（动力工程及工程热物理专业论文）气液两相流管道振动特性研究.pdf

摘要 本文详细介绍了气液两相流特性参数和流型划分方法，从流体诱发管道振动的角度 出发，针对气液两相流不同的流动参数，通过理论计算、数值求解和管道振动测试实验 来分析研究气液两相流管道的振动特性。 首先采用两端简支梁模型，建立气液两相流管道的自由振动运动方程，推导出管道 结构的临界流速和固有频率的表达式，并编程计算管道结构物理参数和流体流动参数对 管道振动固有特性的影响。其次运用大型有限元软件，计算了气液两相流典型管段的模 态频率和振型，结果表明流体与管道的流固耦合作用对管道的模态振型基本没有影响， 但会使管道的固有频率降低；并且计算了不同压力入口条件下管道的变形和应力值。对 于水平弯管，轴向和水平方向上的变形要比垂直方向上的大，管道变形主要是由流体对 管道的冲击作用引起；弯头拐弯越平缓，管道的变形和应力值越小，并且据此提出了一 些两相流管道减振设计措施。最后，以空气和水为介质，进行了大量的管道振动测试实 验，分析管内为单相气( 不含液) 和气液两相流( 含液) 时振动频谱信号的异同，发现 在单相气中加入液相后，振动频谱频带范围明显变宽，振动能量值变大：研究了不同气 液体积流量下水平管道和不同倾角的起伏管段的振动特点；并探讨不同流型下，振动频 谱特征信号的区别，在流型判别方面作了些有益的探索。 关键词：气液两相流，管道，振动特性，测试实验 r e s e a r c ho fv i b r a t i o nc h a r a c t e l i s t i c so 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 x i ec h a o ( 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 y d e p u t yp r o f h a od i a n a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , g a s - l i q u i dt w o p h a s ef l o wp a r a m e t e r sa n df l o wp a t t e r nc l a s s i f i c a t i o n m e t h o d sa r eb r i e f l yd e s c r i b e d b a s e do nt h em e t h o d so ft h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n s ，n u m e r i c a l s o l u t i o na n dv i b r a t i o nt e s t ，t h ev i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fp i p e l i n ec o n v e y i n gg a s l i q u i d t w o p h a s ef l o wa r ea n a l y z e da n dr e s e a r c h e dw i t hd i f f e r e n tf l o wp a r a m e t e r s f i r s t l y , 晰廿lh i n g e db e a mm o d e l ，t h ef r e ev i b r a t i o ne q u a t i o no ft w o p h a s ef l o wp i p ei s e s t a b l i s h e da n dt h ei n s t a b i l i t yc r i t i c a lv e l o c i t ya n dt h en a t u r a lf r e q u e n c ya l es o l v e d t h ee f f e c t o fs t r u c t u r ep h y s i c a lp a r a m e t e r sa n df l o wp a r a m e t e r st ot h en a t u r a lf r e q u e n c yi sa n a l y z e d s e c o n d l y ，t h en a t u r a lf r e q u e n c ya n dm o d es h a p e so ft y p i c a lp i p e sa r ec a l c u l a t e db yu s i n gf e a s o f t w a r e t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ee f f e c to ff l u i d s t r u c t u r ei n t e r a c t i o nc a nb ei g n o r e dt o m o d a ls h a p e ，b u ti tm a yr e d u c et h en a t u r a lf r e q u e n c yb e s i d e s ，t h ed i s p l a c e m e n ta n ds t r e s s u n d e rd i f f e r e n ti m p o r t i n gp r e s s u r ea r ec a l c u l a t e d t oh o r i z o n t a lb e n d ，t h ed i s p l a c e m e n to f a x i a la n dh o r i z o n t a ld i r e c t i o ni sl a r g e rt h a nv e r t i c a ld i r e c t i o n t h ed i s p l a c e m e n to fp i p ei s m a i n l yc a u s e db yt h ei m p a c to ft w o - p h a s ef l o w t h ea n g l eo fe l b o wi ss m a l l e r , t h e d i s p l a c e m e n ta n ds t r e s sa r es m a l l e r t h ev i b r a t i o np r o t e c t i o nm e a s u r e so ft w o p h a s ef l o w p i p e l i n ea r ep r o v i d e d l a s t l y , w i t ha i ra n dw a t e ra sm e d i a m a n yv i b r a t i o ne x p e r i m e n t sa r e c a r r i e do u t w h e na d d i n gl i q u i dt ot h es i n g l e p h a s eg a s ，t h ef r e q u e n c yr a n g eo fv i b r a t i o n s p e c t r u mb e c o m e sw i d e ra n dt h ev i b r a t i o ne n e r g yv a l u e sb e c o m el a r g e r ；t 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 fh o r i z o n t a ls t r a i g h tp i p ea n du n d u l a t i n gp i p ea r ea n a l y z e dd e t a i l e d l y ；a n d u n d e rd i f f e r e n tf l o wp a t t e r n s ，t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ev i b r a t i o ns i g n a la l ea l s od i f f e r e n t s o m eu s e f u le x p l o r a t i o no ff l o wp a t t e md i s t i n c t i o nh a sb e e nd o n e 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 ，v i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s ，t e s t e x p e r i m e n t 1 英文字母符号表 主要符号表 管路总流通截面积，m 2 气相流通截面积，m 2 液相流通截面积，m 2 管道外径，m 管道内径，m 材料的弹性模量，g p a 结构的固有频率，h z 中心主惯性矩，m 4 体积弹性模量，g p a 管道长度，m 气液两相混合物的体积流量，m 3 s 气相的体积流量，m 3 s 液相的体积流量，m 3 s 滑动比 壁厚，m 气相速度，m s 液相速度，m s 气相折算速度，m s 液相折算速度，m s 气体等效临界流速，m s 4 4 如 见 q e 厂 ， 七 三 9 q q s ， 观 2 希腊字母表 液体等效临界流速，r r d s 气液两相混合物的质量流量，k # s 气相的质量流量，k # s 液相的质量流量，k # s 截面含气率 体积含气率 泊松比 阻尼比 密度，k g m 3 圆频率，r a d s 矿 既 f 【 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己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：一塑童丝日期：加卜年占月3 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：道查丝 指导教师签名：窭鸯龃 日期：劫卜年 日期：切向年 6 月乡日 月3 日 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 本课题来源于国家十一五重大科技专项高含硫气田集输工艺与安全控制技术 集输系统积液监测技术及规律研究。 天然气从井口经计量后由集输管线输往气体处理站。在输送过程中，由于管壁和周 围环境的换热，凝析液可能会析出。同时，随着开采的进行，气田将会出水，从而导致 管线中产生积液，形成低持液率的两相流动。由于重力的作用，液体聚积在管线的低洼 处，导致管线过流面积减小，输送效率下降，增加动力消耗，同时对管道会造成冲击和 振动【1 1 。因此，有必要对管线积液进行监测，根据积液量采取合适的清管工艺。 本国家专题目标之一是开发一套具有自主知识产权的非介入式振动测试法积液监 测系统。为此，首先从气液两相流管道振动特性的研究入手。 1 1 2 课题研究意义 气液两相流在石化厂、炼油厂和核反应堆等装置相关管系里的应用非常普遍。例如 动力工程中锅炉蒸发管中的蒸汽水两相流动，化工工业中物料输送管道和反应釜搅拌 器中的气液两相流等。当气液两相流存在与外界的热交换时，流体吸收或散热，气液比 发生变化，在局部会产生流体冲击；尤其是存在向外散热的情况时，流体中的介质蒸汽 可局部冷凝，其体积在瞬间发生很大的变化，附近液流高速移动占据这个空间，形成冲 击引起振动。同时，气液两相流因各相密度和速度差异，导致各处流动形态不完全相同， 在遇到弯头、异径管、三通、喷嘴等元件时，由于压力和动量矢量的变化，会对管 道产生激振力而引起振动。强烈的振动会造成管道及其附件，特别是管道的连接部位 和管道与附件的连接部位发生松动和破坏，长此以往容易引起泄漏。并且有些介质具有 爆炸危险性、毒性或对环境有破坏性。一旦发生重大泄露事故，将会造成人员伤亡、财 产损失、环境污染及其他巨大的经济损失。因此深入开展研究两相流体诱发管道振动的 特性，为管道系统的设计及管路的改造提供理论依据，对于管系的安全运行具有重要意 义! 1 2 管道系统振动研究现状 第一章前言 对管道振动问题的研究在2 0 世纪5 0 年代就已经开始了，但是长期以来，人们只能 对管道系统的流体动力特性和结构动力特性进行粗略分析和简单计算。直到7 0 年代初 期，管道振动问题的研究取得了突破性的进展，结合计算机的应用，才使得管道振动的 研究进入了实用性阶段。如：用一维非定常流动的理论来研究气柱的动力特性，将要处 理的数学问题归结为解二阶双曲型非线性偏微分方程组，利用计算机可以得到满足边界 条件的精确的数值解，计算值与实测值相当吻合；另外，采用有限元把框架结构固有频 率值的解析法应用于管道系统，应用计算机计算其固有频率及振型，并进一步应用所得 结果进行响应计算。 管道系统主要有两种建模方式：梁模型和圆柱壳模型。当管壁的厚度远小于管子的 其它特征如管径、管长等，并且相对于壁厚为小变形运动，满足k i r c h h o f f 假设时采用 圆柱壳模型，此时认为管子的径向刚度无限大，即管壁的径向和剪切应变为零。梁模型 适用于管截面积与惯性矩比较大和长细比( 三r ) 较大的管道。在实际工程中，如低频、 低流体马赫数、细长管等，可用梁模型来代替圆柱壳模型以简化运动方程【2 】。 藤川猛等人首先采用有限元法将框架结构固有频率值的解析法应用于管道，计算其 固有频率及振型，并对所得结果进行响应分析【3 】。陈正翔等研究了圆柱壳中结构振动波 的传播特性，得到了振动波随频率变化的规律( 4 】。卢学军等利用有限元法研究了圆柱壳 结构的振动模态特性，分析圆柱壳结构参数对振动模态的影响【5 】。 f e a d a s e v 和h o u s n e r 等人采用梁模型，推出了等直管的自由振动运动方程。把管道 结构看成梁结构后，对单跨梁或连续梁的振动，可以用g a l e r k i n 法、r a y l e i g n 法、d u n k e r l e y 法、r i t z 法等计算出管道结构的低阶频率。而对于空间复杂管道结构必须寻求有效的数 值计算方法，常用计算方法有：特征线法、有限元法、传递矩阵法、阻抗分析法和模态 综合法等1 6 - 7 1 。 1 3 两相流管道振动研究现状 气液两相流体在管内输送过程流动形态复杂多变，各处不完全相同，能形成 多种流型，并且各处的密度不完全相等，在流体流动速度和流动方向发生变化时 会引起管道系统的剧烈振动【8 1 。 1 3 1 两相流体诱发管道振动 对于管内两相流问题，主要研究的是物质的热力学性质和动力学特性，理论计算多 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 集中在流体对管道激振力的研究上。 在气液两相流管道系统中，激振力常出现在流体转向处，如弯头、肘管、三通处。 t s y i h 等【9 】创建了第一套研究这种力的实验装置，通过测量向上流动的空气一水两相流 作用在三通上的作用力，发现这些波动力与流体中稳定成分引起的力同阶，能够用一个 无量纲表达式来表达不同管径与不同流速所对应的力，建立进入三通中的气液两相流体 混合密度随时间的变化率与力的关系。并通过振动测试发现频谱图的主频要比管系固有 频率低很多，因此认为两相流不稳定流动引起的激发作用在实际工程中造成的危害不 大，没有引起足够的重视。 h a r a 1 0 。1 1 1 对两相流动引起管道振动问题进行了研究，推导了两相流管道的自由振动 运动方程，指出管道的振动主要是由振动系统质量、离心力、科氏力的周期性改变 而引起。 r l g r u e l 等【1 2 】分析了过冷液体中的蒸汽气泡破碎时对管道的冲击作用，并研究了 弯头遭受水锤冲击而引起的变形。 s a k a g u c h i 等【1 3 1 研究发现段塞流流出管外会对管外设备产生冲击力。基于 d u k l e r - h u b b a r d 模型，对质量和动量平衡方程进行积分，从实验和理论两方面，研究分 析了各相流量、管径等因素对作用力的影响以及瞬态液塞的动力特性。 刘叔千等【1 4 】在分析核电厂蒸汽管道中水团冲击( 水锤) 作用时，提供了一种描述蒸 汽管中水水团的形成过程和水团在高压蒸汽驱动下对管道冲击的计算方法，并给出了一 个实例来计算水锤冲击力的大小。 j y a n g 等【1 5 1 采用准二维圆柱体模型模拟液塞在空管里的运动，预测了流型的转化和 轴向速度的分布。然而，当采用不可压缩的动量转移理论预测弯头处压力变化历程时， 计算结果与实验结果不太相符。实验结果发现高速运动的液塞冲击弯头时，会产生类似 水锤的声学现象。 r i v e r i n 和p e t t i g r e w l l6 】实验发现两相流流经u 型管时，作用于管壁上的力虽小，但 可以使其产生强烈的振动。 t a y ，b l 等【17 1 从理论和实验两方面研究分析了段塞流对水平弯头随时间变化的作 用力。综合考虑液塞速度、液塞长度以及压力脉动的影响。基于瞬态动量定理近似 分析了弯头所受的最大作用力，但未给出详细的作用力时间历程曲线。 t h o r p e ，r b 等【1 3 】研究了液体特性参数对弯管处两相流作用力的影响，主要是液体 的粘度和表面张力对最大作用力的影响，段塞流采用一维p i s t o n 流体模型，计算结果和 3 第一章前言 实验结果相一致。 王树立等【1 9 】以9 0 。弯管为研究对象，实验研究了不同含气率，表观液速的气液两 相流水击压力波在弯管中的传播和衰减规律。发现压力波在弯管中的传播与在直管中差 异很大，弯管外侧压力明显大于内侧，在弯管出口与入口直管段处两侧压力相同，形成 压力环。但没有考虑两相流各相参数变化对压力波传播的影响。 周晓军等【2 0 】简化了段塞流运动模型，提出了一种分析立管弯头部位静、动荷载的计 算方法。计算结果表明流速对立管弯头部位的静、动荷载变化规律的影响极为明显。但 该计算方法没有考虑弯头部位的压力损失，采用经验关系式计算段塞流的流动特性参 数，影响了计算的精度。 许超洋【2 1 】运用瞬态动量定理，仅研究计算了段塞流对典型弯管冲击力的时间历程 曲线，并以这个冲击力作为载荷进行管道的瞬态动力学和随机振动响应分析。 1 3 2 气液两相流管道流固耦合振动 在管路系统工作过程中不可避免地会出现由于各种原因而产生的非定常流动，特别 是在有压输流管道内。流体的非定常流动势必引起管道结构的变形甚至振动等，反过来 管道结构的变形又将影响管内流体的流态。这种流体与结构相互作用的现象称为流固耦 厶【2 2 】 口。 早期研究输液管道振动时没有考虑液体与管道的这种耦合作用，通常假设管道为刚 性，液体只考虑波动，在进行管道结构分析时往往忽略液体的影响，计算结构响应先得 计算液体响应，再以此为激励计算结构的响应。随着理论的提高和设备的改进，不考虑 管道和液体的耦合作用计算的结果与实际情况相差很大，考虑了固液耦合作用设计的管 路系统和真实情况很相近，因此管路系统流固耦合研究有了广阔的工程背景。它的研究 成果可直接应用于水利电力、化工、机械、航空航天以及核工程等各个领域【2 3 1 。 研究发现管道和液体的耦合有三种：摩擦耦合、泊松耦合和连接耦合。摩擦耦合是 指液体与管道内壁间的摩擦作用以及管道内液体的内摩擦。泊松耦合是指由液体压力脉 动与管壁应力之间的一种局部相互作用而导致一种沿程耦合。由于其耦合的强烈程度与 管材的泊松比相关而得名。连接耦合是指液体与管道在连接件处由于流体压力突变而发 生较强的耦合作用【2 4 1 。 从作用的机理而言，摩擦耦合和泊松耦合是管道系统固有的、整体的动力学行为； 而连接耦合是管道系统局部行为，是通过管道连接处的动力学边界、以及连接条件影响 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 管道的动力学行为。在实验中发现，这三种耦合对振动响应的影响大小不一样，摩擦耦 合对响应的影响最小，泊松耦合与连接耦合对响应的影响比摩擦耦合大。 气液两相流管道流固耦合问题因气液两相流的复杂性而研究较少。研究这类问 题时，通常采用的气液流动理论模型主要有四种：双流体模型、漂移通量模型、均 相流模型、无压波模型。 双流体模型是将每一种流体看作充满整个流场的连续介质，针对两相分别建立质 量、动量和能量方程，通过相界面间的相互作用将两组方程耦合在一起。漂移通量模 型着重于两相间的相对运动而不是各相本身的运动，其控制方程中质量方程、能 量方程与双流体模型的相同，动量方程为混合形式。均相流模型是把气液两相混合 物看作是一种均匀介质，假定相间没有相对速度，两相介质达到热力学平衡，流动参数 取两相相应参数的平均值。在此基础上将两相流视为具有平均流体特性的单相流体对 待。这种模型对于泡状流和雾状流具有较高的精确性。无压波模型消除方程中的声 波现象。对分离流结构的层状流和环状流，适合用双流体模型来描述；对弥散泡状 流结构则适合用漂移通量模型描述；段塞流则用双流体模型和漂移通量模型的组 合形式描述较为恰当。 z i e n k i e w i e z l 2 5 】提出可以用一个附加质量矩阵来修改结构的质量矩阵，流固耦 合作用由流体附加质量矩阵反映，从而将流固耦合问题简化为修改结构的问题。 w o o d 和w i l l i a m s t 2 6 】分别对管道运动的影响进行了理论和实验方面的研究，发 现管道运动对水击压力有很大影响。 v a r d y 等2 7 】对t 形管装置进行的研究表明，节点耦合和泊松耦合对管道运动 和流体压力变化过程有较大影响。 d g g o r m a n 等【2 8 1 只考虑了环状流流型，利用线性势流理论建立了管道流固耦 合模型，分析了管道在流固耦合作用下固有频率的变化。 诸葛起等【2 明采用复模态理论建立了复杂管系的流固耦合模型。 费文平、杨建东等【3 建立了管道系统流固耦合复杂边界条件的通用数学模型，并从 理论上证明了空间叉管的边界条件是处理管道系统流固耦合复杂边界条件的通用数学 模型。 周晓军等【3 l 】论述了国内外气液两相瞬变流流固耦合的研究成果及现状，阐述了气液 两相瞬变流的流动规律和流固耦合研究的各种方法。评述了气液两相瞬变流、流固耦合 第一章前言 等方面的理论模型和数值计算方法，并对不同模型和数值方法进行了比较和分析。指出 了目前两相瞬变流流固耦合研究中存在的问题，预测了流固耦合研究的方向。 周晓军，宫敬等【3 2 】在不作薄壁管假设的前提下，考虑流体的组成和特性、管道的运 动和特性，以及泊松耦合和摩擦耦合形式，推导出了气液两相瞬变流的流固耦合模型。 但因为对两相流采用的是均相流模型，对于波状流、段塞流、层状流等流型，该 模型不适用。 陈贵清等【3 3 】针对管道结构流固耦合振动研究中的一些问题( 模型的选取、管道结构 固有频率随流速变化、水击现象、颤振现象、鞭击现象等) 进行了分析和总结，强调了 进行流固耦合分析的重要性，找出了问题产生的根源。 虽然不少学者对气液两相管流进行了研究，针对不同的流型，计算了两相流体对管 道结构的作用力，并在流固耦合模型方面做了不少工作，但对于管内两相流体引起管道 系统振动固有特性变化方面的研究甚少，并且鲜有两相流管道振动响应方面的报道，而 后者正是本文要研究的主要内容。 1 4 本文研究的主要内容 本文从流体诱发管道振动的角度出发，针对气液两相流不同的流动参数，通过理论 计算、数值求解和振动测试实验来分析研究气液两相流管道的振动特性以及原因。研究 的主要内容有以下几点： ( 1 ) 采用两端简支梁模型，建立气液两相流管道的自由振动运动方程，推导管道 临界流速和固有频率的表达式； ( 2 ) 利用m a t l a b 软件编程计算分析管道结构物理参数和流体流动参数对管道振 动固有特性的影响； ( 3 ) 运用大型有限元软件，对气液两相流典型管段进行模态分析和动力学计算， 将计算结果和前面的理论计算结果进行对比，并提出一些两相流管道减振设计措施； ( 4 ) 采用非介入式振动测试技术，通过在管道外壁设置传感器进行振动测试，获 得振动速度和加速度频谱，分析管内为不同的介质，即管内为单相气( 不含液) 和气液 两相流( 含液) 时振动频谱信号的异同； ( 5 ) 针对水平管道，制定不同的实验方案，研究不同的气液流量下直管段和弯头 处的振动特点，找出引起振动的主要原因；并探讨不同流型下，振动特征信号的区别， 得出相关结论； 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 ( 6 ) 针对起伏管道，分析不同倾斜角度的起伏管的振动频谱特点，并且研究不同 气液流量下各测点的振动情况，最后对比分析上升管段和下降管段的振动强度，得出定 性结论。 7 第二章气液两相流基本理论 2 1 两相流概述 第二章气液两相流基本理论 物理学上的相是物质的集态，如某物质的固相、液相、气相指的就是它的固态、液 态、气体状态。另外还有一种定义：相是指具有相同成分及相同物理、化学性质的均匀 物质的单一状态。例如：空气是一相，水和水蒸气同处于某一系统中属两相。但是含盐 水溶液是一相，因为在此溶液中盐和水之间无分界面，盐和水不是两种独立存在的物质。 在流动系统中物质的相态多于两个的称为多相流，而流动系统中只存在两相物质的 叫两相流( 其中至少一相为流体) 。两相流这一术语在2 0 世纪3 0 年代首先出现于美国 的一些研究生论文中；1 9 4 3 年，苏联首先将这一术语应用于正式出版的学术刊物上；其 后1 9 4 9 年在j a p p l p h y s 杂志上也出现了两相流( t w o - p h a s ef l o w ) 这一名词【3 4 】。两相 或多相流是化工生产中为完成相间传质和反应过程所涉及的最普遍的粘性流体流动。有 相变时的传热、塔设备中的气体吸收、液体精馏、液体萃取以及搅拌槽或鼓泡塔中的化 学反应过程等，都涉及两相流。 在两相流动体系的研究中，常常把物质分为连续介质和分散介质。气相和液相可以 连续相形式出现，如气体一液膜系统；也可以离散的形式出现，如气泡一液体系统，液滴 一液体系统。固相通常以颗粒或团块的形式处于两相流中。 在所有的两相流中，气液两相流是最为复杂的一种，因为其相界面的形状和分布均 随着流动过程而不断变化。同时，它又是应用最广泛的一种，如在锅炉、核反应堆、油 田及气田的开采、化工设备和传热传质等反应过程中比比皆是【3 引。气液两相流动特性与 这些设备的安全性、可靠性及经济性有着密切的联系，国内外科研人员对气液两相流动 的研究日益重视。 2 2 气液两相流特性参数 在气液两相流动中，由于存在着气泡的分裂和集聚，所以气液两相流中气泡的形状 与大小随流动状态的变化而变化，气液相界面的形状和分布在时间和空间上均是随机可 变的；且相间又存在一个不可忽视的相对速度，导致流经管道的气液相体积流量比与气 液相所占的管道截面比并不一致，因此气液两相流动是一种复杂的、随机的现象。与单 相流参数相比，描述气液两相流的参数如速度、压力、流量等在数量上要加倍外，还要 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 引入一些两相流管路所特有的参数。下面对这些参数做一个初步介绍【3 刀。 1 质量流量 单位时间内流过管道流通截面积的流体质量称为质量流量。对气液两相管道，混合 物质量流量为： 形= h - 睨 式中 形气液两相混合物的质量流量，k g s ； 气相的质量流量，k g s ； 呒液相的质量流量，k g s 。 ( 2 1 ) 2 体积流量 单位时间内流过管道流通截面积的流体体积称为体积流量。单位时间内流过管道的 气相体积和液相体积分别称为气相体积流量q g 和液相体积流量q 。并有： q = q + q 线：监 p g 统：堕 p l 式中 q 气液两相混合物的体积流量，m 3 s ； 姥气相的体积流量，m 3 s ； q 液相的体积流量，m 3 s ； ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 - 4 ) 见液相密度，k g r n 3 。 3 气相和液相速度 在气液两相流管道中，气液所占的流通面积分别为名和4 ，则气相速度为： 液相速度为： 玑：丝 。 如 9 ( 2 5 ) 第二章气液两相流基本理论 吣鲁 ( 2 - 6 ) 上述两个速度实际上是气液两相在各自所占流通面积上局部速度的平均值，通常称 为气液相的真实速度。 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 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 滑差和滑动比 在通常情况下，管道中气相速度和液相速度是不相等的，两者的差值称为滑差或滑 脱速度，即： u s = 一阮 ( 2 9 ) 气相速度和液相速度的比值称为滑动比s ，即： s ：争( 2 - 1 0 ) 吮 6 截面含气率 截面含气率为气相流通截面积如和管路总流通截面积彳之比，用口表示，即： 口= 鲁= 彘 协 彳 如+ 4 一7 式中彳管路总流通截面积，i n 2 ； 4 气相流通截面积，n 1 2 ； 如液相流通截面积，m 2 。 7 体积含气率 体积含气率为气相体积流量和混合物体积流量之比，用s 表示，即： 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 弘害= 盘 协 qq + q 在以上各种参数中，速度等参数随时间的变化呈明显随机波动特征，这类参数又称 为脉动参数。理论和试验研究结果表明，在这些随机参数的变化过程中，蕴藏着表征两 相流体系独特性质的其它参数及其与变化规律紧密相关的信息。 2 3 气液两相流基本流型 气液两相流中气、液两相在相界面上会分布成不同的几何图形或结构形式。在工程 上为了分析问题的需要，人为地将它们分成若干种形状，即通常所说的流型。在气液两 相流动过程中，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，所以流型十分复杂。同时，由于沿管道的压降引起的气相膨胀导致了 流动结构的变形，流型还与管道几何尺寸、管道倾斜角度、管道截面形状等诸多因素有 关。所以总体而言，流型的种类相当复杂繁多。这就使得不同的研究者在研究流型时， 从不同的角度会给出流型不同的定义和划分方法1 3 羽。下面就水平管和垂直管内气液两相 流流型的划分进行简单介绍。 2 3 1 水平管道中的流型划分 水平管道中的气液两相流，由于重力影响而产生的相对不对称性，使水平或近水平 管道中所观察到的流型变得复杂化。根据o s h i n o w o 3 9 1 的划分原则，水平或近水平管道中 的气液两相流流型可分为六种，如图2 1 所示。 气泡流 塞状流 分层流 波状流 弹状流 环状流 图2 - 1 水平管气液两相流流型划分 f i 9 2 - i f 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 第二章气液两相流基本理论 ( 1 ) 泡状流 在泡状流中，气体是以分离的气泡散布在连续的液相内，气泡趋向于沿管道上半部 流动。典型的泡状流动发生在气体表观速度低而液体流速高的情况下。 ( 2 ) 塞状流 在塞状流中，小气泡结合大气泡，如栓塞状，分布在连续的液相内，大气泡趋向于 沿管道的上部流动，而且在大气泡之间还存在着一些小气泡。 ( 3 ) 分层流 在分层流中，气液两相的流动被一层较光滑的分界面隔开，因为重力和密度的不同， 液体在管道底都流动，气体在液体上面流动。在气体流速低的情况下才出现分层流动， 如果气体流速增加，将使界面发生波动而破坏这种流动结构。 ( 4 ) 波状流 当气体流速增大时，在气液分界面上掀起了挠动的波浪，分界面由于受到沿流动方 向运动的波浪作用而变得波动不止。 ( 5 ) 弹状流 当气体流速增大时，分界面处的波浪被激起与管道上部管壁接触，并形成以高速沿 管道向前推进的弹块状。它与塞状流的主要区别在于气弹上部没有水膜，只是气弹前后 被涌起的波浪使上部管壁周期性地受到湿润。 ( 6 ) 环状流 当气体流速进一步再增大时，形成气核和环绕管周的一层液膜，并且部分液体沿管 道内壁向下流动，使底部的液膜比顶部的液膜厚很多，在气芯中也夹带有液滴【2 1 1 。 近年来，为了预测和判断管内气液两相流的流型，各国研究者根据各自对气液两相 流的理解和大量的实验结果提出了许多用来确定流型分界的流型图。由于两相流动十分 复杂，流型图的应用范围不得超出该流型图的实验范围。 适用于水平管内气液两相流的流型判别图有曼德汉流型图，如图2 - 2 所示。该图 是由曼德汉等人根据近6 0 0 0 个实验数据得出的。此图的横坐标为气相折算速度，纵 坐标为液相折算速度，。根据计算得到的和就可判定水平管中气液两相流的流 型，目前这一流型图应用十分广泛。 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 气檀折算速度，_ ( m f l ) 图2 - 2 曼德汉水平管流型判别图 f i 9 2 - 2 m a n d h a n ef l o wp a t t e r nf i g u r eo fh o r i z o n t a lp i p e 2 3 2 垂直上升管中的流型划分 实验研究表明，垂直上升管中的气液两相流基本流型有五种：泡状流、段塞流、搅 拌流、缕状环形流和分散环形流。图2 3 为这五种流型的示意图。 l2345 1 泡状流；2 段塞流；3 搅拌流； 4 缕状环形流；5 分散环形流 图2 - 3 垂直上升管气液两相流流型划分 f i 9 2 - 3f l o wp a t t e r no fv e r t i c a la s c e n d i n gp i p eg a s - l i q u i dt w o - p h a s ef l o w ( 1 ) 泡状流 泡状流是一种常见的流型，虽然在高速流动下其乳状现象不易确认。当直径小于 1 姗时气泡呈球形而直径大于1m m 的气泡形状各异。在独立泡状流态中，气泡之间有 间距，彼此没有制约。另一方面，在填塞泡状流态中，气泡群集在一起彼此制约。 第二章气液两相流基本理论 ( 2 ) 段塞流 段塞流是由一系列的气塞组成。气塞的头部一般是钝的，而尾部是扁平的并且具有 气泡尾迹。用肉眼观察能发现包围着气塞的液体薄膜会相对于管壁向下方运动。 ( 3 ) 搅拌流 假设液体流速恒定，增加气体流速将导致气塞的伸长和破裂，流型将以无序的方式 向环形流演变，这种过渡流型称为搅拌流。 ( 4 ) 环形流 分散的环形流是指夹带液滴的中心气柱以非常高的速度流动，比在管壁上形成的液 膜速度大很多。液滴被来自液膜表面传播波的波峰撕破，在气体中心扩散，并且最终能 冲击到液膜表面，在气体中心液滴聚集成云状物的地方存在缕状环形流。 休惠特等人经过实验，得到了垂直上升管中气液两相流流型判别图【4 l 】，如图2 4 所 示。该图最适合于空气一水混合物和汽水混合物的流动工况。对于空气水混合物，其最 大适用工作压力为0 5 9m p a ；对于汽水混合物，其最大适用工作压力为6 9m p a 。 1 e + o o1 p , 0 11 e + 0 2 1 e + 0 3 1 e + 0 4 1 e + 0 51 融硒 夕lr 1 图2 - 4 垂直上升管中流型判别图 f i 9 2 - 4 f l o wp a t t e r nf i g u r eo fv e r t i c a la s c e n d i n gp i p e 其中 屏液相密度； 纨液相折算速度； & 气相密度： 1 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 2 3 3 垂直下降管中的流型划分 垂直下降管中气液两相流流型与垂直上升管的流型有差异，主要差别是前者的环状 流区域宽。目前，垂直下降管的实验结果不多，而且实验结果间的差异也很大。图2 5 是o s g u b o 、和c h a r l e s 提出的流型判别图【4 2 1 。 止 d ，、 ，、 吨 i _ 、- ， q 、一 实验条件为：压力p = o 1 7 m p a ，管径d = 2 5 4 m m ，流体介质为空气和各种液体的 两相混合物。图中坐标为乃( 矿5 ) 和( ( 1 一) ) 0 5 。 其中：f r o u d e 数f r 的定义为： 厅= ( + ) 2 g d ( 2 - 1 3 ) 式中d 管内径。 五为考虑液体物理性质的修正系数，其定义为： 见例啾跏4 协 上式中，下标w 表示0 1m p a ，2 0 。c 下水的物性。 2 3 4 影响气液两相流流型的因素 影响气液两相流流型的因素很多，主要有以下几项：流体的流量和物理性质，管道 的几何形状和管壁情况以及流动过程中的质量、热量传递等。下面分别讨论这些因素对 第二章气液两相流基本理论 流型的影响【4 3 j 。 ( 1 ) 流型与气液流量 气液流量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 过气液表观速度来表示。不同的气液表观速度可能导致管路中不同的流态。目前大多数 流型图都是依据气液两相的表观速度来划分的。 ( 2 ) 流型与流体的物理性质 流体的流型转换与其物理性质有着密切的联系。其中液相粘度的影响较大，在液速 一定的情况下，粘度愈大，由气泡流向冲击流转变所需要的气体流量愈小。另外，气相 和液相的密度比也会在不同程度上影响流型的转换。 ( 3 ) 流型与管径 管道直径对流型过渡的影响很大。当管径加大时，需增大液相表观流速才能得到段 塞流，同时在较小的气速下可获得环状流。当气体表观速度很大时，管径对流型的影响 变得很微弱。 ( 4 ) 流型与倾角 管路倾角对流型的判断也有影响。根据各学者实验观测的结果，当管路下倾时，几 乎全部是分层流，只有在气速很高的情况下才能演变成为冲击流和环状流。当管路上倾 时，不论倾角多小，实验中都观察不到分层流，并且上倾角越小时，由气泡流转变为冲 击流所需的气体流量越小。因此，在管线具有不同倾角的情况下，流型过渡所需要的气 体流量有很大区别。 2 4 气液两相流管道振动原因分析 对于气液两相流管道，管道系统振动的成因十分复杂，一般来说，主要的诱因可能 是来自系统中设备的外部动力，也可能是管道输送的气液两相流动产生的复杂作用力。 同时，管外的随机载荷作用也可能引起管道的振动，但这种振动大多短暂并很快消失， 故一般不予考虑。具体分析两相流管线振动原因时需要从以下三个方面考虑： ( 1 ) 两相流体脉动变化 两相流体的输送主要是通过压缩机和泵等流体机械加压进行，这些流体机械的排量 不均匀性使管道内充满了周期性变化的流体，管道内的压力和流速也呈周期性的变化。 同时，离心泵和压缩机组负荷的波动也会引起流量的波动。这样导致管道内实际的压力 在平均压力上下波动，即形成了所谓的“脉动压力 。这种“脉动压力 作用于管道系 1 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 统，会引起管道系统的振动，如果系统的约束不够牢固或减振性能不好，系的振动会逐 渐加剧。 ( 2 ) 两相流管道内部流体的流动状况 两相流管道系统布置的不合理情况( 比如弯头过多、频繁改变走向、固定支架不牢 等) 以及管件( 比如阀门、孔板) 对流体的作用，使介质流场突然改变，会导致管道振 动；当流体在管道中流动时，若流速过大并超过某一允许流速时，也可能引起管道振动。 所以在管道的设计规定中，一般都会根据管道输送的流体种类、应用场所、管道种类等 因素限制管道内流体的允许流速；另外，管道内的“水击 现象作为一种极端的非定常 流动问题删，它产生的压力升高以波的形式在管道系统中运动，也是管道系统振动的主 要原因之一。 ( 3 ) 管道系统的机械动力不平衡 与两相流管道系统相连的机械设备( 比如压缩机、离心泵等) 的动力不平衡，将会 引起设备本身的振动，如果基础设施设计不当，设备的振动将通过基础或其他设施传递 给管道，牵连管道振动。具体来讲，包括以下几个部分： 1 离心泵由于零件加工的质量达不到要求和组装质量不佳使间隙超标，产生过大的 轴向移动和轴向脉动，其结果会使平衡盘、平衡板、叶轮、泵体发生研磨而损坏，也会 使泵体发生振动而失去平稳，它是造成管道振动的主要原因之一。 2 管道系统阀门门板、闷头活动引起振动。 3 疏放油水阀门不严或疏放系统振动引起两相流管路振动。 4 两相流管道暖管时间不够，疏油和水不畅，温度骤然降到一定值时将导致压力的 急剧波动。 5 管道系统上保温不牢固。 6 长期运行管系支吊架松动，支吊架弹簧弹性系数发生变化。 2 5 本章小结 本章简要介绍了气液两相流特性参数、流型划分及影响流型的主要因素，并总结分 析了引起两相流管道振动的可能原因，为下文的两相流管道振动特性分析计算提供理论 依据。 1 7 第三章气液两相流管道振动固有特性的理论计算 第三章气液两相流管道振动固有特性的理论计算 单相流体以稳定流的形态在管道中流动时，由于重力作用会使管道发生挠曲。如果 流动状态和方向突然改变，会出现液压冲击，使管道产生振动。而气液两相流因各相流 速与相浓度或相含率的不均匀性、流动结构与参数的