第三章-多相流流型及判别方法

2020/5/27,1,第三章多相流流型及判别方法,多相流中各相介质的分布情况称为流型（又称多相流流动结构）。在多相流分析中，最核心的部分是多相流的流型确定。流型不同，多相流动的流动特性和传热、传质性能均不同。下面以石油工业中广泛应用的气液两相流、液液两相流、气液液三相流的流型分析为例，讨论多相流的流型及其判别方法。第一节描述多相流的主要参数及其计算公式以最常见的气液两相流（其它多相流可类推）为例，描述多相流的各种参数有：一、流量（一）质量流量单位时间内流过管路横截面的流体质量称为质量流量。对于气液两相混输管路有：,2020/5/27,2,第三章多相流流型及判别方法,（二）体积流量单位时间内流过管路横截面的流体体积称为体积流量。对于气液两相混输管路有：二、流速（一）气相和液相速度气相速度：液相速度：（二）气相和液相的折算速度气相折算速度：,2020/5/27,3,第三章多相流流型及判别方法,液相折算速度：（三）气液两相混合物速度（四）气液两相混合物的质量流速三、滑差和滑动比滑差：,2020/5/27,4,第三章多相流流型及判别方法,滑动比：四、含气率和含液率（一）质量含气率和质量含液率质量含气率：质量含液率：（二）体积含气率和体积含液率体积含气率：,2020/5/27,5,第三章多相流流型及判别方法,体积含液率：（三）截面含气率和截面含液率（又称持液率）截面含气率：截面含液率：（四）三种含气率间的关系体积与质量含气率：,2020/5/27,6,第三章多相流流型及判别方法,对于截面含气率有：五、两相混合物密度气液两相混合物密度有两种表示方法：（一）流动密度（二）真实密度六、两相混合物粘度（一）杜克勒（Dukler）计算式：,2020/5/27,7,第三章多相流流型及判别方法,（二）麦克达姆（MeAdam）计算式：（三）西克奇蒂（Cieccheitti）计算式（四）阿黑尼厄斯（Arrhenius）计算式第二节多相流的各种流型多相流的流型划分通常有两类方法：一类是按照流体的外观形状来划分；另一类则是根据相的分布特点来划分。通常说来，基于现象描述的划分方法多用第一种，而基于流动机理的划分方法则多用第二种。,2020/5/27,8,第三章多相流流型及判别方法,图3-1水平气液两相流流型两类划分方法示意图一、气液两相流流型（一）水平或微小倾角（5）管中气液两相流流型,2020/5/27,9,第三章多相流流型及判别方法,1、水平不加热气液两相流流型图3-2水平不加热气液两相流流型,2020/5/27,10,第三章多相流流型及判别方法,一些学者将过渡区域进一步细分，得到更精细的流型划分图。如埃尔乌斯(Alves)法(8种流型)就另加了两种流型(如图3-3)：图3-3埃尔乌斯细分出来的两种流型2、水平受热蒸发管气液两相流的流型划分水平蒸发管由于加热，在管中出现相变，其基本流型演变过程为：图3-4加热水平蒸发管气液两相流的流型,2020/5/27,11,第三章多相流流型及判别方法,（二）垂直上升气液两相流的流型划分1、垂直上升（立式）不加热气液两相流流型图3-5垂直上升不加热气液两相流的流型,2020/5/27,12,第三章多相流流型及判别方法,2、垂直上升（立式）受热气液两相流流型同水平蒸发管类似，由于加热，在垂直上升管中出现相变，其基本流型演变过程为：图3-6垂直上升受热气液两相流的流型从图中可以看出，管线在受热后仍保持了垂直管线流型的对称性这一特点。（三）垂直下降气液两相流的流型划分图3-7是气液两相流在管中垂直向下流动时的流型示意图。这种环状流动结构和垂直上升气液两相流的环状流型相近，但流向相反。,2020/5/27,13,第三章多相流流型及判别方法,图3-7垂直下降气液两相流的流型（四）倾斜管内气液两相流的流型划分向下倾斜时，以层状流为主；向上倾斜时，以间歇流为主。通常，当管路,2020/5/27,14,第三章多相流流型及判别方法,倾角超过30时，流型变化接近垂直管路的流型。二、液液两相流流型（一）水平管液液两相流流型示意图图3-8划分较粗略的水平油水两相流流型,2020/5/27,15,第三章多相流流型及判别方法,在国内，西安交通大学的刘文红等人经过实验，提出了划分更细致的水平管油水两相流的流型图：图3-9划分较详细的水平油水两相流流型,2020/5/27,16,第三章多相流流型及判别方法,（二）垂直上升管的液液两相流流型划分图3-10垂直上升油水两相流流型三、气液液三相流,2020/5/27,17,第三章多相流流型及判别方法,（一）水平管气液液三相流流型图3-11水平管油气水三相流流型,2020/5/27,18,第三章多相流流型及判别方法,（二）倾斜管气液液三相流流型关跃波等人对倾斜下降管油气水三相流流型进行了实验，描述了各种流型下的测量信号特征，将下降倾斜管中的气液液三相流型分为泡状流、分层流、弹状流和环状流四种。但没有给出具体的流型示意图。四、液固两相流（一）水平管液固两相流流型示意图图3-12水平管液固两相流流型示意图,2020/5/27,19,第三章多相流流型及判别方法,（二）垂直上升管液固两相流流型示意图图3-13垂直上升管液固两相流流型示意图,2020/5/27,20,第三章多相流流型及判别方法,五、气固两相流气固两相流的流动结构和液固两相流流型相似。在图3-13中如将液体换为气体，即可得到气固两相流流型示意图。第三节多相流流型判别方法影响流型的因素很多，主要有以下几项：流型与各相流体流量流型与流体的物理性质流型与管径流型与倾角,2020/5/27,21,第三章多相流流型及判别方法,第四节多相流流型判别方法一、气液两相流流型判别方法（一）纯水平管气液两相流流型判别方法1、基于流型图的流型划分方法A）贝克（Baker）流型图判别法,式中：g管路条件下气体对空气的相对密度；l管路条件下液体对水的相对密度；w水的表面张力，w=7310-3N/m；,2020/5/27,22,第三章多相流流型及判别方法,图3-14贝克流型分界图,2020/5/27,23,第三章多相流流型及判别方法,为了便于在计算机上使用，可用圆锥曲线和直线对各流型分界线进行回归，得到各流型的分界线：1）分界曲线C1C4的方程：C1:其中：t1=-0.2416111x-0.3066479s1=t12-1.88392(-0.03503182x+0.0009900329)(x+1)C2:其中：t2=0.9651259x-2.929975s2=t22+2.507024(-0.6786298x+1.371668)(x-0.3992537)C3:,2020/5/27,24,第三章多相流流型及判别方法,其中：t3=-0.1802189x-0.6310028s3=t32-1.68626(-0.06970762x+0.3322258)(x+0.1417911)C4:其中：t4=0.03879953y-0.5815664s4=t42+0.1132445(-0.1796877y+0.7710848)(y-5)2）分界直线：L1L3的方程为：L1:L2:L3:3）流型判别程序流程图,2020/5/27,25,第三章多相流流型及判别方法,图3-15贝克流型判别程序流程图,2020/5/27,26,第三章多相流流型及判别方法,B）Scott流型图1963年，Scott对Baker图作了修正，提出了修正的Baker流型图（如图3-16）。图3-16Scott修正后的贝克流型分界图,2020/5/27,27,第三章多相流流型及判别方法,C）Schieht流型图图3-17Schiehtj流型分界图,2020/5/27,28,第三章多相流流型及判别方法,D）曼德汉（Mandhane）流型图判别法图3-18曼德汉流型分界图,2020/5/27,29,第三章多相流流型及判别方法,第五节气液两相流典型流型分析在气液两相流典型结构分析中，为了反映流动本质，可将相似流型区域合并，按以下流型：分层流、环状流、分散气泡流和段塞流四种流型分析。一、分层流（一）分层流的几何模型,式中：管线倾角；Ag、Al气、液相过流面积；Sg、Sl管路横截面上气相湿周；,2020/5/27,30,第三章多相流流型及判别方法,（二）分层流的物理模型（三）分层流各参数间的关系,式中：g重力加速度；g气相密度；l液相密度；wg气相与管壁的剪切应力；wl液相与管壁的剪切应力；i气液相间剪切应力。,2020/5/27,31,第三章多相流流型及判别方法,1、液位高度同气液分解线与管截面圆心所张圆心角2、截面含液率HL与气液分解线与管截面圆心所张圆心角的关系3、气相和液相的管壁湿周和气液分界面的宽度4、气液相所占管路横截面积,2020/5/27,32,第三章多相流流型及判别方法,5、气液相平均流速（四）分层流本构方程1、气液相水力半径2、气液各相与管壁的单位长度剪切力及气液相间单位长度剪切力,2020/5/27,33,第三章多相流流型及判别方法,式中，f为范宁系数。3、气液各相范宁系数的求法当Re2000时：当Re2000时：由于上式为一隐函数，不易求解。如精度要求不高，可用下式求解：,2020/5/27,34,第三章多相流流型及判别方法,1、气液相间范宁系数的求法当wsgwsg,t时：当wsgwsg,t时：其中：wsg,t为光滑流转变为波状流的临界表观气相速度，它的表达式为：（五）确定分层流结构的方法在确定分层流流动结构参数时，可采用以下解法：1）将本构方程和分层流几何关系代入物理模型中，可得到仅含液位高度hl的一元方程。用二分法求解该方程，得到分层流动时液位高度hl。,2020/5/27,35,第三章多相流流型及判别方法,2）结合分层流几何关系，可确定出各相湿周、持液率等结构参数；3）用各相流量和持液率求解各相流速；4）用各相流速求解气、液相与管壁的范宁系数和相间的范宁系数。二、环状流（一）环状流的几何模型,式中：管线倾角；Ac、Af气核、液膜的过流面积；Sl管路横截面上液相湿周；Si管路横截面上气液相间界面长度。,2020/5/27,36,第三章多相流流型及判别方法,（二）环状流的物理模型式中：g重力加速度；c气核密度；l液膜密度。wl液相与管壁的剪切应力；i气液相间剪切应力。（三）环状流各参数间的关系1、截面含液率HL与液膜厚度的关系2、当气核中含有液滴时，截面含液率的计算方法为：,2020/5/27,37,第三章多相流流型及判别方法,2、气核中含液率3、气相和液相的管壁湿周和气液分界面的宽度4、气液相所占管路横截面积,2020/5/27,38,第三章多相流流型及判别方法,5、气液相平均流速当气核中含有液滴时，气液相平均流速的计算方法为：式中：FE气核中液滴占总液相的体积比。（四）气核中液滴占总液相的体