（工程热物理专业论文）水平油气两相流流型转换及其相界面特性的研究.pdf

水平油气两相流流型转换及其相界面特性的研究 摘要 油气混输技术以其高效率、低成本、环境适应性强等特点受到石油工业的广 泛重视。工程上的油气混输系统，由于受流量、介质物性、管道形式以及倾斜角 度等因素影响，截面含气率发生变化，导致管内出现各种流型。如何预测段塞流 的出现，是油气混输工程的关键技术之一，也是两相流科学的重要理论问题之一。 随着气液两相体积流量的变化，气液界面呈现出不同的状态和特性，特别是当流 型发生转换时，气液界面特性对于预测流型转换的临界条件有较大的影响。一方 面，液相表面的波动使得气液两相间出现粗糙的界面，另一方面，从管道轴向方 向观察，液层不再是平整的表面，而是随着气相速度的增加发生弯曲变形。因此， 本文对水平油气两相流流型转换及其相界面特性进行了以下五个方面的研究 1 自行搭建了管径2 5 4m i 1 油气两相流实验装置，对水平油气两相流流型及其 转换特性，特别是层状流向段塞流的转换影响因素进行了实验研究。实验中观察 到光滑分层流、波状分层流、泡状流、段塞流和环状流。根据实验数据绘制了流 型图，并确定了流型转换边界。 2 在前人研究工作基础上，应用一维波模型和段塞稳定性模型，对油气两相流 出现段塞流时的各相临界表观速度和临界液层高度进行了理论预测。计算结果表 明，两种模型分别适用于不同的流速区域，在较低的气相流速下，一维波模型的 预测结果比较理想，但是不适用于较高的气相流速区域。利用段塞稳定性模型可 以较好地获得高流速下分层流向段塞流的流型转换条件。因此，本文结合这两种 模型对发生流型转换时的临界参数进行了分析。 3 根据各种流型的相分布特征，使用简化的两流体模型预测流型转换以及相应 的临界参数。计算结果突出了摩擦因子本构关系在两流体模型中的重要性，本构 关系的准确性影响流型转换和理论模型的预测效果。根据实验结果，对气液界面 剪切应力进行了不确定度分析，结果表明气壁剪切应力预测的不确定度在整个界 面剪切应力不确定度中所占比重较小。以气壁摩擦因子为基准，通过动量平衡法 间接得到界面剪切应力或界面摩擦因子。特别在流型转换的预测中，动量平衡法 相对于般经验关系式得到的结果更为准确。 4 对圆管内充分发展气液波状分层流进行了数值模拟。使用两层湍流模型对稳 态轴向动量方程进行了数值求解。在双极坐标系内，利用有限体积法对控制方程 离散求解。借鉴单相管流的处理方法，将气液界面视为粗糙平面，并引入等效砂 第1 页 摘要 砾粗糙度的概念来考虑气液两相的相互作用。对比分析表明，该计算方法不仅相 对于一般光滑界面模型提高了预测的准确度，而且证明了气液界面摩擦本构关系 对于流型转换和理论分析的重要性。 5 低持液率气液两相流常见于天然气输运工程。在气速较低区域，气液界面粗 糙度不均匀分布，导致气相区域出现二次流。二次流的形成是气液界面下凹的主 要原因；在较高的表观气速区域，界面形状、界面粗糙度和液滴的携带沉积机 理有关。据此，在两流体模型的基础上，建立了有关界面曲度和界面摩擦因子的 本构关系式。计算结果和实验数据进行的对比分析表明，应用新的关系式有效地 改善了持液率和压力梯度的理论预测效果。 关键词：流动特性，油气混输，流型和流型转变，段塞流，分层流 第页 上海交通大学博士学位论文 s t u d yo nt h ef l o wr e g i m et r a n s i t i o ni n h o i u z o n t a lg a s o i lf l o wa n dt h e c h a r a c t e i u s t i c so fg a s l i q u i di n t e r f a c e a b s t r a c t o i l - g a sm i x i n gt r a n s p o r t a t i o nt e c h n o l o g yp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ew i t hi t s c h a r a c t e r i s t i c so fh i g he f f i c i e n c y , l o wc o s ta n dw i d ea p p l i c a b i l i t yi no i li n d u s t r y 啊1 e s y s t e mo ft h eo i l - g a st r a n s p o r t a t i o n , w h i c hi sa f f e c t e db yt h ef l u x ，t h ef l u i dp h y s i c a l p r o p e r t i e s ，t h eg e o m e t r yo ft h ep i p e l i n e ，t h ei n c l i n a t i o na n g l ea n ds oo n , m a k e st h e c h a n g eo ft h ev o i df r a c t i o n , a n ds h o w sd i f f e r e n tk i n d so ff l o wp a t t e r n a sat y p i c a l t w o p h a s ef l o wp r o b l e m , t h en a t u r eo fh o r i z o n t a lo i l - g a st r a n s i e n tf l o wi np i p e si s s t u d i e df r o maf l o wp a t t e r np e r s p e c t i v e b yd e t a i l e da n a l y s i sa n du s i n gam e t h o d o l o g yd e v e l o p e ds p e c i f i c a l l yf o rt h i s s t u d y , t h eo b s e r v e df l o wp a t t e r n sw e r ec l a s s i f i e d i n t os t r a t i f i e ds m o o t h , s t r a t i f i e dw a v y , b u b b l y , s l u g ，a n da n n u l a rf l o wr e g i m e s 田1 ep h y s i c a lm e c h a n i s m st h a tg o v e r nt h e t r a n s i t i o nb e t w e e ns t r a t i f i e da n ds l u gf l o ww e r ei d e n t i f i e da n dd i s c u s s e d b a s e do nt h e e x p e r i m e n t a ld a t ao b t a i n e di nt h i ss t u d ya n do nc o m p a r i s o nw i t hp u b l i s h e df l o w r e g i m em a p s ，af l o wr e g i m em a pw a sp r e s e n t e dt op r e d i c tt h ep r e v a i l i n gf l o wr e g i m e f o ro i l g a sf l o w si ns m a l ld i a m e t e rh o r i z o n t a lp i p ea tn e a r - a t m o s p h e r i cc o n d i t i o n s n 圮b o u n d a r i e so ft h er e g i m e sw e r er e p r e s e n t e db yt r a n s i t i o nb a n d s at h e o r e t i c a la p p r o a c hw h i c hi sb a s e do no n e d i m e n s i o n a lw a v em o d e l c o m b i n e dw i t hs l u gs t a b i l i t ym o d e lw a sp r e s e n t e dt op r e d i c tt r a n s i t i o nf r o mt h e s t r a t i f i e dp a t t e r n st os l u gf l o w d a t ac o n f i r m i n gt h ev a l i d i t yo ft h ea p p r o a c hw e r e g e n e r a t e df r o mas e l f - b u i l t2 5 4r a i nd i a m e t e rh o r i z o n t a lo i l g a sp i p e l i n ei ns j t u 硼1 e e x p e r i m e n t a ld a t ao b t a i n e d 逾a5 0m md i a m e t e rh o r i z o n t a lo i l g a sp i p e l i n ei n z h e j i a n gu n i v w e r ea l s oa n a l y z e d 1 1 1 ec o m p a r i s o ns h o w e dt h a tt h e s et w om o d e l sa l e a p p l i c a b l ef o r d i f f e r e n tr a n g e so fg a sf l o w sr e s p e c t i v e l y a tl o wg a sv e l o c i t i e s ， o n e - d i m e n s i o n a lw a v em o d e lw o r k sw e l l ，b u ti sn o ts u i t a b l e f o rh i g l lg a sf l o w si n w h i c hs l u gs t a b i l i t ym o d e lp r o v i d e sb e t t e rp r e d i c t i o no ft h ec r i t i c a ll i q u i dh e i g h t sa n d t h ec r i t i c a ls u p e r f i c i a lv e l o c i t i e sf o rt h et r a n s i t i o nt oas l u gf l o w b a s e do nt h eo b s e r v e dd i s p o s i t i o no ft h ep h a s e si ne a c hf l o wr e g i m e ，s i m p l i f i e d t w o - f l u i dm o d e l sw e r eu s e dt op r e d i c tf l o wr e g i m et r a n s i t i o no rc r i t i c a lp a r a m e t e r s s u c ha ss u p e r f i c i a lv e l o c i t i e sa n dl i q u i dh o l d u p r e s u l t sc l e a r l ys h o w e dt h a tt h e i n t e r a c t i o n sb e t w e e nt h ep h a s e sa tt h ei n t e r f a c eh a v ec o n s i d e r a b l ee f f e c t so nt h e v e l o c i t yp r o f i l e sw i t h i nt h ep h a s e ss u c ht h a t , i ng e n e r a l ，t h ec o n v e n t i o n a ld e f i n i t i o n s o ft h ef r i c t i o nf a c t o r sa r ei n v a l i d a t e d t h em e a s u r e dl i q u i dh o l d u pa n dp r e s s u r e g r a d i e n t sw e r eu s e dt oo b t a i nt h ei n t e r f a c i a lf r i c t i o nf a c t o r sf o rc o r r e s p o n d i n gf l o w 第n i 页 a b b i k a 乙l r e g i m e af r a m e w o r kf o rt h ec o r r e l a t i o no ft h ed e d u c e di n t e r r a c i a ls h e a rs t r e s sw a s p r e s e n t e df r o mt h ee x p e r i m e n t a lm e a s u r e m e n t t h eu n c e r t a i n t ya n a l y s i sw a su s e dt o s h o wt h a tt h em e a s u r e dl i q u i dh o l d u pa n dt h ec a l c u l a t e dg a s - w a l ls h e a rs t r e s sb y b l a s i u se q u a t i o nd i dn o ts i g n i f i c a n t l yi n f l u e n c et h eo v e r a l lr e s u l t s ，w h i l et h ee x i s t i n g c o r r e l a t i o n sm i g h tl e a dt o l a r g eu n c e r t a i n t i e s ，i r r e s p e c t i v e o fa c c u r a c yo ft h e e x p e r i m e n t a ld a t ao rt h ea p p r o p r i a t e n e s so ft h ec o r r e l a t i n gt e c h n i q u e t oe v a l u a t et h ei n t e r a c t i o n sb e t w e e nt h ep h a s e sa tt h ei n t e r f a c e ，an u m e r i c a l m o d e l i n go ff u l l yd e v e l o p e ds t r a t i f i e dw a v yg a s - l i q u i dp i p e f l o wi n c i r c u l a r c r o s s s e c t i o np i p ew a sp r e s e n t e d t w o - d i m e n s i o n a l ，s t e a d y - s t a t ea x i a lm o m e n t u m e q u a t i o n sw e r es o l v e d 、i n lat w o - l a y e rt u r b u l e n c em o d e l 明1 eg o v e m i n ge q u a t i o n s w e r ed i s c r e t i z e du s i n gaf m i t ev o l u m em e t h o do nab i p o l a rc o o r d i n a t es y s t e m g i v e n l o n g i t u d i n a lv e l o c i t yp r o f i l e si nt h eg a sa n da s s u m i n gal o g a r i t h m i cl a wa b o v et h e w a v e s ，t h es i m u l a t i o n sv a l i d a t e dt h ec o n c e p to fi n t e r f a c i a lr o u g h n e s st oa c c o u n tf o r g a s l i q u i di n t e r a c t i o n s n l er e g i o nf i n a l l yi n v e s t i g a t e dw a st h a to ff l o w sw i t hr e l a t i v e l yl o wl i q u i d l o a d i n g s u c hf l o w sa r et y p i c a l l ye x p e r i e n c e di ng a s - c o n d e n s a t el i n e si no i li n d u s t r y a tl o wg a sv e l o c i t i e s ，t h ei n t e r f a c ec u r v a t u r ei sd o m i n a t e db yt h es e c o n d a r yf l o w s ， w h i c hi sa t t r i b u t e dt ot h en o n - u n i f o r m i t yo ft h ei n t e r f a c i a lr o u g h n e s se x p e r i e n c e db y t h ef l o wo ft h et u r b u l e n tg a s p h a s e ，a th i 曲g a sv e l o c i t i e s ，t h ep r o c e s so fe n t r a i n m e n t a n dd e p o s i t i o ni st h ed o m i n a n tc o n t r i b u t o rt ot h el i q u i dp h a s et r a n s f e rt ot h eu p p e r p a r to ft h ep i p ew a l l at w o f l u i dm o d e lw a se m p l o y e df o rl o wl i q u i dl o a d i n gf l o w s n e wc o r r e l a t i o n sw e r ep r o p o s e df o rt h ei n t e r f a c i a lc u r v a t u r ea n dt h ei n t e r f a c i a l f r i c t i o nf a c t o r 刀培e f f e c to fd r o p l e te n t r a i n m e n to nt h ei n t e r r a c i a lf r i c t i o nf a c t o rw a s a l s oa c c o u n t e df o r 功ep r e d i c t i o n so fl i q u i dh o l d u pa n dp r e s s u r eg r a d i e n tf r o mt h e n e wc o r r e l a t i o n sm a t c h e dw e l lw i t ht h er e p o r t e de x p e r i m e n t a ld a t a k e y w o r d s ：f l o wc h a r a c t e r i s t i c s ，o i l g a sm i x i n gt r a n s p o r t a t i o n , f l o wp a t t e r n sa n df l o wp a t t e r n t r a n s i t i o n s ，s l u gf l o w , s t r a t i f i e df l o w 第1 v 页 上海交通大学博士学位论文 i g r e e kl e t t e r s n 8 6 钆 夕 口 v p 盯 f s u b s c r i p t s b f g l l m i x 符号与标记 a r c 4 d i a m e t e r h y d r a u l i cd i a m e t e r f r i c t i o nf a c t o r l i q u i dh e i g h t l e n g t h p r e s s u r e v o l u m ef l u x s l i pr a t i o t e m p e r a t u r e t i m e v e l o c i t y v e l o c i t y v o l u m e w e i g h tf a c t o r p o s i t i o n ，a b s c i s s a p o s i t i o n ，o r d i n a t e g a sv o i df r a c t i o n p i p ei n c l i n e ( a n g l et oh o r i z o n t a l ) 1 i q u i df i l mt h i c k n e s s h o l d u p a n g l e a n g l e d y n a m i cv i s c o s i t y k i n e m a t i cv i s c o s i t y d e n s i t y s u r f a c e t e n s i o n s h e a rs t r e s s b u b b l e f r o n t g a sp h a s e i n t e r f a c e l i q u i dp h a s e m i x t u r e ( v e l o c i t y ) 第v 页 m 2 m m m m p a m 3 $ - s m s - 卜 m s 1 m 3 m m r a d i a n m r a d i a n r a d i a n p a s m 2 s - l k g m 3 n m 。1 p a 彳d仉厂h三p q j r，u嚣矿z y 符号与标记 s t w n o n d i m e n s i o n a l n u m b e r s c a e o d f r r e w e x a b b r e v i a t i o n s k h s s 呢 s u p e r f i c i a l ( v e l o c i t y ) t a i l w a l l c a p i l l a r yn u m b e r e 6 w 6 sn u m b e r f r o u d en u n m b e r r e y n o l d sn u m b e r w e b e rn u m b e r m a r t i n e l l ip a r a m e t e r k e l v i n h e l m h o l t zt h e o r y s l u gs t a b l i l i t yt h e o r y v i s c o u sl o n gw a v e l e n g t ht h e o r 3 第v i 页 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密卤。 ( 请在以上方框内打“ ) 学位论文作者签名：喜嘉丰 日期：2 勿易年p 月i s 日 指导教师签名：7 彳乏 e l 强：z 1 6 8 年p 真2 口e l 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：刮交午 日期：知p 多年o 月5 日 上海交通大学博士学侥论文 第一章绪论 1 1 研究的意义及工程背景 我国油气资源储量丰富，根据2 0 0 5 年国土资源部、国家发改委联合组织 的第三次石油资源评价初步结果，目前全国石油资源量为1 0 7 2 7 亿吨，已探明 储量2 2 5 6 亿吨，探明率在3 9 左右。其中海洋石油资源量为2 4 6 亿吨，占总量 的2 2 9 。天然气资源量为5 4 5 4 万亿立方米，其中海洋为1 5 7 9 万亿立方米， 占2 9 。从有关数据可以看出，我国石油资源的平均探明率为3 8 9 ，海洋仅为 1 2 3 ，远远低于世界平均探明率7 3 和美国的探明率7 5 。我国天然气的平均 探明率为2 3 ，海洋为1 0 9 ，而世界平均探明率在6 0 5 左右。因此我国油 气资源的探明率( 尤其是海洋) 很低，整体上仍处于勘探的早期阶段，开发潜力巨 大【1 1 。 在石油输送方面，管路建设投资和输送能耗都是相当大的。有数据显示，。油 田集输管网的投资约占地面工程总投资的1 3 ，输送能耗则占生产能耗的4 0 。 当前油气输送主要有两种方式：一种是分相输送技术( 简称分输) ，即将采出的油 气混合物就地处理加工成油和干气，然后分别采用单相管道输送的方式；另一种 是混相输送技术( 简称混输或集输) ，即采用长距离输送管道直接将油气能源送至 所需用户的处理厂，再进行分离的技术。8 0 年代初建成投产的澳大利亚西北大 陆架海上油气田在工程概念设计阶段曾做过油气输送的多方案比较。如：单管混 输、双管分输、海上平台处理等，经研究认为单管混输方案可行，而且大大节省 投资。该工程最终敷设了管径1 0 1 6i 1 1 1 1 1 ，长度2 1 6k m ，从n o r t hr a n k i n 到陆地 的单管混输管线。国内某海上油气田距陆地约3 7 0k m ，设计期间，经多方案论 证还是以采用单管油气混输技术将油气送到陆上处理厂为最佳。和分输技术相 比，混输技术主要有以下优势： ( 1 ) 使用同一条管线将油气直接从深海输送至海岸的油气混输技术，可以减少油 气田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； ( 2 ) 比采用分输方式减少一条管道的建设工程量。据测算，长距离混输技术的应 用可以使油田的开发费用减少1 0 4 0 ，而且可以缩短工期，使油田开发速度 加快； ( 3 ) 可以使在分输工艺条件下不具备开采价值的一些边际油田获得经济有效的 开发。如处于深水区域的小区块油田，沙漠腹地的零散区块油田，一般陆地油田 外围的边缘区块油田等。 因此单管油气混输方案已为国际上许多石油公司所关注，并注入大量的资金 第l 页 第一章绪论 进行研究开发。我国也已将混输技术的研究纳入国家8 6 3 计划，中国石油天然气 集团公司将混输技术研究纳入其九五重点科技攻关项目，多相混输技术研究正日 益受到广泛重视3 1 。 多相混输的关键在于对混输管线内油气流动特性及规律的了解，这是一个典 型的气液两相流动问题。对油气两相流动动态特性的研究是近年来国内外十分活 跃的前沿课题之一。它对流动和传热的不稳定性、波动、换热设备的设计、安全 运行和在线检测都具有十分重要的科学价值和实用意义。由于两相相界面的随机 变化，所引发的流型变化特征与各相物性、流量、流动参数及管道几何形状等许 多因素密切相关，这阻碍了对问题的深入研究。特别是当流型发生转换时，各种 动力学参数、模型准则以及流动换热特性都会发生明显的变化，从而对于管线设 计和理论模型在工程中的应用带来困难。此外，在油气两相流动的实验研究中， 各种不同类型的两相流介质的配置，物性参数的测试，系统各重要流动参数的测 量，实验数据的处理等，都和单相流动有显著不同，需要进行更加深入的研究。 1 2 国内外研究概况 气液两相流动是一种十分复杂的流动现象，系统内最重要的特征是两相结构 及分布上的不均匀性与状态的非平衡性和多值性，且各相间存在可变形相界面。 相界面及其所引发的特征与各相的物性、流量、流动参数、管道几何形状及几何 位置等诸多因素密切相关，给系统的深入研究带来了很多困难 4 1 9 1 。早期的大多 数研究者只关心能否得到计算压力降或推算热流密度的实用关联式，而不考虑管 内流体的流动形态。近二十年的研究工作表明，考虑不同的流型分布，理论预测 和计算能更准确地反映两相流的流动本质，从而获得更精确的结果【l 0 1 。 相分布( 即流型) 是多相流流动特性以及传热特性研究的基础，不同的流型具 有其独特的流动以及传热特性。管道中流型的变化往往引发流阻的改变、流动的 稳定性、传热以及压降等特性的变化。工程上的油气混输系统，由于受流量、介 质物性、管道形式以及倾斜角度等因素影响，管道截面含气率发生变化，导致管 内出现各种流型。工程上对许多多相流系统事故进行分析时，常常发现是由于流 型的不明确造成误算或误操作。因此，对流型特性，尤其是段塞流特性，进行准 确分析以及流型识别至关重要，这对选用流阻计算公式、稳定性判据、传热以及 压降计算公式都具有极为重要的实用意义 1 1 1 - 1 4 j 。 1 2 1 油气两相流流型及流型图研究概况 气液两相流在各种流量组合下表现出不同的流型。每一种流型有其特定的两 相分布和界面形状。当一种流型向另一种流型转化时，气液界面形状发生了变化。 由于两相流动的复杂性，两相流动的机理至今没有为人们所完全认识，因此流型 的区分，流动状态的描述以及流型的识别一直是两相流研究的主题。上个世纪末， 第2 页 上海交通大学博士学位论文 l e v y e l 5 1 ( 1 9 9 9 ) 的著作对各种管道倾角下的流型进行了总结，并且对现今两相流 研究的复杂性、其中存在的问题和各种研究学派的异同作了总结。对于水平气液 两相流，根据( m a n d h a n ee ta 1 6 ( 1 9 7 4 ) ；t a i t e l 和d 瑚e r t m ( 1 9 7 6 ) ；b a m e a 1 8 】 ( 1 9 8 7 ) ；p e t a l a s & a z i z l l 训( 1 9 9 8 ) ) 的实验观察，典型的流型包括( 图1 1 ) ： ( 1 ) 分散泡状流( d i s p e r s e d b u b b l ef l o w ) 当液相流量较高，在一个很宽的流量范围内，细小的气泡分布于连续的液相 中。由于浮力作用这些气泡基本上集中在管道的上半部分。 ( 2 ) 延长泡状流( e l o n g a t e db u b b l ef l o w ) 在分散泡状流的基础上，随着气相表观速度的增大，在气液界面会掀起扰动 的波浪，管道上部的小气泡在界面波的作用下合并，并逐渐增大延长，发展成更 大的气泡，且在大气泡尾部仍有许多小气泡跟随，这种流型为延长泡状流。 ( 3 ) 分层流( s t r a t i f i e df l o w ) 。 当气液两相流量都较低时，重力作用引起气液两相分隔流动，即液相位于管 道的下半部分，而气相沿管道上半部分流动。气液两相界面是光滑的。如果气速 上升，界面剪切应力增加，气液界面变得如鹅卵石路面般的凹凸不平，进而出现 波状界面。 ( 4 ) 段塞流( s l u gf l o w ) 当气相和液相的流量进一步增加，液层进一步升高。气液界面波逐渐密集， 直至最终管道被液相堵塞。堵塞管道的液相部分称为液塞，液塞被流速较快的气 流加速，冲击管壁并且沿着流动方向从流速较慢的液层铲起一部分液体。段塞体 单元包括液塞体和其末端的延长气泡和气泡下部的液层。这样延长气泡和液塞交 替出现沿着管线向下游游动。 ( 5 ) 环状流( a n n u l a rf l o w ) 液相呈环膜状沿管壁向前流动，高速气流中心夹带细小液滴。由于重力作用， 液膜沿管壁周向分布不均匀，管道的下半部分的液膜要厚于上半部分。 文献中还报道了其他不同的流型。增加新的流型定义是对流型的进一步细化 并且能更加深入地反映流型的特征。例如，图1 1 所示的波状分层流 ( s t r a t i f i e d - w a v yf l o w ) 和波形环状流( a n n u l a r - w a v yf l o w ) 体现了两种基本流型气液 界面上存在的波动。类似地，塞状流( p l u gf l o w ) 和半环状流( s e m i a n n u l a rf l o w ) 就 是用于描述流型转换( 泡状流和段塞流的转换、塞状流和环状流的转换) 时的中间 流型。这些流型可以视为特定流型的子流型。本文油气两相流实验观察到四种主 要流型，即泡状流( 分散、延长) ，段塞流，分层流( 光滑、波状) 和环状流。 第3 页 第一章绪论 毫詈鼍mm l 曼詈毫皇皇詈詈皇毫曼皇量暑詈曼量! ! 曼皇皇詈暑曼曼詈! 鼍皇 s t r a t i f i e d l一一 ya 嗣诤d o t h n i 、一“= = 一- 1 l r。诫瑚 o 二= i 一 日r 1 _ - v 丌 匡至要三虱帮t r t , u k 乙_ - ，、_ _ 。、，_ ，、_ _ - - - 一o o ! 啦! ， ， 、r v -o - _ _ _ 一= 1 7 y j 、 主_ - - _ j - _ i - j o l 1 ，f t 工，- f e l o n g a t e d 星至三三三童= 主垫豫舻= = = 三= ：= = ：= = ：= 一兰j iw 蜀矿 匡蚕茎薹虱惭 匡三二互圈d i 惴s p e r s e d g a s - 兰童苎蔓兰罩 塞乏是= 兰董三立窆 三暮兰 s 鲥- 铀m u i a r 图1 - 1 水平气液两相流流型 f i g 1 - 1h o r i z o n t a lc r a s - l i q u i df l o wp a t t e r n s 各国学者还致力于对两相流型分布和流型图的研究。k o s t e r i n 2 0 ( 1 9 4 9 ) 给出 了第一个流型判别图。b a k e r 2 1 1 ( 1 9 5 4 ) 给出了一幅用于各种介质的水平管流型分 布图( 图1 - 2 ) ，该图曾在段时间内获得广泛应用。 ? 暴 邑 q 。 g ly ( k g m zs ) 图i - 2b a k e r ( 1 9 5 4 ) n ：日k - f f - 气液两相流流型图 f i g 1 - 2 b a k e r sf l o wr e g i m em a pf o rh o r i z o n t a lg a s - l i q u i df l o w 其中，气相质量通量g g = 佻ak g ( m ：s ) ，液相质量通量g l = m l a k g ( r n 2 s ) 。 第4 页 | ；| 5 黼 漱 黜 上海交通大学博士学位论文 曼皇詈詈曼皇! 詈量曼詈詈皇鲁鼍皇寰皇鼍詈! 鼍曼皇鼍詈! ! 鼍寡i_ | 1 鼍曼詈量曼量鲁暑葛皇鼍皇曼皇詈曼暑皇鼍鼍量置詈皇皇皇曼鼍 a = 妒= 等l 嚣( 等 m 2 ， 水和空气的物性常数为：盯水= 0 0 7 2n m ，p 东= 0 0 0 1p a s ，p 水= 1 0 0 0k g m 3 ， p 中气= 1 2 3k g m 3 。 m a n d h a n e t 2 2 1 ( 1 9 7 4 ) 总结亍管径范围为1 2 7 1 6 5 1m l l l 、实验介质为油或水和 空气的水平管内两相流流动实验结果，对管道内流型以及流型转换特征及其影响 因素进行了研究。他发现在水平管道中，尽管管径、介质物性存在较大差异，但 仍具有相似的流型分布。m a n d h a n e 的流型图得到了广泛应用( 图1 - 3 ) 。 ( m s ) 图l - 3m a n d h a n e ( 1 9 7 4 ) 的水平管流型图 f i g 1 - 3f l o wr e g i m em a pf o rh o r i z o n t a lg a s - l i q u i df l o w ( m a n d a a a e ，1 9 7 4 ) t a i t e l 和d u l ( 1 e r 【1 r 1 ( 1 9 7 6 ) 在m a n d h a n e 流型图的基础上，进行理论分析，建立 了流型转换的关联式，并用新的坐标系统描述了流型间的转换特征，得到了水平 管内两相流流型分布的t a i t e l 和d u k l e r 流型图( 图1 4 ) 。 第5 页 第一章绪论 其中， x 一 图l - 4t a i t e l 和d u l d e r ( 1 9 7 6 ) 的水平气液两相流流型图 f i g 1 4f l o wr e g i m em a pf o rh o r i z o n t a lg a s l i q u i df l o w ( t a i t e l & d u l d e r , 1 9 7 4 ) 纵坐标为： 横坐标为m a r t i n e l l i 鳓 f = u s g x。d。g。c。o。s。 k = f 晤 x = ( d p d z ) 兰 ( d p d z ) 三 ( 1 - 3 ) ( 1 4 ) ( 1 5 ) ( d p d x ) o s 是单相气流的压力梯度，( d p d x ) r s 是单相液流的压力梯度。 w e i s m a n l 2 3 1 ( 1 9 7 9 ) 利用实验研究了流体物性参数，液相粘度、表面张力以及 气相密度对流型分布特征的影响，并对内径分别为2 5r n n l 和5 0n u n 的流型分布 特性进行了研究，指出由于管径不同，使得流型生成和发展所要求的气、液两相 表观速度存在较大差别( 图1 - 5 ) 。 第6 页 圭：筌塞銮兰矍耋薹璺生耋 ( m s ) 图l - 5w e i s m 如( 1 9 7 9 ) 的水平气澶两相流流型图 f i 9 1 - 5f l o w ”g 帅e m a p f o rh o r i z o n t a l g a s - l i q u i d f l o w ( w e i s m 卸，1 9 7 9 ) s p e d d i n g 和n g u y e n 州( 1 9 8 0 ) 对水平气液两相流型进行了更细致的划分， 并将各种流型的特征反映在流型图上他们以气涟两相体积流量比和f r o u d e 数 作为流型图的坐标( 图1 6 ) 。 口l 如 图i - 6s p e d d i n g 和n g u y e n ( 1 9 8 0 ) 曲水平气液两相流流型图 f i g i - 6f l o wr e g i m e m a p f o rh o r i z o n t a l f l o w ( s p e d d i n ga n d n g u y e n ，1 9 9 0 ) m u l ( h e r j e e 和b r i l l l 2 5 1 ( 1 9 8 5 ) 对内径为3 8 1m m 的水平、垂直以及倾斜管道内 油气两相流流型进行了分类，将流型划分成泡状流、弹状流、层状流以及环状流 研究了流型和流型转换，建立了流型转换的关联式，得到了各种工况下的流型目。 s t a n i s l a v 和k o k a l 等人啪l ( 1 9 8 6 ) 特别对内径为2 58m m ，倾角为0 。( 水平) 、l 。、5 。 * 7 第章绪 论 和9 0 的倾斜管道内油气两相流间歇流的流型特征进行了研究，发现不同倾角的 流型图是相似的，只是转换的边界出现偏移。w o o d 2 7 1 ( 1 9 8 9 ) 对内径为5 0m m 的 倾斜管道内气水两相流流型及其转换进行了研究，发现倾角对管内流型转变有着 显著的影响，并主要表现在层状流向间歇流的转变上，而其它流型的转换边界则 受倾角影响较小。o d d i e 和s h i 等人【2 引( 2 0 0 3 ) 对内径为1 5 0n u n 的水平、倾斜以 及垂直管道内空气水两相流以及油气水三相流流型及流型转换进行了观察，发现 水平管和倾斜管内流动具有不同的流型分布。 国内学者在水平油气两相流型特征方