水平管气液两相段塞流的波动特性

第59卷　第11期 化 工 学 报 Vol 159　No 111
　2008年11月 Journal of Chemical Industry and Engineering (China ) November 2008
研究论文
水平管气液两相段塞流的波动特性
罗小明,何利民,吕宇玲
(中国石油大学储运与建筑工程学院,山东青岛266555)
摘要:气液两相段塞流是液塞和长气泡在空间和时间上的交替,在流动过程中表现出间歇性和不稳定性。

系统
地研究了水平管中段塞流持液率、压力和压差的波动特性。

结果表明,段塞流持液率的概率密度分布为双峰分布,高持液率峰对应于液塞区,低持液率峰对应于液膜区;在压力的概率密度分布中,当压力测试点到管道出口之间的段塞单元数目少时,压力分布出现双峰分布;当压力测试点到管道出口之间的段塞单元数目多时,压力分布出现单峰分布;压差信号分布呈单峰分布。

这些特征为流型识别提供了可靠的段塞流标识。

关键词:多相流;段塞流;持液率;压力;压差中图分类号:O 35911 文献标识码:A 文章编号:0438-1157(2008)11-2781-06
Fluct uation characteristics of gas 2liquid t wo 2p hase
slug flow in horizontal pipeline
L UO Xiaoming ,H E Limin ,L ΒYuling
(De partment of S torage &T rans portation Engineering ,China Uni versit y of Pet roleum ,
Qing dao 266555,S handong ,China )
Abst ract :Slug flow was a flow of long bubbles and liquid slugs alternating in space and time ,and under flowing conditions ,it is intermittent and unstable 1The fluct uation characteristics of liquid holdup ,p ressure and differential p ressure of slug flow were investigated in a 40m long ,50mm I 1D 1horizontal pipeline 1By statistical analysis ,it was fo und t hat t he pro bability density dist ribution of t he liquid holdup was bimodal dist ribution 1The high liquid holdup peak was in correspondence wit h liquid holdup of t he slug body and t he low liquid holdup peak wit h liquid holdup of t he film 1The liquid holdup which was in correspondence wit h t he respective peaks of probability density f unction was consistent wit h t he mean liquid holdup of smoot h st ratified film and liquid slug 1Moreover ,t he dist ribution of p ressure was unimodal dist ribution or bimodal dist ribution ,depending on t he number of slug unit s ,and t he differential p ressure dist ribution was unimodal dist ribution 1These characteristics p rovide dependable slug identities for flow pattern identificatio n.
Key words :multip hase flow ;slug flow ;liquid holdup ;p ressure ;differential p ressure
2008-05-20收到初稿,2008-07-27收到修改稿。

联系人及第一作者:罗小明(1980—
),男,博士,讲师。

基金项目:国家自然科学基金项目(50676109)。

　引　言
气液两相段塞流是液塞和长气泡在空间和时间
上的交替,液塞和长气泡组成的段塞流单元沿管道运动。

由于其流动的间歇性,会引起管道中持液率 Received date :2008-05-20.
Corresponding aut hor :L UO Xiaoming.E -mail :luo 2xiaom 2ing @1631com
Foundation item :supported by t he National Natural Science Foundation of China (50676109).
和压力的急剧波动,并使得运行在该流型下的管道
承受间歇性应力冲击。

Nishikawa 等
[1]
对垂直上升管内空气2水两相流压力波动的统计特性进行了分析,结果表明段塞流的频率和压力分布曲线一般具有两个峰。

Weisman 等[2]在研究水平管内两相流型时,根据压差波动幅度、频率和时序信号的形状,得到了段塞流动的波动特性。

何利民等[324]对水平管段塞流中的压力和压差波动特性进行了理论和试验研究,得到了利用压差信号互相关计算液塞速度和液塞长度的新方法。

赵庆军等[5]提出水平管段塞流压差信号的概率密度呈单峰分布,而压力信号呈多种分布。

在多相流流型识别中是以压力和压差的信号特征[6210]作为判别依据。

近年来,一些学者[11215]对段塞流特征参数的波动规律进行了研究。

本文研究了水平管内段塞流的持液率、压力和压差的波动特征,以期得到更为完善的规律。

1　试验系统
试验系统由液罐、离心泵、压缩机、气体缓冲
罐、气相金属浮子流量计、液相椭圆齿轮流量计、精密调节阀、隔板式气液混合器、测试管段和气液分离器等组成。

测试管段是内径为50mm 、长为40m 的水平不锈钢管道(其中布置2m 长的透明有机玻璃管),系统流程如图1所示。

图1　两相流试验系统示意图
Fig 11　Diagram of gas 2liquid two 2phase flow test loop
1—compressor ;2—gas buffer tank ;3—control valve ;4—float flow meter ;5—mixer ;6—test section ;7—separator ;8—liquid tank ;9—centrifugal pump ;10—control valve ;11—elliptic gear flow meter
持液率信号测试采用两组自制的环形电导探
针。

环形电导探针采用直径为016mm 的不锈钢丝作为电极,环形电极嵌入有机玻璃管的内壁凹槽中,并与管内壁平齐。

两电极之间严格平行,间距为5mm 。

电导探针的输入信号是幅值为10V 、频
率为100k Hz 的正弦波信号,该信号由信号发生器产生。

电导探针的输出信号进入自制的处理电
路。

该电路包括4部分:电流2电压转换电路、全波整流电路、量程调整、二阶低通有源滤波。

电导探针测试的最大相对不确定度为1170%。

本研究选用Keller PA23压阻式压力变送器和PD23压阻式差压变送器,该压力和差压变送器的
频响为5k Hz ,精度和重复性以及温度稳定性都满足试验要求。

差压变送器的取压间距为1m 。

数据采集使用N I PCI 26071E 高速采集卡,采样频率为2k Hz ,采用DIFF 接线方式,采用小波自适应滤波方法进行滤波。

压力和压差测试的最大相对不确定度分别为1100%和1133%。

2　持液率波动特性
211　持液率时间序列
图2为环形电导探针测得的持液率信号。

从图中可以看出,段塞流呈类周期性的波动特征。

图2(a )为折算液速恒定,随着折算气速的增加,液塞及液膜的平均含气率均增加(即持液率均降低);同时,段塞流的液膜区占段塞单元的比例增加,而液塞区占段塞单元的比例减少。

图2(b )为折算气速恒定,随着折算液速的增加,液塞及液膜的平均持液率均增加;段塞流的液膜区占段塞单元的比例减小,而液塞区占段塞单元的比例增加。

同时随着折算液速的增加,液塞频率快速地增加。

由图还可以看出,折算液速对段塞频率的影响作用远大于折算气速。

212　持液率的概率密度
图3为段塞流持液率时间序列的概率密度函数,分析发现段塞流持液率的概率密度分布为双峰分布,其中,高持液率峰对应于液塞区,低持液率峰对应于液膜区。

图3(a )为折算液速恒定,随着折算气速的增加,进入液塞的气体增加,液膜区的液膜厚度减小,概率密度的两个峰向低持液率移动。

液膜区对应的低持液率峰变得更高,同时液塞对应的高持液率峰降低。

随着折算气速的继续增加,液膜区对应的峰变得更高,同时液塞对应的峰逐渐消失,最终转变为环状流。

图3(b )为折算气速恒定,随着折算液速的增加,液塞与液膜的持液率增加,液塞区和液膜区对应的两个峰向高持液率移动;并且液塞区对应的概率密度增加而液膜区对应的概率密度降低,这说
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　第59卷　
图2　段塞流的持液率波动
Fig 12　Liquid holdup fluctuation of slug
flow
明折算液速的增加,导致液塞区在段塞单元中的比例增加,同时液膜区在段塞单元中的比例降低。

在研究中发现,概率密度函数中较完好的峰所对应的持液率与光滑分层液膜区和液塞区的平均持液率相一致。

但是,气速的增加将导致概率密度函数中持液率峰不能准确地确定,甚至液塞对应的持液率峰消失。

这是因为高充气液塞中的持液率接近于液膜区的持液率,概率密度函数不能区分液塞区和液膜区。

因此,通过持液率时间序列的概率密度函数不能更深入地区分波和不稳定液塞。

3　压力波动特性
311　压力时间序列
图4(a )为折算液速恒定,
折算气速增加时
图3　持液率的概率密度函数
Fig 13　Probability density distribution of liquid holdup
的段塞流压力波动曲线。

从图中可以看出,段塞流压力呈类周期性的波动特征。

随着折算气速的增
大,系统压力会相应地得到增强,这主要是由于气体的压缩性造成的。

同时,压力信号的周期性越明显,这是因为测试点到管道出口之间的段塞单元数目减少,段塞单元压降的叠加次数减少,即随着折算气速的增大,段塞单元的长度增加。

图4(b )为折算气速恒定,折算液速增加时的段塞流压力波动曲线。

从图中也可以看出段塞流压力类周期性的波动特征。

随着折算液速的增大,系统压力会相应地增加,这主要是因为液体的增加会使系统的平均密度得到提高,对气体有较大的压缩作用,从而造成了系统压力的增加。

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3872・　第11期 罗小明等:水平管气液两相段塞流的波动特性
图4　压力波动曲线Fig14　
Fluctuation curve of pressure
312　压力的概率密度
图5(a)为折算液速恒定,随着折算气速的增加,压力的概率密度由单峰转变为双峰,这是因为当折算气速较小时,测试点到管道出口之间的段塞单元数目多,即段塞单元压降的叠加次数多,导致压力分布趋于正态分布。

当折算气速较大时,测试点到管道出口之间的段塞单元数目少,导致压力分布出现双峰分布。

图5(b)为折算气速恒定,随着折算液速的增加,压力的概率密度分布由双峰转变为单峰,这是因为折算液速较小时,测试点到管道出口之间的段塞单元数目少,导致压力分布出现双峰分布。

当折算液速较大时,测试点到管道出口之间的段塞单元数目多,导致压力分布趋于正态分布。

图5　压力波动的概率密度
Fig15　Probability density distribution of pressure
4　压差波动特性
411　压差时间序列
图6(a)为折算液速恒定,折算气速增加时
的段塞流压差波动曲线。

从图中可以清楚地看出水
平管段塞流类周期性的波动特征。

随着折算气速的
增加,相邻两测压点间的压差高值增加。

压差波动
信号较压力波动信号更能清晰地表征段塞流的频率
波动特性。

图6(b)为折算气速恒定,随折算液
速的增加,相邻两测压点间的压差高值均增大。

同
时,液塞频率会得到较大幅度的提高。

这也充分说
明,折算液速的变化是造成液塞频率波动的决定性
因素。

・
4
8
7
2
・化 工 学 报 第59卷　
图6　压差波动曲线Fig16　Fluctuation
curve of differential pressure
412　压差的概率密度
图7(a)为折算液速恒定,折算气速增加时的压差波动曲线的概率密度分布。

由其概率密度分布图可以看出,水平管段塞流压差波动信号基本上符合正态分布。

但与压力信号不同的是,压差信号的概率密度分布函数并没有呈现出单峰、双峰分布共存的复杂特征,而仅是呈单峰分布。

这一典型的统计特征可以更好地描述段塞流的流动特性,从而为流型识别提供了可靠的段塞流标识。

随着折算气速的增大,其概率分布的分散性增强。

图7(b)是折算气速恒定,折算液速增加时的压差波动曲线的概率密度分布函数。

随折算液速的增大,其分散性稍有增强。

图7　压差波动的概率密度
Fig17　Probability density distribution
of differential pressure
5　结　论
对水平管中段塞流持液率、压力和压差的波动特性进行了深入研究,分析得到持液率、压力及压
差信号的波动规律。

(1)段塞流持液率的概率密度分布为双峰分
布,高持液率峰对应于液塞区,低持液率峰对应于
液膜区。

随着折算气速的增加,进入液塞的气体增
加,液塞与液膜的持液率减小,概率密度的两个峰
向低持液率移动。

(2)持液率概率密度函数中较完好的峰所对应
的持液率与光滑分层液膜区和液塞区的平均持液率
・
5
8
7
2
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　第11期 罗小明等:水平管气液两相段塞流的波动特性
相一致。

但是,随着气速的增加,不能准确地确定概率密度函数中的持液率峰,甚至液塞对应的持液率峰消失。

(3)在压力的概率密度分布中,当压力测试点到管道出口之间的段塞单元数目少时,压力分布出现双峰分布;当压力测试点到管道出口之间的段塞单元数目多时,压力分布出现单峰分布。

压差信号分布呈单峰分布。

这些特征为流型识别提供了可靠的段塞流标识。

符　号　说　明
h l———持液率
PDF———概率密度函数
p———压力,kPa
Δp———压差,kPa
t———时间,s
U SG———折算气速,m・s-1
U S L———折算液速,m・s-1
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