（油气储运工程专业论文）气水两相水平及微倾管路流型特性研究.pdf

p a t t e r n s i n v e s t i g a t i o no f w a t e r - g a st w o p h a s ef l o w i nh o r i z o n t a la n dn e a rh o r i z o n t a l p i p e s a b s t r a c t a c c o r d i n g t od i f f e r e n tf l o wc o n d i t i o n sa n di n t e r f a c i a i c h a r a c t e r i s t i c sb e t w e e nt w o p h a s e s ，f l o w c a ub e s e p a r a t e d i n t o s e v e r a lp a t t e r n s a c c u r a t ec a l c u l a t i o n so fl i q u i dh o l d u pa n d p r e s s u r e d r o p a r e p o s s i b l eo n l yc o n s i d e r i n gp a t t e r n s e f f e c t s ，p a t t e r n sa r e d e p e n d e n to ft h ep i p eg e o m e t r y , f l o wr a t e s a sw e l la st h ef l u i d p r o p e r t i e so ft w op h a s e s s o ，p a t t e r n si n v e s t i g a t i o ni si m p o r t a n tt o m u l t i p h a s e f l o w t h i sd i s s e r t a t i o n g a t h e r sl i q u i d l e v e l s i g n a l s o fd i f f e r e n t p a t t e r n su s i n g c o n d u c t a n c e p r o b e s i nh o r i z o n t a la n dn e a rh o r i z o n t a l p i p e s ，c o m p a r e st h e mw i t hp r e s s u r e ，p r e s s u r ed r o ps i g n s o ft h e s a m ef l o wc o n d i t i o n sa n dg i v e so n en e wp a h e r ni d e n t i f i c a t i o n m e t h o d m a i nc o n c l u s i o n so ft h i sw o r ka r ea sf o l l o w i n g ： s t r a t i f i e df l o w , w a v ef l o w , s l u gf l o wa n da n n u l a rf l o wa r e e a s i l yi d e n t i f i e db yo b s e r v i n g t h ec o n d u c t a n c e p r o b es i g n a l s ，a n dt h e r e s u l t sa r ea l s om u c hb e t t e rt h a nt h o s eo fp r e s s u r e ，p r e s s u r ed r o p a n dt h en a k e de y e so b s e r v a t i o n t h ep d fa n dp s da n a l y s e si n d i c a t e t h a tt h e l i q u i d l e v e l s i g n a l s a r em o r eo b v i o u sa n da c c u r a t e f r e q u e n c ys p e c t r u mi s a g o o dp a t t e r ni d e n t i f i c a t i o nw a y , h o w e v e r , w h i c hc a n td e s c r i b ep a t t e r n si nq u a n t i t y _ t w o p h a s e f l o wp a t t e r n sa n dt h et r a n s i t i o nm e c h a n i s m sa r e a n a l y z e dt h e o r e t i c a l l ya n de x p e r i m e n t a l l y m o r e o v e r e f f e c t o f l i q u i d v e l o c i t y , g a sv e l o c i t y a n da n g l e so np a t t e r n sa r ed i s c u s s e d i ti s f o u n dt h a tp a t t e r n st r a n s i t i o no c c u r r e ds u d d e n l yi ne x p e r i m e n t sa n d o n e p a t t e r nc o u l dt r a n s f e r t od i f f e r e n to t h e r p a t t e r n su n d e r d i f f e r e n t c o n d i t i o n s 1 1 _ i n v e s t i g a t et h el i q u i d - l e v e lp u l s e c h a r a c t e r i s t i c so ft h r e e p a t t e r n s ，a n ds u p p l yt h el i q u i d l e v e lp u l s en u m b e rs c o p e s w h i c h g i v eab a s i sf o rp a t t e r ni d e n t i f i c a t i o n c a l c u l a t et h en u m b e r so f l i q u i d l e v e l p r e s s u r ea n dp r e s s u r e d r o p i ns l u gf l o wa n da n n u l a r f l o w ，a n df i n df r a c t a ld i m e n s i o n n u m b e r so ff l o wp a t t e r n sa r en o ts u i t a b l ef o r p a t t e r n - i d e n t i f i c a t i o n k e y w o r d s ：c o n d u c t a n c e p r o b e ；p a t t e r n ；p u l s e ；f r a c t a l d i m e n s i o nn u m b e r l l i 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：叁箍往 毒一，年j 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。 p ；年，月，p 日 弓年r 月o 日 石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 第1 章前言 1 1 研究的背景和意义 石油工业是一个国家的经济支柱产业，作为一种重要的能源和战 略物资，石油的生产直接影响着国家的经济发展和社会的稳定。1 0 0 多年来，随着石油工业的不断发展，其勘探、开发、输送环境持续恶 化，进入到了高山、沙漠、深海、极地等恶劣环境，开发成本不断提 高。要解决不断碰到的技术难题，并使得投资风险最小，回报最大， 就需要对流动各个环节的机理有更加深入和合理的研究。而石油在开 采和输送过程中，通常是以气液混合物的形式存在的，所以对气液两 相流动特性的研究就显得尤为重要。 在化工及石油天然气工业中经常会碰到下倾管路气液两相流动， 如：蒸汽注射机井、地形起伏管线、海洋平台上下立管等等【1 1 ，特 别在平台立管中，其压降损失往往在整条管路的4 0 。从相关文献中 可以看到，水平、垂直、上倾管路中流动得到了广泛研究，而下倾管 路流动研究则相对较少，人们对其流动机理了解也不够深入。 s p e d d i n g & c h e n 【2 j 在他们气液两相下倾管路试验数据基础上评估了现 有关系式和模型，他们认为在下倾管路方面研究仍需进一步努力。 在气液两相流中，由于流体性质、流速和系统参数等因素的不同， 往往会出现多种不同的流动形式，即流型。尽管影响流型的因素多种 多样，但自从系统的对多相流动的可视化观察研究开展以来，人们认 识到：虽然各相会产生广泛分布的可能性，但总能观察到几种基本的 流动形式。从气液界面的总体特征来看，多相流流型大致可分为：泡 状流、弥散流、块状流和环状流口】【4 】。在工程应用上，气液多相流的 压降梯度、持液率、截面相份额、传热传质率、界面的稳定性等均与 流型密切相关。因此，在当今的气液多相流中，流型研究变得越来越 重要，逐渐成为这门学科中一项最基本的研究课题。 所以，对下倾管路两相流动特性的研究，不仅有着重要的实用价 石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 值，而且可以完善整个两相流研究的系统性，有着重要的学术意义。 本文将系统的研究水平及下倾管路中气液两相管流的流型及其相互转 变特点。 1 2 国内外发展概况 1 2 1 流型 在多相流动中，流型是研究压降、温降、持液率等其它参数的前 提，只有充分考虑流型的影响，其它参数的研究才能有足够的精度。 流型的判别与对具体流型的描述和流型之间的转换两种因素密切相 关，目前流型的研究可总结为两方面的内容：研究不同流动条件下流 型的种类及各种流型自身的规律、研究一种流型向另种流型的转变 条件【5 】。流型的识别方法可分为直接测量法和间接测量法两种。直接 测量法是直接或间接观察流体的流动特征来区别流型，主要包括：目 测法、高速摄影法、射线衰减法、接触式探头等；间接测量法是对采 集信号进行频域或时域的分析，利用得到的统计特征区分流型，如概 率密度函数( p d f ) 和功率谱密度函数( p s d ) 分析等。此外，许多 学者将分形技术、小波变换等引入到流型识别领域并取得了一定的效 果。近几十年来，各国学者根据对两相流机理的分析和试验结果发表 了大量文章，本节仅对常温常压下管路中发表的流型方面文章予以总 结，以供参考。 早在1 9 5 4 年1 6 j ，b a k e r 就根据大量实验结果总结出适合水平管气 液两相流动的流型图，至今仍被广泛使用在石油和冷凝等工业的工程 设计中。1 9 6 3 年，s c o t t 【7 】等人对b a k e r 流型图做了修正，在b a k e r s c o t t 流型图中，用反映流体物性的巾、1 l r 两个无量纲参数对实验数据进行 了整理，横坐标反映液相折算速度与气相折算速度的比值，纵坐标为 气相折算速度。w e i s m a n 【s 在气液两相试验研究中，通过压差波动法和 观察法相结合的方式，建立管内气液两相流型图，归纳出各种流型之 间的转换关系式，该流型图与试验数据吻合较好，但由于过分依赖试 验数据，因此在实际应用过程中受到较大局限。t a i t e l & d u k l e r1 9 1 ( 1 9 7 6 ) 2 石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 系统研究了水平圆管内气液两相流流型转变机理，得到了气液两相流 流动的模型，提供了新的流型识别方法。 g o u l d 1 0 1 等人( 1 9 7 4 ) 研究了0 。、4 5 。、9 0 。倾角管线中的流型，他 们以气液相速度为坐标绘制出结果并将流型划分为：气泡流、环状流 和间歇流。m u k j e r e e 1 1 1 ( 1 9 7 9 ) 给出了全部管线倾角的流型图并给出了 相间转换边界的经验公式。w e i s m a n & k a n g 【t z ( 1 9 8 1 ) 给出了空气一水和 空气一甘油在微倾管路中的试验数据。c r a w f o r d 】等人( 1 9 8 5 ) 给出 了下倾管路流型的数据并改进了w e i s m a n 等人给出的水平和上倾管路 流动的关系式。王树众【1 4 1 采用3 0 。机械油与空气为介质，在2 6 m m 圆管 上研究了水平、竖直上升和下降三种工况下气液两相流动的压降和流 型。袁洪 1 s l 给出了下倾管路两相流动中段塞流特点，当流体流入下倾 管路时发生了四种流型变化现象：( 1 ) 无液塞消失：( 2 ) 突然液塞消 失；( 3 ) 液塞消失：( 4 ) 液塞发展，这与通常情况下认为的下倾管路 中段塞流动情况有较大差异。 目前在气液两相流方面，对重力作用下气体与牛顿流体混合物的 两相流流型和流型图的研究较多，特别是水平管、垂直上升管管内流 型和流型图的研究工作已比较完掣1 6 1 。但总体来讲，目前大多数流型 图是针对水平和竖直两相流动的，可用于倾斜管路的很少。一般情况 下的做法是将竖直流动的流型图用于近竖直流动，水平流动的流型图 用于微倾管路。由于有些流型转变对倾角的影响很敏感，这种做法有 时会带来很大误差。 1 2 ，2 探针的应用 6 0 年代以来，利用电导探针测量液膜厚度越来越受到人们的重 视，而目前电导法已成为测量截面特征信号最常用、最简单的方法之 一，其基本原理是：一定液膜厚度的电导与液位存在线性关系，通过 测量探针区域液膜的电导就可以得到界面的液膜高度和截面持液率。 电导探针的布置方式可分为图1 1 所示四种。 s w a n s o n 最早使用双平行探针测量了液膜厚度，b r o w 一1 7 1 ( 1 9 7 8 ) 3 石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 从理论上估计了双平行探针对二维方波的响应。研究发现，探针之间 的距离与探针的直径大小是降低探针衰减影响的重要因素。k o s k i e 【1 8 】 等人从理论上对这种探针做了推导，利用数值积分法计算出探针的影 响区域，给出了这种探针的空间分辨率，为双平行探针的设计、制作 提供了理论基础。而环状探针的应用目前尚不多见。 针艰接触嵌入式探甘 一1 _ 一探针 电 橙 图1 - 1 电导探针的布置方式图 李广军【l9 】利用双平行探针测量了矩形、圆形有机玻璃管中气液 两相分层流的液膜高度，并在实验基础上给出了利用一维双流体模型 计算截面液膜高度的理论计算方法。 李为东【2 0 1 等利用电导探针测量了水平及微倾管路气液两相分层 流瞬态液膜厚度，得到不同角度时管内分层流界面波特性参数，并给 出了各参数随气液折算速度和管线倾角的变化特性。 1 3 本文主要研究内容 本文系统研究了水平及微倾管路中电导探针信号识别空气水两 相流动流型的方法及流型问的转变机理，绘制了两种倾角下的流型图， 推导了不同流型的转换边界关系式，并与压力信号、压差信号作了比 较。 4 寰p 石油大学( 华东) 硕士论文第2 章试验装置和试验方法 第2 章试验装置和试验方法 本论文的试验研究内容是在石油大学( 华东) 室内小型气液两相流 机理试验装置上进行的。 2 1 试验装置 试验装置由水罐( 1 m 3 ) 、离心泵、气体涡轮流量计、液体涡轮流 量汁、气液混合器、试验管段和气液分离器组成。其中试验段为内径 5 0 m m ，长2 6 3 m 的钢管，在其上布置有1 4 个k e l l e r 压力变送器和2 个k e l l e r 差压变送器( 频响为4 k h z ) ，在气体涡轮流量计附近布置有 一个r o s e m o u n t 电容式压力变送器。试验段下游安装有长l m 、直径 5 0 m m 的有机玻璃管，其上安有4 组电导探针，以便于流型的观察和 持液率的测量。流程和仪表布置见图2 1 和图2 2 。 9 l 一压缩机：2 一气体缓冲罐；3 一气体涡轮流量计；4 - - r o s e m o u n t 压力变送 器；5 一液体涡轮流量计；6 一离心泵：7 水罐：8 一试验段；9 一气液混合器 列2 1 试验装萱流稃图 从压缩机来的压缩空气经气体缓冲罐稳定和涡轮流量计计量后进 石油大学( 华东) 硕士论文第2 章试验装置和试验方法 入气液混合器；油罐中的水经离心泵增压和液体涡轮流量计计量后进 入气液混合器；气液两相在混合器中混合后进入试验段，从试验段涌 出来的气液混合物经分离器分离后，气体排入大气，液体返回水罐。 整个试验段固定在一个可以上下转动的、由槽钢制作的平台上， 该平台可以以试验段入口处为支点上下转动，可调角度为土4 。试验段 和气液计量段之间布置有三个金属软管，以保证转动灵活。支点和支 撑点的定位进行了精确测量。 试验段入口处气液混合器采用隔板式结构，液相从下部流入，气 相从混合器上部进入，但由于隔板高度不可调，在部分气液流量下， 试验段入口处会出现气液界面波动，这对于研究光滑分层流不利，但 在试验过程中小气液流量工况可调整到光滑分层流流型。 通过变频调速，即由气体缓冲罐的压力波动来调节压缩机的转速 的方式基本解决了试验段入口气体流量不稳定问题。 气体 入 液体 入口 ，哕1 1 - +，。 ， dt p i ；p f p 1 ip 1 2r 】ip l p 9p 8p 7 p 6 p j j 而二五= 二五五= 锰五j 五五i j 五j 五j 五j 面j 五j 五j 面= i 鬲一 图中t 、p 为温度、压力就地测试点，p 1 一p 1 5 为k e l e r 压力传感器测试点 h l h 4 为电导探针布置点。 幽2 - 2 实验环道仪表布置幽 2 2 数据采集系统 试验过程中数据采集系统采用n 1 d a q c a r d 一6 0 6 2 e 高速采集卡 6 石油大学( 华东) 硕士论文第2 章试验装置和试验方法 共有1 6 个模拟通道。该采集卡为扫描式，为了尽量消除采集不同步所 带来的测量误差，在通道设置时，将相邻测点选为相邻通道，而且试 验过程中采样频率为1 0 0 0 h z ，最大限度的消除了各通道采集不同步所 造成的误差。该采集系统推荐了三种接线方式，即差分方式( d i f f ) 、 对地参考单端方式( r s e ) 和非对地参考单端方式( n r s e ) 。考虑到尽量 消除共模噪声( c o m m o n m o d en o i s e ) 的影响，试验中尽可能采用d i f f 接线方式。试验过程中利用该采集系统采集了压力、压差、电导探针 和流量计信号。而温度采集采用英国s o l t r o n 公司的3 5 9 5 1 h 采集板， 试验中采集了气相入口、液相入口和管线出口温度。 数据采集和分析软件为n a t i o n a li n s t r u m e n t 公司的l a b v i e w 6 0 1 和 信号处理套件。该软件的分析处理功能非常强大，它除了具有常规的 采集、控制、滤波和统计功能外，信号处理套件还具有联合时频分析、 小波分析和滤波器设计等功能，处理数据时还部分采用了o r i g i n 软件。 为了研究不同流型下的持液率以及压力、压差波动情况，自制了 双平行电导探针和环状电导探针各两组，材质为中o 6 m m 的不锈钢丝， 同组两个探针极之间的间距5 m m ( 见图2 3 ) 。同时，为了测量某一瞬 时同一界面上的压力与持液率，在环状探针的两个电极间各打了一个 测压孔，安装k e l l e r 压力传感器。由于探针与测压点间隔仅为2 5 m m ， 可以将采集的压力、持液率看作同一截面上的。 广一一阿5 0 一- 1 忙二二r = 二二 ! | | i ：； 一_ _ 牟8 0召盯一h 五瓦。5 图2 - 3探针尺寸图 电导探针的测量原理为：液体的电导与其高度存在对应关系，可 7 石油大学( 华东) 硕士论文第2 章试验装置和试验方法 以通过测量探针周围液体的电导来得到液体高度。这种方法响应频率 较快、测量精度较高。是最常用的方法，但它只适用于导电液体的测 量，同时对试验条件的变化也比较敏感，电路输出电压会受到流体粘 度、速度、温度等很多因素影响。因此，采用参考探针可以消除试验 条件变化的影响【2 l j 。本次试验过程中在水泵旁通处安装了环状参考探 针并进行了仔细标定( 标定结果见图2 - 4 2 7 ) ，结果与k c k a n g 口2 l 等人的实验结果一致，基本上消除了试验条件的影响。由图中可以看 出，环状探针标定曲线拟合度好于平行探针，并且其拟合曲线为三次 多项式，精度要高于平行探针的一次多项式。因此，本文液位实验数 据均采用环状探针数据。 遥 磊 塌 州 持渡率持液率 图2 - 4 探针1 ( 环状) 标定图图2 - 5 探针2 ( 环状) 标定图 ： 1 口 0 粤 磊。6 蚓 皋。 o2 持液率 图2 - 6 探针3 ( 平行) 标定图图2 7 探针4 ( 平行) 标定图 8 石油大学( 华东) 硕士论文第2 章试验装置和试验方法 电导探针处理电路包括4 部分1 2 3 】：( 1 ) 电流一电压转换电路；( 2 ) 全波整流电路；( 3 ) 二阶低通滤波电路；( 4 ) 信号放大电路，它的制作参 考了文献f 1 9 1 和文献【。b r o w n l l7 j 认为，电导探针的激励信号频率越高， 则电导探针的测量精度越高，最小的激励频率是l l d - i z ，小于该数值则 探针的电导会出现长项漂移( 1 0 n g t e r md r i f t ) 。在以往多次试验的基础 上，本次采用4 k h z 激励频率。 2 3 试验介质与物性参数 本试验采用空气、水作为介质模拟两相流动。 2 3 1 空气物性 密度：由气体状态方程可以得到： p ， p 产k g m 3 6 r ( t + 2 7 3 1 6 、一 其中r 为气体常数，空气取2 8 7 1 j ( k gk ) 粘度： u 。= u 。( ! ! ! ! ：! ! ) ! ! ! ! ：! ! 竺! p a s u s 5 “o 。l j 丽) i i ；j 了j 而p 8 8 其中uo 为o 。c 时一个大气压下的空气动力粘度，数值为17 1 1 0 p a s ，c = 1 2 2 k 。 23 2 水的物性 表面张力如下表 温度 51 01 52 02 53 03 54 0 ( 。c ) 张力 6 0 96 236 336 4 66 4 66 4 66 1 96 1 9 ( m n m ) 水在2 0 、1 标准大气压下物性参数为 密度：p 。= 9 9 8 2 k g m 3 9 石油大学( 华东) 硕士论文第2 章 试验装置和试验方法 运动粘度：”w = l ，0 0 7 e 一6 m 2 s 动力粘度：“。一1 0 0 5 e 3 p as 2 4 试验方法 试验的目的是对水平及微倾管路中水气两相流的流型、相分率及 压降进行研究。试验开始前，首先检查管路的固定情况。由于试验管 路较长，试验时会有很大振动，应仔细检查各紧固支座的固定，精确 调整管路所需角度。其次，调试实验系统及所有的测量仪器，如气液 体流量计、k e l l e r 压力传感器等。本次试验前利用称重法对液体流量 计进行了标定( 标定曲线如图2 - 8 所示) 。第三，当一切调试完毕后， 采用采集系统先进行空采，以便于消除设备初始值影响。f 式试验步 骤如下： 。 5 一 、三8 型 脚 丑 掉2 口 液体流量( 一7 s ) 图2 - 8 液体流量计的标定曲线图 1 调节所需气液量工况( 本次试验中气量1 0 - 1 4 0 m 3 h ，液量为 0 , 5 81 1 1 3 ， 1 ) ，待流动稳定后，认真观察管路内流型，并纪录管内流动 特征，同时设定需要采集时间和频率，对各信号数据进行采集和存储； 2 调整气液体流量( 当一种倾角做完后，还需调整管路至所需倾 斜角度) ，重复步骤2 ，直至完成全部试验。 0 石油大学( 华东) 硕士论文第2 章试验装置和试验方法 2 5 几种滤波方式效果比较 通常情况下，系统采集到的数据中不可避免的存在噪声。噪声有 两大类，一类是周期性的，另一类是随机性的。由于随机干扰信号的 存在，为了保证实验数据的可靠性，需要进行滤波处理，常用的方法 有：五点光滑滤波、m e d i a n 滤波、低通滤波、5 1 点光滑滤波、小波 自适应滤波等。图2 - 9 为一组压差试验数据信号分别利用低通滤波、 5 i 点光滑滤波、小波自适应滤波三种方法滤波后的结果。由图中可以 看出，小波自适应滤波能够较好的去除实验数据中的噪音信号，因此 采用小波自适应滤波方式处理实验数据。 石油大学( 华东) 硕士论文第2 章试验装置和试验方法 ：。 t ， 一 霎。 翟a ， a 。 o i 图2 - 9 几种滤波方法的效果比较 2 一 u d s 斯芏 石油大学( 华东) 硕士论文第3 章流型及转变机理 第3 章流型及转变机理 3 1 流型分类 气液两相在管路中的流动形式较为复杂，同时受到气液相密 度、粘度、表面张力、管子内径、重力加速度、管路倾角等多方 面因素的影响。目前，学术界存在多种流型分类方式，有的多达 十几种，所用名称也不尽相同以尽可能的描述不同的流动状态。 但作者认为，在不影响研究精度及工业应用的前提下，流型划分 种类应尽量少。多相流动是一个很复杂的过程，并带有一定的随 机性，只有集中在几种流型上才有可能使研究更加深入，结果更 具通用性。因此，本文研究中根据观察到的现象将气液两相流划 分为以下五种流型( 见图3 1 ) ： 1 光滑分层流：此时气液相流量较低，流动非常缓慢。在 重力作用下，液体在管线下部流动，气体在上部流动，二者之间 具有明显的光滑界面。 2 波浪流：随着气量的不断增大，气体在液体表面吹出小 的波浪，相间界面不再光滑而是呈现出明显的波状特征。 3 段塞流：气液量进一步增大时，流动逐渐出现间歇特征。 气量增大后，气团快速长大，频率加快，后端紧跟堵塞整个管路 截面的液塞。随着气量的持续增加，液相的变形程度加剧，液塞 长度缩短，在波峰的间歇期，管子顶部有明显液膜沿着管壁周向 流下。 4 环状流：发生在气量相对较大时。此时气体在管路中心 流动，液体分布在管路四周。通常情况下，流动成偏心圆环状， 由于重力作用，液体偏集中于管路下部。初时能观察到两相界面 呈波动状，当气量进一步增加后，二者界面变得平滑，即波状环 流转化成雾状环流。 5 泡状流：该流动发生在液量很大而气量很小时。液体充 石油大学( 华东) 硕士论文第3 章流型及转变机理 满整个管路，气体分散成小气泡，或集中在管子上部，或均匀分 散于液体中沿轴向流动。由于试验条件的原因，本次并未做出气 泡流动，但为了保证流型划分的完整性，在此予以列出。 另外，在试验数据处理过程中，常发现某些流动往往具有两 种流型的共同特点，作者并未将他们定义为新的流型，而是作为 某两种流型的过渡区域加以处理，本章中针对上述几种典型流型 的各种信号进行了详细分析。 3 2 流型识别 根据气液两相流界面特征的不同，流型可分为分层流、波浪 流、段塞流、环状流、泡状流五种。由于肉眼观察通常具有主观 性，本文通过电导探针信号及p d f 、p s d 、频谱相结合的方式来 识别和判断流型及其转变条件。 金星选 波浪流 渔挞速 图3 一l 气液两相流动常见流型图 3 2 1 流型直接识别 1 探针信号 气液两相流动试验中，通过采集卡将流动特征信号以电压的 形式采集至计算机，经过处理后得到典型流型的试验结果。下面 1 4 石油大学( 华东) 硕士论文第3 章流型及转变机理 是四种流型的探针电压输出信号，由于四个探针信号波动趋势一 致，只是数值大小的区别，所以以下只取探针1 ( 环状探针) 信 号予以分析( 图中纵坐标为电压值( v ) ，横坐标为时间( s ) ) ，由图 3 。2 中可以看出： ( 1 ) 光滑分层流动信号比较平缓，波动很小，本例中输出 电压值为3 6 5 3 8 0 v 之间，差值集中在o 1 5 v 范围内，此时肉眼 观察气液分界明显，界面平滑。 ( 2 ) 波浪流电压信号波小而密，振幅不大，最大值与最小 值差在1 v 以内，波峰排列均匀，并且没有明显的间歇性。此时 肉眼观察气液分界面明显，界面有波动。 ( 3 ) 探针电压信号呈现出明显的波峰、波谷，最大值与最 小值差别在3 v 以上。这是因为在液塞通过时，它充满管路整个 界面，液位非常高，当液膜通过时，气泡是不导电的，探针输出 电压比较低，于是形成了输出电压差值很大的现象。此时气液分 界面不规则，流动有明显脉动，气团与液塞交替通过，气团前端 光滑过渡到管壁上部，后面紧跟着翻滚的液塞，液塞中含有很多 小气泡。 ( 4 ) 环状流探针信号有两种波动形式，分别对应着波状环 状流和雾状环状流。波状环流的信号与波浪流的相似，但最大值 与最小值的差更大，一般在2 v 左右；雾状环流与光滑分层流信 号类似，但波动频率更快。此外，环状流发生时气液体流量很大， 比较容易区分。此时肉眼观察不到明显的气液界面，管壁四周均 有液体快速流动。 石油大学( 华东) 硕士论文第3 章流型及转变机理 时间( 时间( s ) 图3 - 2 典型流型探针信号圈 1 6 卸 ” 们 = ： 拍 一 v 趔邕口 o3s2 曲 如：拿帅“拍拍 。掣嗤诤 如52 m 曲(问时 0瞄 们”拍孔弱 ( v 培鹾廿 钟_：拍加”伸 v 靼鹾世 d 阳时 0 do 石油大学( 华东) 硕士论文第3 章流型及转变机理 厂 jl 五巡i ! 蛔。， 7 砀4 一| 脚枷舯彤劬仰船栅 8 0 一7 0 蛊6 0 l 5 0 。4 0 r 3 0 董2 0 匮盈 j 竺型竺坐燮 2 6 受2 5 o 2 3 掣2 2 15 20 253 0 时问( s ) o o0s 1o152 02530 时问( s ) 图3 - 3四种典型流型的压力特征图 7 4 3 2 1 o 0 8 口生一 r 兰 o一w 一 丽一 1j1j1j1j1jj 石油大学( 华东) 硕士论文第3 章流型及转变机理 时间( 图3 4四种典型流型的差压特征怪l 1 8 拍卸协 鼋生u 兰榭 3拈o ：曲 ”邶仰 一毒专龃州 雾一 1j|1111，11j+ 柏 旨； l 寻 仲 o o 曼u 旧州 52o5 ，问 。时 一墨_ v 蠼糊 o3s2 02 曲 s ( 问。时 s000 石油大学( 华东) 硕士论文第3 章流型及转变机理 2 压力信号 图3 3 为相同工况下四种流型的典型压力波动特征。图中横 坐标为时间值( s ) ，纵坐标为压力值( k p a ) 。由图中可以看出各流型 的压力特征如下： ( 1 ) 光滑分层流动压力比较平稳，基本上在一矩形范围内 波动，本例中范围为8 0 9 0 k p a ； ( 2 ) 波浪流压力信号与层流相似，波动小而密，有时有一 压力峰值，但并不绝对； ( 3 ) 段塞流压力图与其探针信号相似，波动很大，有明显 的波峰、波谷，波峰顶部成方波状，因为液塞中仍还有少量气泡， 因此方波上有微小的波动存在： ( 4 ) 环状流压力信号波动较大，差压值在3k p a 左右，比 光滑分层流动信号频率稍慢且振幅大。 利用压力信号识别流型时，可以绘制出一个较短采样时间内 压力波动图加以分析，段塞流与环状流动信号较易区别，光滑分 层流与波浪流动的信号难以区分，应利用其它方式辅助区分。 3 差压信号 图3 - 4 为四种流型的典型压差波动特征。图中横坐标为时间 值，纵坐标为压差值。由图中可以看出各流型的压差特征如下： ( 1 ) 光滑分层流、波浪流信号与其压力信号波动相似，波 动很小，主要集中在0 轴附近一个矩形区域内，光滑分层流值集 中在一0 ，8 0 2 5k p a 之间，波浪流动差压值稍大，集中在0 6 1 0 k p a 范围内。原因是在两种流动形式下，压力波动均比较小且频 率快，在两压力传感器处压力峰值碰到谷值的机率不大； ( 2 ) 段塞流压差值波动很大，有明显的波峰，波动范围0 4 0k p a ：这主要是因为最初两个压力传感器在同一t a y l o r 气泡 内，此时差压值基本保持在0 轴附近不变，当液塞头部到达上游 传感器时，该点处的压力值迅速升高造成压差值变大，当液塞头 1 9 石油大学( 华东) 硕士论文第3 章流型及转变机理 部到达下游传感器后差压值到达顶峰并开始下降，直到液塞离 开下游测压点，差压值恢复到起始水平； ( 3 ) 环状流压差信号与波状流相似，但差压值较大，集中 在o 35 k p a 范围内，但仅从图面上往往较压力图更难区分； 以上为利用液位、压力、压差信号直接区分流型的分析，从 分析中可以看出，探针液位信号非常直观、清晰，可以清楚的区 分各种流型，特别是对于些流动速度比较快的流型；通过压力、 压差信号能容易的分辨出间歇流与环状流，但光滑分层流与波浪 流动信号很相似，往往难以分辨。同时，作者认为，尽管信号图 分辨流型在很大程度上消除了主观因素的影响，但不得不承认在 一些方面特别是一些细节之处它的影响还是很大的，因此仍有必 要发展流型的间接识别方法。 3 2 2 流型间接识别 多相流动过程中，除了非常平稳的分层流动外，所有的流型 均表现出一定的波动特征。由于流动是局部点上气液相交替通 过，就造成该点压力、持液率、相分布等流动特性的波动。从本 质上讲，这些波动与流型有着密切的关系。通过对这些局部流动 信号的统计分析，往往可以得出不同流型的典型特征。本小节中 讨论了概率密度函数( p d f ) 、功率谱密度函数( p s d ) 及频谱函 数流型识别方法。 3 - 2 2 1 概率密度分析法及流型p d f 特征 当混合物以某种流型在管内流动时，传感器输出的动态电压 信号是反映该种流型特征的各态历经平稳过程。因此，可以用动 态电压信号单个样本纪录来确定流型的特征【2 6 l 。 1 探针信号 图3 5 为四种流型探针信号的典型p d f 特征。图中横坐标为 电导探针输出电压值，纵坐标为落在某一电压值范围内的采样点 的数目。由于电导探针的电压输出值与管路截面持液率呈确定的 石油大学( 华东) 硕士论文第3 章流型及转变机理 关系，所以得到的电压p d f 图也可以看作持液率的p d f 图。 3 0 0 2 5 0 2 d 0 ：】- 。 鞴 1 0 f j j 】 麓露 3 e 53 阳37 5 38 0 38 53 帅3 驰4o o40 5 电压值( v ) 分层流液位p d f 图 o b 0 0 皿 籁4 2 0 0 o撬l 40 455 0 55 6 ob57 07 580 电压值( v ) 段塞流液位p d f 图 5 0 0 4 0 0 3 0 a 血 瓤2 0 0 1 0 。 5 0 。 皿3 鼎2 锄 1 0 历隧霞黧 搦 煞 2 02 12 22 32 42 52 e272 b29303 13 233 电压值( v ) 波浪流液位p d f 图 蔗k 电压值( v ) 环状流液位p i g f 图 图3 5四种典型流型液位信号的p d f 特征图 由图中可以看出各流型的p d f 特征如下： ( 1 ) 分层流动比较平稳，整个电压值集中在3 6 5 4 0 5 v 之间一个很小的范围内，持液率变化不大，各电压值分布比较平 均，这与分层流动的特征相符； ( 2 ) 波浪流动输出电压变化范围较大，从2 3 3 v 之间， 但绝大多数数值点仍然集中在2 1 2 8 v 间，持液率波动较光滑 分层流分散，可能是因为波浪流中气液界面有了较大的波动，且 波浪的大小并不一致，使得管内液位发生了变化： ( 3 ) 段塞流动呈类似双峰分布特征，电压波动范围为4 o 8 0 v ，但采集点数值主要集中在4 o 5 ，0 v 之间： 2 1 石油大学( 华东) 硕士论文 第3 章流型及转变机理 ( 4 ) 环状流发生在气体流量很大的情况下，与波状流p d f 特征有些相似，但具有明显的极大值，电压分布范围为1 2 3 4 v 之间，由此可见环状流动中液位波动更大，但2 0 2 2 v 区闯数 目较集中，由图3 2 可以看出这是环状流平均液位所在： 2 压力信号 图3 - 6 为四种流型的典型压力p d f 特征。图中横坐标为压力 值，纵坐标为落在某一值范围内的采样点的数目。由图中可以看 出各流型的p d f 特征与电导探针信号相似。 撬l 压力( k p a ) 分层流? d f 图 露 縻勤磁 压力( k p a ) 5 0 0 0 0 3 0 0 卫 藏2 1 _i蘸震 笏 勉 e 5 o o 蠢蜘 2 1 压力( k p a ) 波浪流p d f 图 jk 段塞流p d f 图环状流p d f 图 图3 - 6 四种典型流型的压力p d f 特征图 石油大学( 华东) 硕士论文第3 章流型及转变机理 3 差压信号 图3 7 为四种流型的典型压差p d f 特征。图中横坐标为压差 值，纵坐标为落在某一值范围内的采样点的数目。由图中可以看 出各流型的p d f 特征与电导探针相似，但间歇流动差压值异常集 中，在2 k p a 附近。这一点也可由图3 - 4 中看出，在大部分时间 内差压值在0 轴上方某一点处，而3 秒时间内只有3 个波峰。 2 5 0 0 0 0 5 0 0 翱1 0 。o 5 。o j隧蠢霾 差压( k p a ) 分层流p d f 图 翼 习 纛， 差压( k p a ) 波浪流p d f 图 点熟 段塞流差压p d f 图环状流差压p d f 图 图3 7四种流型的典型差压p d f 特征图 3 2 2 2 功率谱密度分析法及流型p s d 特征 对于一个随机过程样本x ( t ) ，根据傅立叶能量定理其平均 功率为： 石油大学( 华东) 硕士论文第3 章流型及转变机理 l i m 刍耻。) i 2 折2 去e l i m 去r r x ( 圳2 如 显然，上式右边为一随机变量，随样本不同而对应不同的值， 但通过对它取期望值，就成为一个只是频率的函数，即： e ( 上2 a - e l i m 刍l x ( 。) 1 2 d c o ) = 去e l i m 去卧训2 d 甜 其中：l i m e ( i x ，( ) h 称为x ( t ) 的功率谱密度，记作s ：( ( 】) 。 由维纳一辛钦( w i e n e r - - k h i n c h i n e ) 定理，可以得到功率谱 密度与其自相关函数之间的关系： s ：( u ) = e 月。( f ) p 1 “研= l i m 击f r x ( f 弦一7 “出 式中：r 。( 1 ) = 1 i m 亭( 工o + f ) z ( ，) d t 为自相关函数。 试验中对信号x ( t ) 用等间隔时间t 采样取值，则t = r l t ( n = 0 ，1 ，2 ) ，时延1 = m a t ( m ：0 ，i ，2 ，) 为了保证试验 结果的可靠性，时延t 一般小于总采样时间的5 。此时可以得到 s ，( ( 1 ) ) 的离散形式 s 7 ，( u ) = 专窆蹦咖埘 iv n = 0 式中：艮( t ) 2 专x ( n ) o + m ) 1 n = 0 1 探针信号 各流型的探针信号p s d 特征如图3 _ 8 所示，由图中可以看出： ( 1 )光滑分层流与波浪流动p s d 随频率的增加迅速下降， 其频率主要集中在o 一2 h z 范围内，频率为2 h z 后，光滑分层流 p s d 曲线呈几乎与0 轴重合的一条直线，没有任何波动：波浪流 动探针信号p s d 曲线则有比较平缓的波动，在频率f = 2 0 h z 后趋 于与0 轴重台的直线； ( 2 ) 段塞流动p s d 值曲线下降缓慢，在频率f - - 1 0 h z 内一 边波动一边下降，f = 2 h z 处有一小的峰值，总体波动较光滑分层 石油大学( 华东) 硕士论文第3 章流型及转变机理 流及波浪流大； ( 3 )环状流动p s d 值在f = 0 附近下降很快，但下降至接近 0 轴时又有所增大，在f = - 5 h z 处形成两个极大值，然后振幅趋于 减小，在1 5 h z 后p s d 值趋于0 ； oo 一2 00 4 0o p s d b 00 。b 00 1 0 0o 1 2 00 h 图3 - 8 一i 层流探针信号p s d 图 2 5 5 4 3 2 1 o 0 0 0 0 o o 咖 石油大学( 华东) 硕士论文 第3 章流型及转变机理 图3 - 8 2 波浪流探针信号p s d 图 h z 图3 - 8 3 段塞流探针信号p s d 图 0 5