气体非牛顿流体两相流动.doc

气体气体/ /非牛顿流体两相流动非牛顿流体两相流动 与气与气/ /水两相流动阻力特性的比较水两相流动阻力特性的比较 劳力云 吴应湘 郑之初 李东晖 石在虹 (中国科学院力学研究所应用流体力学研究室) 提提 要要 本文基于常用的均相流动模型，主要针对油/气/水混输管道中经常遇到的气 体/幂律液体水平管道两相流动，对其阻力特性进行了阐述，其中包括流动基本模型和方程、 常用的经验估算方法等方面，将它与气/水两相流动中对应的有关问题进行了比较。 SummarySummary In this paper, the pressure loss characteristics of the gas and power-law liquid two-phase flow that was often met within oil/gas/water concurrent transportation pipeline were presented. Based the homogeneous model- -one of the frequently adapted models, the issues of fundamental model and equations of the flow and the estimation methods of pressure losses were included. These results were also compared with the correspondents related to gas/water two-phase flows. 关键词关键词 均相模型 气液两相流 非牛顿流体 KeyKey wordswords homogeneous model, gas/liquid two-phase flow, non-Newtonian fluid 1 1 引引 言言 在海洋石油资源开发中，油气混输正在成为一种越来越重要的油气输运手段。为了了 解油气混输管道中的能耗，进行混输管线与增压系统的合理设计，在油气混输过程中对油、 气、水等介质进行有效准确的计量，以及对整个混输系统的运行状态进行监控等等，需要 深入了解油气混输管道的流动阻力特性。另一方面，油气混输问题实际上属于气液两相流 动中的气体/非牛顿液体的流动问题。而目前在国内外，气液两相流研究主要集中于对气体 /牛顿液体（尤其是气/水两相流）的流动特性上，对于气体/非牛顿液体流动问题的研究相 对较少，尚无比较成熟的结果。因此，对气体/非牛顿液体的流动阻力特性进行研究，不但 具有重要的工程价值，也具有较大的学术意义。 实际测试结果表明，我国油田所生产的原油，在常温输送时，其流变特性表现为幂率 流体的特性流动剪应力与剪应变呈现为幂率关系（对于管流即 n dr du K ）1，2。 其主要的参数为稠度系数 K 和幂率指数 n。本文中的非牛顿液体即指这一类流体。下面根 据两相流的均相流动模型和基本方程，针对油/气/水混输管道中经常遇到的气体/幂律液体 水平两相流动的阻力特性进行了阐述，并讨论了对摩擦系数的经验估算方法，将它与气/水 两相流动中对应的有关问题进行了比较。 2 2 均相流动模型均相流动模型 在某些两相流态中，如果一相均匀地弥散在另一相中，两相间的动量传递和能量传递 足够快，两相的局部平均速度和温度就基本相同。此时，可以应用均相模型对两相流的流 动特性进行研究。均相模型的基本思路是用一等效可压缩流体代替两相流体。一般，在研 究气泡流、雾状流等流态下的流动特性时，常采用均相流模型。均相模型的基本假设为： （1）（1）气液两相具有相同的线速度，即 HLG uuu （式中 u 表示介质线速度， 下标 G, L 和 H 分别表示气相、液相和均相，下同） ； （2）（2）两相间处于热平衡状态。 对于两相管流，设其轴线方向为 z，根据连续性、动量守恒和能量守恒原理以及上述 假设，可以得到： 0 1 dz dA A u dz du dz d u HH H H H H （1） sin 2 0 g dz dv G A P dz dp H Hr （2） sin 2 g dz dv G dz dF dz dp H H H （3） 上列式中，为介质密度，A 为流道截面积，p 为管道中的压力，Pr为流道周长， 0 为管 道壁面剪应力，HHu G 为质量流速， 1 v 为介质比容，g 为重力加速度， 为管道 轴线的倾角，F 为管道中摩擦力所引起的能量损失。 比较（2） 、 （3）两式，易知由摩擦力引起的管道压降 dz dpF 0 A Pr 2 4 2 HH e TP u D f dz dF H （4） 式中 fTP两相摩擦系数，De为两相流动水力直径。 实际上， （2）式反映了这样一个事实，管道的总压降由管道摩擦压降 dz dpF 0 A Pr 、管道加速压降 dz dpA dz dv G H2 和管道重力压降 dz dpF sing H三部分 构成的。流体的流变特性不影响其中的加速压降和重力压降，但将通过影响两相摩擦系数 而直接影响摩擦压降。 3 3 气气/ /水两相流的摩擦系数计算水两相流的摩擦系数计算 均相模型在本质上将两相流动视为单相流动，其摩擦系数的确定方法与单相流动类似。 在单相流动的摩擦阻力计算中，摩擦系数 f 与流体介质动力粘度 的关系比较简单，主要 决定于流动的 Reynolds 数 GD Re （式中 D 为单相流动的水力直径） 。当 Re 低于 2000 时（层流） ，摩擦系数为 Re/16f (5) 当 Re 高于 2000 时（湍流） ，则应用 Blasius 公式： 25 . 0 Re079 . 0 f (6) 对于气体/牛顿液体的气液两相流，常采用以下三种方法计算粘度3： （1）取两相粘度为单相粘度。 当含气率较低时，取两相粘度为液相粘度 LTP (7) 当含液率较低时，取两相粘度为气相粘度 LTP (8) （2）低浓度悬浮小球粘度计算式。 对于空隙率 低于 0.05 的气泡流，取两相粘度 为 )1 ( LTP (9) （3）经验拟合关系式。 常用下列几种 McAdams： LGTP xx 11 (10) Cicchitti： xx GLTP )1 ( (11) Dukler： GLTP )1 ( (12) 上列式中，x 为质量含气率（干度） ，为体积含气率。 4 4 气体气体/ /幂率流体流动的摩擦系数计算幂率流体流动的摩擦系数计算 对于气体/幂率流体两相流，在进行摩擦系数的计算时，其基本思路类似于气/牛顿液 体，但是应根据液相的流变特性进行必要的修正。 幂率液相的 Renoalds 数可以采用下式计算4： n n L n L n L n n K uD 4 13 8 Re 1 2 (13) 其临界 Renoalds 数c (Re) 也与幂率指数有关： 3 ) 13( )34)(23)(12(610 (Re) n nnn c (14) 在气相层流、气相紊流和液相层流时，可以参照牛顿流体的 Blasius 公式计算单相状态摩擦 系数；对于液相紊流时，则采用修正的 Blasius 公式计算液相摩擦系数： b L L a f Re (15) 其中 217 . 0 133. 0 25 . 0 ,3164 . 0 nbna 。 获得气、液两相的摩擦系数后，可以根据 xfxff GLTP )1 ( 计算出两相流摩 擦系数 fTP。而实际的均相摩擦系数还应进行修正。文献2根据三种管径的泡状流提出以下 的修正公式： B TPTP Aff (16) 参数 A、B 仅与幂率指数有关， 0255. 2 3804 . 0 nA (17) 8448 . 0 8911 . 0 nB (18) 需要指出，上述计算中，涉及介质的速度时应取介质的表观速度。 5 5 结论结论 在气体/幂率液体两相流各种流态中，气泡流和雾状流流态表现出较好的介质均布性， 如各参数沿流道的变化率不大，可以采用均相流模型。对于流动阻力中的重力分量和加速 分量，可以通过管道尺寸以及流动工况进行直接计算；对于流动摩擦阻力，需要根据实际 数据回归出经验关系进行估算。与气/水两相流相比较，需要进一步考虑液相引起流动摩擦 系