气液两相流
气液两相流 整理
第一章概论相的概念：相是体系中具有相同化学组成和物理性质的一部分，与体系的其它均匀部分有界面隔开两相流动的处理方法：双流体瞬态模拟方法和精确描述物理现象的稳态机理模型是多相管流研究的主要方法目前研究存在的问题：1、多相流问题未得到解析解；2、油气水三相流的研究不够深入；3、水平井段变质量流动研究较少；4、缺乏向下流动的综合机理模型；5、缺乏专用研究仪器气液两相流的分类：1、细分散体系：细小的液滴或气泡均匀分散在连续相中2、粗分散体系：较大的气泡或液滴分散在连续相中3、混合流动型：两相均非连续相4、分层流动：两相均为连续相气液两相流的基本特征：1、体系中存在相界面：两相之间也存在力的作用，出现质量和能量的交换时伴随着机械能的损失2、两相的分布情况多种多样：两相流动中两相介质的分布称为流型3、两相流动中存在滑脱现象：相间速度的差异称为滑脱，滑脱将产生附加的能量损失4、沿程流体体积流量有很大变化，质量流量不变气液两相流研究方法：1、经验方法：从气液两相流动的物理概念出发，或者使用因次分析法，或者根据流动的基本微分方程式，得到反映某一特定的两相流动过程的一些无因次参数，然后依据实验数据整理出描述这一流动过程的经验关系式。
优点：使用方便，在一定条件下能取得好的结果缺点：使用有局限性，且很难从其中得出更深层次的关系2、半经验方法：根据所研究的气液两相流动过程的特点，采用适当的假设和简化，再从两相流动的基本方程式出发，求得描述这一流动过程的函数关系式，最后用实验方法确定出函数关系式中的经验系数。
优点：有一定的理论基础，应用广泛缺点：存在简化和假设，具有不准确性3、理论分析方法：针对各种流动过程的特点，应用流体力学方法对其流动特性进行分析，进而建立起描述这一流动过程的解析关系式。
优点：以理论分析为基础，可以得到解析关系式缺点：建立关系式困难，求解复杂研究气液两相流应考虑的几个问题：1、不能简单地用层流或紊流来描述气液两相流2、水平或倾斜流动是轴不对称的3、由于相界面的存在增加了研究的复杂性4、总能量方程中应考虑与表面形成的能量问题5、多相流动中各相的温度、组分的浓度都不是均匀的，相之间有传热和传质6、各相流速不同，出现滑脱问题，是多相流研究的核心与重点流动型态：相流动中两相介质的分布状况称为流型或两相流动结构流型图：描述流型变化及其界限的图。
气液两相流
热物理量测试技术1概述两相流广泛应用于热能动力工程、核能工程、低温工程以及航天领域等许多领域。
所谓两相流，广义上讲是指一种物质或两种物质在不同状态下的流动，其中气体和液体一起流动称为气液两相流。
对于两相流中的气液混合物，它们可以是同一种物质，即汽—液(如水和水蒸气)，也可以是两种不同的物质，即气—液(如水和空气混合物)。
气液两相流是一个相当复杂的问题，。
在单相流中，经过一段距离之后，就会建立一个稳定的速度场。
但对于两相流，例如蒸汽和水，则很难建立一个稳定的流动，因为在管道流动中有压降产生，由于此压降作用会产生液体的蒸发，所以在研究气液两相流时必须考虑两相间的传热与传质问题。
两相流学科还处于半经验半理论阶段，对于两相流的流动和传热规律进行研究时，除了依靠各种数学物理模型外，还要依靠实验，这就需要两者相结合从而更好地进行研究。
2两相流压降测量[1]压降，即两相流通过系统时产生的压力变化，是两相流体流动过程中的一个重要参数。
保持两相流体流动所需的动力以及动力系统的容量和功率就取决于压降的大小。
一般说来，两相流体流动时产生的压降一般由三部分组成，即摩擦阻力压降、重位压降、加速压降，管道系统出现阀门、孔板等管件时，还需测量局部压降。
目前，常用差压计或传感器来测量两相流压降。
2.1利用差压计测量压降应用差压计测量气液两相流压降的测量原理图如图1所示。
所测压降为下部抽头的压力与上部截面上可列出压力平衡式如下：抽头压力之差。
在差压计的Z1（2.1）式中，为取压管中的流体密度；为差压计的流体密度。
由（2.1）可得：（2.2）由上式可知，要算出压降的值，必须知道取压管中的流体密度和差压计读数。
当管中流体不流动时：（2.3）式中，为两相混合物平均密度。
将式（2.3）代入（2.1）。
可得两相流体静止时，差压计中读数如下：（2.4）图1气液两相流系统中的压降测量从上面的方程式可知，为了从差压计得到压降，确定取压管中流体密度是十分重要的，这意味着取压管中的流体必须为单相液体或气体。
气液两相流
系统内即无压力梯度和温度梯度，且该系统内所
有共存相内也无化学势梯度时的状态。满足力学平衡、
热平衡和化学平衡。
（2）热平衡方程 饱和水焓
汽化潜热
i is rx
式中，i是流道某截面上两相流体的焓值，那么
x i is' r
（3）讨论
当 i is, x 0,t ts ，两相流动处于欠饱和态，
V V V M M
液相容积流量， m3/s ：
V M
气相容积流量, m3/s ：
V M
M V
M V
2.容积流量、相速度和折算速度
液相真实平均速度，m/s：
W
V A
M
A
过冷（欠热）沸腾或单相；
当is i is,0 x 1, t ts ，两相流动处于饱和
沸腾，这时热平衡含汽率等于质量含汽率；
当 i is, x 1,t ts ，过热蒸汽，单相汽体。
3.容积含气率β
指单位时间内流过某一截面的两相总容积中，气
相所占的比例份额。
V V
0.5
对比上面四种比， 容表达式,当S=1时，则有
A M 。 E m
o m
两相流特性参数的分类
(1) 流动参数： 可根据物质平衡或热平衡关系计算得到的
参数
x, , k; j, jg , j f ; wo,G; m,m; M , M , M ,V ,V ,V ;
截面上的两相流容积流量，m/s。它也表示两相流的平
均速度。
V V V
J
A
气液两相流 第2章-两相流的基本理论
x
1 (1 x)
G G
• 对于均相流动，考虑流体流过微元流道的平衡方程式，设流道截面积为A， 与水平面的倾斜角为θ。
• 针对最普遍问题，不做任何简化：非稳态、非等截面、有换热、有内热生成
• 2.4管内气液两相流的基本ห้องสมุดไป่ตู้程
q
z
qv
Vm
A
p
θ
τ0
q －经流道壁面进入系统的热流密度，W/m2 qv－单位体积的内热发生率，J/m3·s P － 流道周界长度
2.1管内气液两相流的基本参数
7、气相（真实平均）速度VG、液相（真实平均）速度VL（actual velocity） m/s VG=QG/AG, VL=QL/AL 事实上，它们是各相在其所占截面上的平均速度，真正的两相流 速应当是截面上各流体质点的速度---局部速度。
8、折算速度VSG、VSL(Superficial gas/liquid velocity) m/s VSG:假定气相单独流过管道整个截面时的流速（即折算到整个截面上） VSG=QG/A, VSL: VSL=QL/A (VSG=QG/A＝QG/(AG/α)=α·VG； VSL＝（1－α）·VL
2.1管内气液两相流的基本参数
3、质量含气率x（mass fraction of the gas phase）
流过某一截面的气相质量流量占两相总质量流量的份额。
x WG WG W WG WL
WG x W WL (1 x) W
质量含液率为：
1 x WL WG WL
单组份气液两相流的质量含气率x也称为干度（Dryness、Quality）。
2.1管内气液两相流的基本参数
⑴真实密度（又称分相流密度）
第2章 气液两相流的模型
v 2
两边同除 Adz 得
' dv dp v 2 4 g sin G 2 ' dx dp g ' f 2 vg vl x dz 2 D v A dz dp dz
1
2-11
G G G ' 所以 Gdv Gd dv d vl' x vg vl' v A A A
2
2
2-13
多相管流理论与计算
由于假定两相流动已达到热力学平衡状态
v' f ( p)
' dv ' ' dv d vl' x vg vl' vg vl' dx x dp 1 x l dp dp dp
多相管流理论与计算
两边同除以
VdZ
dI w dp dv v g sin 0 dZ dZ dZ
dI w dp dv [ v g sin ] dZ dZ dZ
总压力降
动能损失
重位损失
摩擦损失
多相管流理论与计算
dp ( )重位 g sin dZ
dIw dp ( )摩擦 dZ dZ
dp dv ( ) 加速度 v dZ dZ
dp dp dp dp ( )重位 ( )摩擦 ( )加速度 dZ dZ dZ dZ
dp dp v2 由 ( ) 摩擦＝ 并取 为正值 dZ dz d 2
气液两相流的流动与传热特性分析
气液两相流的流动与传热特性分析第一章绪论气液两相流是指在管内同时存在气相和液相的流体系统，广泛存在于化工、核能、石油、环境保护等领域。
气液两相流的性质复杂，不同于单相流，具有热质传递、固液分离、波浪波跃、喷射雾化等特点，因此近年来引起了学术界和工业界的广泛研究和应用。
本文将分析气液两相流的流动和传热特性，以期为气液两相流的研究提供一定的参考。
第二章气液两相流的分类和性质气液两相流可分为气体和液体相的接触和融合两种形式。
在接触形式中，气相和液相通过界面相互接触，形成泡沫、滴、膜或者液柱等结构，这种形式的气液两相流有着非常广泛的应用，例如泡沫塔、浮选、废水处理等；而融合形式则是泡沫或液滴在固体表面形成时液滴或泡沫发生融合，形成液膜或多孔材料衬垫，这种形式也有着广泛的应用，例如沉积薄膜、吸附剂等。
气液两相流的性质有着很强的诱导物质传递的能力，液相在气液界面上具有很高的活性质量，液滴和泡沫的直径很小，故它们的表面积很大，能够大大提高物质传递的速度和效率；同时，由于气液界面的存在，气液两相流还可以通过表面活性剂的加入在各个方面得到优化。
第三章气液两相流的流动特性气液两相流的流动特性，是指流体在管内或通道内的流动规律和物质传输规律等，是气液两相流传热的基础。
气液两相流的流动特性在不同应用环境下会发生很大的变化，例如流动状态、相对速度、相分布、颗粒形状、流体性质等都可能影响气液两相流的流动特性。
气液两相流的流动过程可分为单向流动和往返流动两种形式。
单向流动是指气体和液体分别自上往下或自下往上依序流动；而往返流动则是指液体在一方向流动过后再在相反方向流动，这种运动形态可以产生较为强烈的液相运动，从而增加了物质传递的效率。
第四章气液两相流的传热特性气液两相流传热是指在气液两相流中，气体和液体相互作用，形成温度差，从而引起的热传递过程。
气液两相流的传热性能对于增加热传递效率和提升传热效果具有十分重要的意义，在工业和科学研究中都有非常广泛的应用。
2-2.井筒气液两相流
• 出现雾流时，气体体积流量远大于液体体积流量。根
据气体定律，动能变化可表示为：
mvmdvm
Wt qg Ap2 P
dp
• 取 dh hk dP pk
m m
PP
•则
dp [ m g f ]dh
1
Wt qg Ap2 P
表2-2 流型界限
流动型态 泡流 段塞流 过渡流 雾流
界限
qg qt
LB
LM
75 84(vg
qL )0.75 qg
2.3.2平均密度及摩擦损失梯度的计算
(1)泡流 平均密度:
m H L L H g g (1 H g )L H g g
HL Hg 1
气相存容比(含气率)Hg ：管段中气相体积与管段容
积之比值。
液相存容比(持液率)HL ：管段中液相体积与管段容
m
LM LM
vg LS
SL
vg Ls LM LS
Mi
t
LM LM
vg LS
SL
vg Lg LM LS
Mi
图2-23 C2～NRe’曲线
(4)雾流
• 雾流混合物密度计算公式与泡流相同：
m H L L H g g (1 H g )L H g g
• 由于雾流的气液无相对运动速度，即滑脱速度接近于雾，
基本上没有滑脱:
Hg
qg qL qg
• 摩擦梯度:
f
f
g vs2g
2D
• 雾流摩擦系数可根据气体雷诺数和液膜相对粗糙度由图查
得。
NRe
g
gvsg D g
2.4计算井筒多相管流动的Beggs-Brill方法
• Beggs-Brill方法可用于水平、垂直和任意倾斜气液两 相管流动计算。
气液两相管路的特点
气液两相管路的特点
气液两相管路是指在管路中同时存在气体和液体两种相态的流体，其特点如下：
1. 混相分离：气液两相在管路中往往不是完全均匀混合的状态，会存在一定程度的区分。
在管路中会出现明显的气相和液相分层现象。
2. 流动性变化：气液两相在流动过程中，由于流速、流量、压力等因素的变化，会导致两相的相互转变，气相在高速流动时容易分离出来，而低速时容易重新溶解进液相中。
3. 携带性能：气液两相流体在管路中可以相互携带物质。
气体可以携带液滴或气泡，液体可以携带气泡或气团。
这种携带性能对于输送液体中的杂质、气体或溶质具有重要作用。
4. 压力变化：在气液两相流管路中，由于两相流体的存在，会导致管道中的压力变化。
气体的压力一般较高，液体的压力较低。
5. 反应性：在气液两相流管路中，气体往往可以与液体发生一些化学反应或物理吸收等反应。
这种反应性可以应用于气体的除湿、吸附、分离等过程中。
两相流原理
两相流原理两相流原理是指在一定条件下，两种不同物质（例如液体和气体）同时存在于同一空间中并进行相互作用的现象。
在工程和科学领域中，对于两相流的研究具有重要意义，因为它在许多领域中都有广泛的应用，如核能工程、化工工艺、石油开采等。
两相流的形成通常是由于液体的蒸发或气体的凝结引起的。
在一定的温度和压力条件下，液体和气体可以同时存在于同一空间中。
液体和气体之间存在着物质的传递和能量的交换。
这种相互作用可以通过质量传递、能量传递和动量传递来描述。
在两相流中，液体和气体的相互作用形成了许多有趣的现象。
例如，在汽车发动机中，汽油的喷雾与气体的混合是发动机燃烧过程中关键的一步。
在核电站中，蒸汽与冷却剂之间的相互作用决定了核反应堆的热效率。
在化工工艺中，液体和气体的传递现象对反应速率和生产效率有着重要影响。
两相流的研究方法可以通过实验和数值模拟两种途径来进行。
实验方法通常是通过设计实验装置，模拟两相流现象，并通过观察和测量来获得数据。
数值模拟方法则是通过建立数学模型和计算流体力学方法来模拟和预测两相流的行为。
这两种方法各有优势和限制，需要根据具体情况选择合适的方法。
在实际工程中，两相流现象的研究和控制具有重要意义。
例如，在核电站中，需要确保蒸汽与冷却剂之间的传递过程稳定可靠，以保证核反应堆的安全运行。
在石油开采中，需要研究和控制油水两相流的行为，以提高开采效率和减少环境污染。
为了更好地理解两相流现象，研究人员还提出了许多物理模型和数学模型来描述和预测两相流的行为。
这些模型基于质量守恒、能量守恒和动量守恒等基本原理，并结合实验数据进行验证和修正。
通过不断改进和完善这些模型，可以更准确地预测和控制两相流的行为。
两相流原理是液体和气体在一定条件下相互作用的结果。
研究和控制两相流的行为对于许多工程和科学领域具有重要意义。
通过实验和数值模拟等方法，可以更深入地了解两相流的特性，并应用于实际工程中。
随着科学技术的不断发展，对于两相流的研究将会在各个领域中得到更广泛的应用。
气液两相流 第1章-绪论
本课程主要考虑和解决的问题
5
第一章：绪论
主要Байду номын сангаас考文献
① 林宗虎，王树众，王栋. 气液两相流和沸腾传热，西安交通大 学出版社，2003.4
② Hetsroni,G. Handbook of multiphase Systems，McGraw-Hill, NewYork, 1982— 2. Liquid－gas systems，by Hewitt, G. F. and Ishii, M.
1.3 气液两相流（流体力学部分）的研究内容
⑴设计者要设计出有竞争力的产品（如高效换热器、两相仪表、安全 研究 经济的锅炉产品等） 目的
⑵运行者保持最佳运行工况，避免事故。（如油气混输操作）
⑴数值模拟软件的开发
和工 业应
提供设计和运行监控的数值依据
用相 结合 的研 究表
⑵设备的研制及其运行模拟
如两相分离器、混合器、分配器、两相流泵、段塞流捕集器；换热器、 反应器、精馏塔等。
气液两相流
Gas-Liquid Two-Phase Flow
内容概要
1 2 3 4
2
内容概要 5 6 7 8 9
3
第一章：绪论
1.0-课程概述 1.1-两相流定义 1.2-气液两相流的工程应用 1.3-气液两相流（流体力学部分）的研究内容
4
第一章：绪论
气液两相流广泛存在于能源与动力工程、石油、化工 、核能、冶金、环境工程等领域中。
(3) 石油、天然气工业
油气两相输送（海上长距离输送）、天然气输送（会产生凝析油） 热注法采油（蒸汽、水两相流动）、聚合物或泡沫驱油 两相流设备：两相流泵、段塞流捕集器、分离器、两相流仪表等。
气液两相流 第2章-两相流的基本理论
定义：是指气相或液相穿过以平均流速Vm前进的横截面单位面 积上的体积流量（m3/m2·s），即单位时间内穿过该横截面单 位面积的各相的体积。
气相的漂移流率： 液相的漂移流率：
jGD
(VG
Vm ) AG A
(VG
Vm ) VGd
jLD
(VL
Vm ) AL A
2.1管内气液两相流的基本参数
⑴真实密度（又称分相流密度）
定义：流动过程中，微元体内两相混合物质量与微元体容积之比，即：
m
Mm V
G ( A)l L (1 ) A l
A l
G
(1 )L
⑵流动密度：kg/m3
定义：流过某一截面的两相混合物质量流量W与体积流量之比
m
W Q
GQG LQL
Q
G
2.1管内气液两相流的基本参数
3、质量含气率x（mass fraction of the gas phase）
流过某一截面的气相质量流量占两相总质量流量的份额。
x WG WG W WG WL
WG x W WL (1 x) W
质量含液率为：
1 x WL WG WL
单组份气液两相流的质量含气率x也称为干度（Dryness、Quality）。
2.1管内气液两相流的基本参数
9、滑动比s:(slip ratio) 气相真实平均速度和液相真实平均速度之比。 s=VG/VL(反映两相间流速的不同)
10、滑移速度Vs：（slip velocity） m/s 两相间速度之差。（与两相间的动量交换密切相关） Vs=VG-VL=VGL=－VLG
11、两相流体的平均密度:kg/m3 有两种表示方法：真实密度 VS 流动密度
浅析气液两相流及其应用
浅析气液两相流及其应用气液两相流是指气体和液体在统一空间内混合流动的物理现象。
它的广泛应用范围，涉及到化工、生物燃料、能源、环境研究等诸多领域，因此以气液两相流为主题的研究十分重要。
首先，我们需要简单了解气液两相流的特征和分类。
根据粒子的尺寸和形状，气液两相流可分为气泡流和滴流两种类型。
气泡流是指气泡悬浮在液体中通过的流动，这种流动特点是液体内气泡数目巨大，容积分数较低；而滴流是指液滴悬浮在气体中流动，液滴数量比气泡少，容积分数比气泡高。
此外，气液两相流还有以下的特点：不可压缩性、流动性差、起伏波动和振荡存在、微观尺度下粘滞、惯性和重力的影响等。
接下来，我们可以简单谈一下气液两相流的数学模型。
数学模型是对物理现象进行描述的数学表达式或方程，能帮助我们理解气液两相流的本质。
在气液两相流的数学模型中，质量均衡方程、动量均衡方程和能量均衡方程是必不可少的三个方程式，对其进行数学分析和计算，可以得出具体物理现象的数量化结果。
此外，还需要注意到气液两相流的数学模型在研究中还需要考虑到多个参数的影响因素，如界面的接触角、流体物性、多相流粘度等等。
最后，我们可以从应用领域的角度探讨一下气液两相流的应用。
在化工领域中，气液两相流主要用于催化反应、气-液相变行为等诸多研究；在生物燃料领域中，气液两相流则可以用于微生物的培养等；在能源领域，通过研究气液两相流，可以实现煤、油、气的高效使用；在环境研究中，气液两相流可以用于研究气体和液体间的传质和传热。
综上所述，气液两相流研究对于众多学科领域都有极高的重要性，可以促进相关领域的发展和进步。
我们需要深刻理解其特征和分类，了解其数学模型，从而实现在多个领域取得重要的应用。
气液两相流密度
气液两相流密度气液两相流是指气体和液体同时存在并进行传输的流动状态。
在此种流动状态下，由于气体和液体的密度差异较大，因此其密度也会有所不同。
本文将以简体中文为主，探讨气液两相流密度的相关内容。
一、气体的密度气体的密度指的是单位体积内所包含的气体质量。
根据理想气体状态方程P V = n R T，气体的密度可以通过气体质量与体积的比值获得。
通常情况下，气体的密度会随着温度和压力的变化而变化。
具体来说，当温度升高或者压力降低时，气体的密度会呈现下降趋势；反之，当温度降低或者压力升高时，气体的密度会呈现上升趋势。
二、液体的密度液体的密度指的是单位体积内所包含的液体质量。
液体的密度是由液体的分子组成情况和压力决定的。
一般情况下，液体密度的变化范围相对较小。
与气体不同的是，液体的密度与温度变化关系较为微弱，通常可以忽略不计。
但是，液体的密度与压力变化关系较为明显，在高压下，液体的密度会有所增加。
三、气液两相流密度气液两相流密度是指气体和液体混合在一起后的总体积内所包含的质量。
由于气体和液体的密度差异较大，气液两相流密度的计算较为复杂。
通常情况下，气液两相流密度可以通过调和平均公式进行计算，即：(ρ_g * V_g + ρ_l * V_l) / (V_g + V_l)其中，ρ_g、V_g分别表示气体的密度和体积，ρ_l、V_l分别表示液体的密度和体积。
在气液两相流中，气相的密度一般较小，而液相的密度较大。
因此，在计算气液两相流密度时，液相的密度对最终结果具有较大的影响。
当液相比例较大时，气液两相流密度将逐渐接近液相的密度；而当气相比例较大时，气液两相流密度则会接近气相的密度。
四、气液两相流密度的应用气液两相流密度的研究对于工程领域中流体力学问题的解决具有重要意义。
在石油、化工、能源等领域中，气液两相流密度的准确计算和控制是设备设计和工艺优化的关键问题。
例如，在石油与天然气开采中，气液两相流密度的变化对于油气井生产和输送具有重要影响。
气液两相流
气液两相流This manuscript was revised by the office on December 22, 2012热物理量测试技术1 概述两相流广泛应用于热能动力工程、核能工程、低温工程以及航天领域等许多领域。
所谓两相流，广义上讲是指一种物质或两种物质在不同状态下的流动，其中气体和液体一起流动称为气液两相流。
对于两相流中的气液混合物，它们可以是同一种物质，即汽—液(如水和水蒸气)，也可以是两种不同的物质，即气—液(如水和空气混合物)。
气液两相流是一个相当复杂的问题，。
在单相流中，经过一段距离之后，就会建立一个稳定的速度场。
但对于两相流，例如蒸汽和水，则很难建立一个稳定的流动，因为在管道流动中有压降产生，由于此压降作用会产生液体的蒸发，所以在研究气液两相流时必须考虑两相间的传热与传质问题。
两相流学科还处于半经验半理论阶段，对于两相流的流动和传热规律进行研究时，除了依靠各种数学物理模型外，还要依靠实验，这就需要两者相结合从而更好地进行研究。
2 两相流压降测量[1]压降，即两相流通过系统时产生的压力变化，是两相流体流动过程中的一个重要参数。
保持两相流体流动所需的动力以及动力系统的容量和功率就取决于压降的大小。
一般说来，两相流体流动时产生的压降一般由三部分组成，即摩擦阻力压降、重位压降、加速压降，管道系统出现阀门、孔板等管件时，还需测量局部压降。
目前，常用差压计或传感器来测量两相流压降。
利用差压计测量压降应用差压计测量气液两相流压降的测量原理图如图1所示。
所测压降为下部抽头的压截面上可列出压力平衡式如下：力与上部抽头压力之差。
在差压计的Z1P1+(P2−P1)P P P=P2+(P4−P3)P P P+(P3−P1)P P P（）式中，P P为取压管中的流体密度；P P为差压计的流体密度。
由（）可得：P1−P2=(P3−P1)P(P P−P P)+(P4−P2)P P P（）由上式可知，要算出压降P1−P2的值，必须知道取压管中的流体密度P P和差压计读数P3−P1。
气液两相流动
第五章
第二节
2.2 基本方程
气液两相流动
气液两相流动基本方程式
⎧分相流动模型 基本流动模型 ⎨ ⎩均相流动模型
一元稳定流动 基本假设 圆管截面压力均匀分布 界面有质量交换 质量守恒 方程内容 动量守恒 能量守恒
第五章
第二节
2.2 基本方程
气液两相流动
气液两相流动基本方程式
气液两相流体在倾斜管中作分相流动时流体微元段示意图
QL
第五章
第二节
2.1 基本参数
气液两相流动
气液两相流动基本方程式
6．体积含气率 β 和体积含液率 (1− β )
β = QG / Q = QG / ( QG + QL )
(1 -β ) = QL / Q = QL / ( QG +QL )
用质量含气率表示为：
β = x / [x + (1 - x ) ρG /ρL ]
第五章
第二节
2.1 基本参数
气液两相流动
气液两相流动基本方程式
1．截面含气率及截面含液率（又称真实含气率及真实含液率）
α = AG / A
1 − α = AL / A
2．质量流量，气相质量流量及液相质量流量
W = WG + WL
第五章
第二节
2.1 基本参数
气液两相流动
气液两相流动基本方程式
3．质量含气率 x 及质量含液率 (1-x)
12．气液两相流体平均流速
vm = Q / A
第五章
第二节
2.1 基本参数
气液两相流动
气液两相流动基本方程式
13. 循环速度
υC = (WG + WL ) /( Aρ L ) = J G ρG / ρ L + J L
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气液两相流流型识别理论的研究进展
摘要：介绍了气液两相流的识别理论，探讨了气液两相流流型的划分方法。
叙述了两相流流型软测量方法，并重点介绍了图像处理识别、在线流型技术识别、神经网络、基于压差波动理论、混沌理论等识别流型的新方法。
关键词：气液两相流；流型识别
0 引言
相的概念通常是指某一系统中具有相同成分及相同物理、化学性质的均匀物质成分，各相之间有明显可分的界面。
从宏观的角度出发，可以把自然界的物质分为三种，即:气相、液相和固相。
单相物质的流动称为单相流，如气体流或液体流。
所谓两相流(Two-Phase Flow)或多相流(Multiphase Flow)是指同时存在两种或多种不同相的物质的流动。
近年来随着国内外石油和天然气工业的发展，迫切需要开发出精度较高的油气水三相流量在线测量仪，以便掌握各个油井的生产动态。
然而，多年来尽管在这方面进行了大量的研究工作，取得了一些进展，但是仍然没有彻底清晰地认识和了解油气水三相混合物的流动型态。
在现今的多相流检测技术领域中，流型的识别问题变得越来越重要。
1 两相流流型
由于存在一个形状和分布在时间和空间里是随机可变的相界面，而相间实际上又存在一个不可忽略的相对速度，致使流经管道的分相流量比和分相所占的管截面比并不相等。
这就导致了两相流动结构多种多样，流型十分复杂。
流型是影响两相流压力损失和传热特性的重要因素。
两相流各种参数的准确测量也往往依赖于对流型的了解。
因此为了对两相流的特征参数进行测量，必须了解它们的流型。
1.1垂直上升管中气液两相流流型
（1）、泡状流（Bubbly Flow）：气泡以不同尺寸的小气泡形式随机离散分布在流动的液体中。
显然，此时气体为离散相，而液体为连续相。
随着气速的增加，气泡尺寸会不断增大。
（2）、段塞流（Slug Flow）：在气泡流动中当气泡的浓度增高时，气泡聚合为直径接近于管内径的塞状或炮弹状气泡，气泡前端部分呈现为抛物线形状。
在这些塞状气泡之间可带有小气泡的液团。
当气泡快速上升时，液体在气泡与管内壁间的间隙中流动。
（3）、混状流（Churn Flow）：当气泡速度进一步增大时，段塞流中的气泡速度也随之增加并产生破裂、碰撞、聚合和变形，与液体混合成为一种不稳定的上下翻滚的湍动混合物。
此时气液两相界为离散相。
（4）、环状流（Annular Flow）：液流沿着管道的内壁形成一层液体薄膜，而气流则在管道中央流动。
这样，气液两相都变成了连续相。
不过，在这种情况下，管道中央的气体通常还夹带着一些液滴一起流动。
（5）、液丝环状流（Wispy－Annular Flow）：当气液两相流为环状流时，继续增加液相流量，管壁的液膜将加厚且含有小气泡，中心的液滴浓度增加，被中心
部分气核从液膜带走的液滴在气核内形成不规则的长纤维形状[1]。
1.2水平管道气液两相流模型
由于重力影响造成了水平管道内流动的不对称性，使得其与垂直管道流型有所不同，我们根据Oshinowo流型划分原则把水平管道中的流型划分六种，即泡状流、塞状流、分层流、波状流、弹状流、环状流。
2 两相流流型软测量方法综述
许多研究者根据实验研究和理论推导得到了流型划分的流型图及流型转换判据，但由于实验条件限制，得到的结果通用性差无法实现流型参数的在线识别。
在使用各种仪器设备对管道内的两相流体进行测量的过程中，人们可以使用观察法、高速摄影等方法直接对流型进行辨识，也可以通过对反映两相流流动特性的波动信号进行处理分析提取出流型特征进而进行流型辨识，我们主要讨论后者的发展概况。
a、频域处理方法
早在1966 年Hubbard和Dukler就将水平管道气液两相流压力信号的功率谱分析结果用于流型判别，Matuskiewicz等利用功率谱密度的方法对气液两相流中从泡状流到段塞流流型进行了预测。
功率谱密度分析方法的一个关键问题是功率谱密度分布不完全取决于流型，与流体混合速度的关系较大。
b、幅值域处理方法
幅值域的处理指对信号幅度进行统计处理，所给出的结果可以反应信号幅变化的分布规律。
常用的参数有概率密度函数、方差、均值等。
由于气液两相流参数直接影响着流动信号的统计特性。
对于测量获得的气液两相流体系中的常规信号，比如局部空隙率、压力、压差信号及电导、电容信号在幅值域上进行统计处理往往可以实现对流型、空隙率等流动参数的检测估计。
c、非线性分析方法
对于具复杂性、不确定性且难以用数学模型精确描述的两相流流型辨识问题，众多学者引入现代信息处理方法通过非线性特征量表征两相流流型。
d、信息融合方法
除了以上信号处理方法外，在气液两相流流型判别中，也有研究者应用模糊信息处理、模式识别和人工神经网络等软测量手段对两相流流型进行了辨识。
采用信号处理的方法辨识两相流流型，避免了复杂的机理分析，但特征量的提取方法仍存在很多问题，一种信号处理方法不能解决不同测量对象及不同工况条件下的所有流型辨识问题；一些非线性特征量计算量大，提取并非容易，这也限制了该方法的实时性和推广应用；此外一些算法本身的鲁棒性及全局收敛性仍有待于进一步研究；对于复杂过渡流型缺乏效果明显的判别方法[2]。
3流型识别的新方法
3.1基于图像处理流型识别
根据图像灰度直方图统计特征,提出了一种基于图像处理和改进支持向量机相结合的气液两相流流型识别的新方法。
该方法是应用高速摄像机在气液两相流试验台上获取7 种典型流型的图像,经过图像处理,对图像进行灰度直方图统计特征提取构成特征矢量,作为流型样本对改进支持向量机进行训练与识别。
实验结果表明:图像灰度直方图特征可以很好地反映各流型之间的差异;改进的支持向
量机原始的支持向量机相比分类性能好,运算时间短,网络识率高达99104 % ,为流型在线识别提供一种新的有效方法。
3.2在线流型技术识别
气液两相流流型在线识别软件的数据采集单元，是基于PXI-6251 以及PXI-5105 模块，使用LabVIEW2010 编写16 通道采集程序，包括实现计算机与采集板的连接、采集各路通道的选取与设置、采集参数的设定以及采集数据文件的记录与存储。
软件需要用到LabVIEWLabSQL工具包来实现对数据库的连接，使用MicrosoftAccess[3]建立流型特征向量数据库，以及调用MATLAB 完成特征提取功能与神经网络流型识别功能。
3.3基于神经网络的流型识别
人工神经网络是一种应用类似于大脑神经突触联接的结构进行信息处理的数学模型，它是由大量处理单元互联组成的非线性、自适应信息处理系统，通过模拟大脑神经网络处理、记忆信息的方式进行信息处理，近年来在多相流的流型识别方面也开始应用。
周云龙等认为由于流型的多样性和模糊性，单纯的应用神经网络来识别流型并不是很准确，因此提出了一种运用神经网络和D－S证据理论二者多特征信息相融合的来识别气液两相流流型的方法，这就使得准确率提高了很多。
Embrechts等通过Kohonen自组织特性映射神经网络模型，对水平管内的气液两相流流型进行识别，结果表明，所有流型基本都能被识
别出来。
3.4基于压差波动理论的流型识别
由于流动参数的波动性是气液两相流的普遍特性，受流型的影响很大，因此可以利用两相流动参数的波动特性来识别流型。
压差波动法识别流型的原理是: 流型不同，两相流动的扰动度也不同，因此不同流型的两相流体流过压差测量段时就会得到不同的压差波动信号利用压差波动理论来识别流型具有信息量大，容易处理，识别准确率高的优点，因此应用比较广。
3.5基于混沌理论的流型识别
多相流动系统是一个非线性的动力耗散型系统，它主要表现为一系列的混沌运动，混沌运动表现出其特有的随机性，具有普适性。
混沌系统通过其运动轨迹在相空间中的几何形态，即分形来进行描述，而分形的特征以分维来体现。
由于所描述的具体对象不同，分维计算的具体形式也有多种，例如信息维数、混沌吸引子关联维数和分形维数等。
应用混沌理论来识别流型在近年来已经成为一个新的发展趋势。
4结论
经过国内外研究者几十年的不懈努力，气液两相流的流型识别技术有了长足的发展，已经由最初的由实验得出的流型图和通过转变机理得出的流型转变关系式这两种传统的流型识别方法发展到采用一些现代高科技仪器直接识别流型和运用信息处理手段间接识别流型的程度。
在现有的成熟的单相流仪表的基础上借助微波技术、激光技术、光谱技术、层析成像技术、过程成像技术等各种技术，研制出高准确度、高灵敏度、高可靠性的多相流传感器和流型检测仪表来识别流型，势必会成为最简单、直观的流型识别方法。
而利用压差波动理论、混沌理论、人工神经网络、复杂度理论、小波分析、Zernike 矩等这些现代检测理论对流型
进行间接识别则是揭示流型这一复杂动力学特性的有力手段。
希望经过不懈的努力，研究出更好地流型判别方法，能够更准确的确定流型，更好地为我们的生活、生产服务。
参考文献：
[1] 白博峰，郭烈锦，赵亮.汽(气) 液两相流流型在线识别的研究进展[J].力学进展.2001，31(3)：437～4461
[2] 周云龙，陈飞，孙斌.基于图像小波包信息熵和遗传神经网络的气液两相流流型识别[J].核动力工程.2008，29(1)：115～120
[3] 孙斌.1基于小波和混沌理论的气液两相流流型智能识别方法：[博士学位论文].保定：华北电力大学，2005．12～21
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