( 2 3 0 ) ( 2 - 3 1 ) ( 2 - 3 2 ) ( 2 - 3 3 ) ( 2 - 3 4 ) ( 2 - 3 5 ) 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章井筒内两相流体流动的传热 批w = 0 0 7 5 ( r ) 0 6 丽硐p r l ( 2 - 3 6 ) ( 2 0 ) v 可a yc t a l 孕：f i z l p t d fr(2-37) l 以j 层流： n u l = 1 6 1 5 ( 魂矾们 素流： n u 。= o 0 1 5 5 ( r p 。) ”3 溉) ”i 丝l ( 2 3 9 ) 其中，k n o t t 模型、m a r t i na n ds i m s 模型、r a v i p u d ia n do o d b o l d 模型和 s e r i z a w a 模型中h l 来源于s i e d e ra n dt a t e 公式，即 层流： n u l = 1 8 魂钒硝 紊流： n u t = 0 0 2 7 ( r d ”( p r l 尸喙j 叫1 ) 、严矿 式中，掰为空隙率，无因次；