一种分相式气液两相流体分配方法

Vl = 2(ΔP − ρl gh) / ρl (1+ αl )
则回路内水的质量流量为：
Ml = ρl AlVl = αl' Al 2(ΔP − ρl gh)ρ l
（5） （6）
其中αl' 是αl 的函数，αl' = 1 / (1+ αl ) 。
则经过混合器混合后的气液混合物干度可表示为：
X1,2,3
参考文献
[1] Seeger W, Reimann J, Muller U. Two-phase flow in a T-junction with a horizontal inlet, part I: phase separation. Int J Multiphase Flow ,Vol.12,1986,575–585
0.258014 0.258014 0.258014 0.163167 0.163167 0.163167 0.142310 0.142310 0.142310 0.097432 0.097432 0.097432
1.001% 0.595% -1.564% -0.644% 0.988% -0.419% -0.198% 0.286% -0.078% 0.127% -0.196% 0.072%
（2）在主管道为分层流、波状分层流、弹状流以及部分环状流情况下，实验装配 可以达到较好的分离效果，由实验得知，各支路干度偏差小于 1.6%。最大偏差发生在主 管为分层流的情况下。同时发现，气路中携带少量的液滴和液路中携带少量气泡，都不 会影响分配器的正常工作。
（3）本文仅在出口压力一致的实验条件下对分离器的等干度分配效果进行了初步 实验，而当各支路的流量相差较大，如何才能保持各支路干度基本一致是今后研究的重 点。
2 分相式气液分配实验系统
在空气－水实验台上对图 1 所示的分相式分配器进行了实验研究。实验回路如图 3 所示，实验段全部由有机玻璃制成以方便观察，分配器主管内径为 60mm，长为 500mm， 主管上所布置的 3 个四通的支管内径均为 40mm；下支管连接的液体联箱为内径 60mm 的圆管，长为 500mm，由液体联箱引出的液相支路内径均为 18mm。气相支路与液相支 路布置在同一竖直平面上，三条支路之间的间隔为 150mm；气相支路先经过 400mm 的 上升段、300mm 的水平段后，下降 800mm，然后经过一段水平管连接在气液混合器上。 主管路上四通的下支管长度为 900mm，连接在液体联箱上。从液体联箱引出的液相支路 经过一段水平段后竖直向上与气液混合器相连。
图 5 第三路上支管有水膜示意图
图 6 第三路上支管水膜进入气路示意图
图 7 下支管液体夹带小气泡示意图
3.2 实验结果处理 由实验表明，在利用四通进行气液分离时，当流速较高，两相流体较难完全分离，
分离出来的气相中不可避免地会携带少量的液体，而液体流中会携带少量的气泡。只要 所携带的液体和气体在流动过程中能够跟随气相和液相一起流动，不再发生相分离，那 么就不会影响等干度分配，这种携带是允许的。但是如果携带量过高势必会影响气路和 液路上的流量计的正常工作。实验结果如表 1 所示，在分层流、波状分层流、弹状流和 部分环状流的情况下，气液两相流体均能在分配元件内得到较好分离，保证在单相状态 下进行分配。支路间的最大干度的偏差小于 1.6%。=M来自 Ml + Mg=
α
' l
Al
α
' g
Ag
2ΔP ρg
2(ΔP
−
ρl gh)ρl
+
α
' g
Ag
2ΔP ρg
（7）
由式（7）可知，当管路的尺寸固定后，液位 h 反映了混合物的干度，通过它的上 升或下降来补偿混合流体的干度变化。当 h 的数值为正时，下支管中的液位限制通过液 相支路的液体流动，使混合后的气水混合物有较高的干度；当 h 的数值为负时，下支管 中的液位会推动液相通过液相支路，使混合后的气水混合物保持较低的干度。因此，通 过下支管中的液位自动调节，每个支路的干度将会与进入系统的气水混合物的干度近似 相等，并不需要人为的进入干预。
综上，我们发现依靠改善相分离而进行的两相流分配方法有很大的局限性，而分配
* 基金项目：国家自然科学基金项目（50776071）
元件的分离能力在一定的条件下又可以得到加强，由此本文提出一种与当前分配原理完 全相反的分配方法-分相分配法。其基本原理是，利用普通分配元件的相分离特性，把气 液混合物分离成单相或接近单相的气体和液体，然后以单相流的形式分别进行分配，最 后再进行气液汇合。这种方法可以克服上述传统分配方法的缺点，为解决两相流分配问 题提供了一种新的思路。本文首先讨论分相分配法的原理，然后在空气水实验回路上进 行实验研究，最后对实验结果进行了分析。
图 4 主管路实验工况和流型转变界限 －曼德汉（Mandhane）流型转变界限[12]
3.1 分配器内气液两相流动特性 通过实验观察可知，气相与液相折算气速都较低时，主管内为分层流，分离效果很
好，气相与液相单独流动，分离完全，分配器可以很好的进行工作。当气速提高，由于 气相携带液滴能力增强，最先在第 3 条气路出现液膜，并随着气液两相流体的波动，液 膜始终处于上下跳动状态，但并不能随气体一起进入气体管路内，如图 5 所示。当主管 折算气速达到 12m/s 左右时，液膜平衡遭到破坏，分离效果恶化，少量液体能够进入气 体管路内，如图 6 所示。在下支管中，由于液体的夹带作用，会有少量气泡被液体携带 向下流动，气泡在液相中减速下降一段距离后会上浮出液位进入气路中，气泡的直径小 于 1mm。但随着液相速度的加大，一部分气泡会一直随液体下降到液体联箱而不能返回 气路中，见图 7 所示示意图。
结合图 1、图 2 可知，每一支路分配流动支管中的气相回路和液相回路之间为并联
关系，根据并联回路的性质，气相回路的总压降 ΔPg 应该等于液相回路的总压降 ΔPl ，
即： ΔPg = ΔPl = ΔP 。
气相回路的总压力降 ΔPg 包括气体管路上的阻力损失 ΔPg1 ，流体在四通中的分配压
降 ΔPg 2 及流过汇合三通的压力降 ΔPg3 。其中 ΔPg 2 和 ΔPg3 与 ΔPg1 相比较而言很小，几
中国工程热物理学会
多相流
学术会议论文
编号：086193
一种分相式气液两相流体分配方法*
张炳东，刘丹，温以千，王栋
（西安交通大学 动力工程多相流国家重点实验室,西安 710049） (Tel: 13619216516, Email: bingdong@)
摘 要：提出一种新的气液两相流体分配方法－分相分配法。该方法的特点在于，将气液两相流体的 分配转换成了单相流体的分配，从根本上克服了两相流体在分配过程中的相分离问题，保证了相分配 的均匀性。在空气水实验回路上对这种分配方法进行了实验研究，结果表明，在分层流、波状分层流、 弹状流和部分环状流的情况下，气液两相流体均能在分配元件内得到较好分离，保证在单相状态下进 行分配。支路间的最大干度的偏差小于 1.6%。 关键词：两相流；分相；分配；等干度
表 1 各种流型下分配器等干度分配效果
流型
支路 编号
WL1,2,3(kg/s)
WG1,2,3(kg/s)
X1,2,3
Xin
偏差
分层
1
流
2
3
波状
1
分层
2
流
3
环状
1
流
2
3
弹状
1
流
2
3
0.026340 0.025002 0.025507 0.061373 0.067455 0.061846 0.094170 0.090979 0.093090 0.088094 0.087210 0.083549
0 前言
在石油、化工和能源动力等工程领域中常需要将气液两相流体分配到两个或多个支 路中，在分配过程中总希望各支路出口的两相流体具有相同的气液比例，即按照等干度 原则进行分配。目前普遍所采用的分配方法是让气液两相流通过三通或集箱等普通的分 配元件进行直接分配，但这种分配方式往往会产生较严重的相分离现象，如不采取措施 则会导致各支管的干度出现明显的差异，影响下游部件和设备的正常工作，降低设备的 运行效率，甚至导致传热恶化和爆管事故的发生。因此有关气液两相流体在分配元件内 的相分离特性，以及如何克服相分离现象一直是多相流研究的一个热点和前沿性课题， 吸引了大批研究者如 Azzopardi[3-11]、Seeger[1]等对此进行了一系列的研究。研究表明， 在三通管内、集箱分配器内流动的气液两相流体都存在较为严重的相分离现象，相分离 的程度与入口的流型、干度、布置形式等因素有关。然而在如何消除相分离方面的研究 却进展不大，两相流的分配问题一直没有得到很好的解决，至今仍没有专门适合两相流 体的分配方法和元件，研究的思路大都局限在对单相流分配器的改进上。例如，目前常 用的放射型分配器及其改进型[2]就是想通过位置的对称、改善流型对称性等方法来改善 两相流体的分配效果，但是这些方法并不能从根本上解决两相流体等干度分配问题。
0.008687 0.008426 0.009610 0.012535 0.012212 0.012431 0.015879 0.014743 0.015544 0.009373 0.009625 0.008945
0.248009 0.252064 0.273657 0.169603 0.153288 0.167360 0.144290 0.139451 0.143086 0.096166 0.099393 0.096713
WL1,2,3 —液相质量流量； WG1,2,3 —气相质量流量； X1,2,3 —各支路干度；
度
Xin—主管气相入口干
4 结论
（1）分相式气液两相流分配方法在原理上将两相流分配转化成单相流分配，通过强 化相分离，避开了传统的依靠改善相分离而进行的两相流分配方法的缺陷。从而将较为 复杂的两相流的分配问题转化成了较为简单的气液分离问题。