气液两相流基础概念
气液两相流的性质和计算方法
气液两相流的性质和计算方法气液两相流是指气体和液体同时存在并混合流动的流体系统。
它在工业领域和自然界中都具有重要的应用价值，例如石油开采、化工生产以及大气湍流等。
了解气液两相流的性质和计算方法对于工程设计和科学研究都至关重要。
本文将介绍气液两相流的基本特性以及常用的计算方法。
一、气液两相流的性质1. 相态及其转变：在气液两相流中，气体和液体是两种不同的相态。
相态的转变主要涉及气体与液体之间的相互作用。
常见的气液相态转变有蒸发和凝结。
蒸发是液体转变为气体的过程，凝结则相反，是气体转变为液体的过程。
2. 平衡态：在气液两相流中，气相和液相之间存在着平衡态，即气体和液体之间的能量和质量交换达到平衡。
平衡态可以通过温度、压力和相对湿度等参数进行描述。
在一定的温度和压力条件下，气体和液体之间会达到平衡态，这对于计算气液两相流动参数至关重要。
3. 流速及测量方法：气液两相流的流速可以通过多种方法进行测量，常用的方法有雷诺数法、回收法和瞬时测量法等。
雷诺数法利用流速以及流动的截面积来计算气液两相流的饱和度，从而推导出流速。
回收法则通过测量液体回收某一时间段内的质量差异来计算流速。
瞬时测量法则是在气液两相流过程中通过传感器实时测量流速。
二、气液两相流计算方法1. 流动模型：在计算气液两相流动时，常用的模型有欧拉模型和拉格朗日模型。
欧拉模型是基于连续方程和动量方程的宏观计算方法，适用于大规模流体系统的计算。
拉格朗日模型则是基于颗粒运动方程的微观计算方法，适用于小尺度的气液两相流计算。
2. 数值模拟方法：气液两相流的数值模拟是一种常用的计算方法。
通过将流体系统划分为离散的网格单元，利用数学模型和计算算法对流体动力学进行数值求解。
常用的数值模拟方法有有限差分法、有限元法和计算流体力学（CFD）等。
3. 实验方法：为了验证理论计算结果和数值模拟方法的准确性，常常需要进行实验研究。
实验方法可以通过流体试验和实验观测两种途径进行。
两相流2
xM wg ρ g x x ϕ= = = ρg xM (1 − x)M (1 − x)wg ρ g x + (1 − x)s + x+ ρl wg ρ g wl ρl wl ρl
xvg xρl = = xρl + (1 − x)sρ g xvg + (1 − x)svl
vl 1−ϕ = = xρl + (1 − x)sρ g xvg + (1 − x)svl
26/157 26/157
2011-112011-11-23
2011-112011-11-23
27/157 27/157
– 漂移速度
wD = wg − wH = G xvg + (1− x)vl s − G xvg + (1− x)vl = G(1− x)vl (s −1) = wl 0 (s −1) wg − wl ws = wl 0 w = wl 0 w = (1−ϕ)ws l l
2011-112011-11-23 9/157
含气率与含液率
• 质量含气率与质量含液率 – 质量含气率：气相质量流量与混合物 质量含气率： 质量流量之比；在水-蒸汽系统也称干 质量流量之比；在水 蒸汽系统也称干 度。在核反应堆工程中称空泡份额或 空泡率 M g Gg
x= M = G
– 质量含液率： 质量含液率：
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24/157 24/157
– 液相速度
wl = (1− x)M = (1− ϕ)ρl A G(1− x) (1− x)sρl ρ g xρl + (1− x)ρ g s = G xvg + (1 − x)vl s s
[
汽液两相流动的基本概念
汽液两相流动的基本概念1. 引言汽液两相流动是指同时存在气体和液体两相的流动现象。
它在工程中具有重要的应用，如化工、石油、能源等领域。
本文将介绍汽液两相流动的基本概念，包括定义、特点、分类以及常见的流动模式等内容。
2. 定义汽液两相流动是指气体和液体同时存在并在一定空间内同时流动的现象。
在这种流动中，气体相和液体相之间存在明显的相互作用力，例如气泡、液滴、涡旋等。
3. 特点汽液两相流动具有以下特点：3.1 多相特性汽液两相流动中同时存在气相和液相，因此它是一种多相流动现象。
在流体动力学和传热学中，对多相流动的研究具有重要的理论意义和实际应用价值。
3.2 相互作用力汽液两相流动中，气体相和液体相之间存在相互作用力，这种力是流动过程中重要的影响因素之一。
例如在气泡形成和液滴破裂过程中，相互作用力的变化会导致流动特性的变化。
3.3 相变现象在汽液两相流动过程中，气体相和液体相之间可能发生相变现象。
相变现象会引起流动特性的变化，如气泡融合会导致流动阻力的增加。
4. 分类汽液两相流动可以根据流动性质、流速、液体表面张力等因素进行分类。
4.1 流动性质分类根据气体和液体相对流动速度的大小，可以将汽液两相流动分为气体连续相和液体连续相两种情况。
当气体相速度远大于液体相速度时，称为气体连续相，反之称为液体连续相。
4.2 流速分类根据流速的大小，可以将汽液两相流动分为亚临界流动和超临界流动两种情况。
亚临界流动是指流速低于气体临界速度的流动，超临界流动是指流速高于气体临界速度的流动。
4.3 表面张力分类根据液体表面张力的大小，可以将汽液两相流动分为低表面张力流动和高表面张力流动两种情况。
低表面张力流动指的是液体表面张力较小的流动，高表面张力流动指的是液体表面张力较大的流动。
5. 常见的流动模式汽液两相流动中常见的流动模式包括气泡流动、液滴流动、涡旋流动等。
5.1 气泡流动气泡流动是指在液体中存在气泡并随流体流动的过程。
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。
流体动力学中的气液两相流动
流体动力学中的气液两相流动1. 引言在流体力学中，气液两相流动是指同时存在气体和液体的流动现象。
它在众多领域中都有广泛应用，如工业生产、自然环境等。
研究气液两相流动的特性和行为，对于优化流体系统的设计和操作具有重要意义。
本文将介绍流体动力学中的气液两相流动的基本概念、数学模型和实验方法。
2. 气液两相流动的基本概念2.1 混合比混合比是描述气液两相流动中气体和液体相对含量的重要参数。
一般使用体积混合比或质量混合比来表示。
体积混合比定义为气体体积与总体积的比值，而质量混合比定义为气体质量与总质量的比值。
混合比的变化会导致气液两相流动的性质和行为发生明显改变。
2.2 相界面在气液两相流动中，气体和液体之间存在一个明确的相界面。
相界面的位置和形态对于流动行为有重要影响。
根据相界面的性质可以将气液两相流动分为连续相和离散相两类。
2.3 流速分布气液两相流动中，气体和液体的流速分布通常是非均匀的。
由于相界面的存在，气体和液体的流速在空间上存在明显的变化。
研究流速分布对于了解气液两相流动的运动规律和效果具有重要意义。
3. 气液两相流动的数学模型3.1 连续介质模型对于流体力学中的大多数气液两相流动问题，可以采用连续介质模型进行描述。
该模型假设气液两相流动是连续的，可以使用流体动力学方程和质量守恒方程来描述。
3.2 多相流模型对于某些特殊的气液两相流动问题，如气泡流动、雾滴流动等，连续介质模型不再适用。
此时需要采用多相流模型进行描述。
多相流模型考虑了气体和液体相之间的明显界面，可以更准确地描述气液两相流动的特性。
4. 气液两相流动的实验方法4.1 可视化实验可视化实验是研究气液两相流动的常用方法之一。
通过使用高速摄像机等设备，可以观察气液两相流动的实时图像，从而揭示其内在的特性和行为。
4.2 流量测量实验流量测量是研究气液两相流动的另一个重要实验方法。
通过使用流量计等设备，可以准确测量气体和液体的流量，进一步分析气液两相流动的特性和行为。
两相流基础
WG x= W
质量含液率（1-x）
含气率和含液率
体积含气率和体积含液率
体积含气率（ β ）表示流过管路流通截面上的气相体积 流量与气液混合物总体积流量之比，即：
β＝QG/Q =QG/(QL+QG)
气相和液相的折算速度小于相应的气液相实际速度
滑动比、滑移速度、漂移速度
滑动比（s）
uG s = uL
滑移速度（slip velocity）或滑差
uslip = uG − uL
滑动比、滑移速度、漂移速度
漂移速度（drift velocity）
uDL = uL − uM
uDG = uG − uM
含气率和含液率
体积含气率(β)与质量含气率(x)
β=QG /Q =QG/(QL+QG) ＝uSG /(uSG +uSL)
WG uSG ρG uSG x= = = WG + WL uSG ρG + uSL ρ L u + u ρ L SG SL
ρG
∵ ρ L > ρG
∴ β >x
含气率和含液率
体积含气率(β)与质量含气率(x)之间的关系
l0
( dl ) dp ( dl )
dp
( )
§4-1 混输管道的流动参数和技术术语
在相同的管路内，只有液相流动，其质量流量 为 Gl = G (1 − x ) ，压降梯度为 ⎛ dp dl ⎞ ，则把混输管 ⎜ ⎟ ⎝ ⎠l ⎛ dp ⎞ 路压降梯度 dp dl 与 ⎜ dl ⎟ 之比定义为分液相折算 ⎝ ⎠l 2 系数，以 φl 表示，即：
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。
气液两相管流基本概念及基本方程
Wm L vS A m Co L qm v S A
e 21 .25 f 1 .14 2 lg 0 . 9 D N Re
2017/2/11
2
33
3.雾状流
a.混合物密度
m (1 HG ) L HG G
dv m dv SG 1 dq G 1 dz dz A dz A d ZnRT v SG dp dp 1 ZnRT dp p 2 dp dz A p dz p dz
m v m A v SG A dp m v m v SG dp Wm q G dp dv m m vm 2 2 dz p dz A p dz A p dz
qm 1 HG 1 2 vS A
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qm 4qG 1 v A v A S S
2
28
实验表明：泡流时vs=0.244
b.摩阻梯度
泡流中气体以小气泡分布于液体中，靠近管 壁主要是液体。其摩阻压力梯度按液相计算。
ρL v ρL qL f f f 2D 2D 1 H G A
2017/2/11
3
• 持液率(Liquid Holdup)
流动状态下单位长度管段内液相容积所占份额
HL
单位管段液相容积
单位管段容积
P ,T
AL AL A AL A g
• 无滑脱持液率(No-slip Liquid Holdup)
管流截面上液相体积流量与气液混合物总体积流 量的比值。（条件：v G v L v m ）
• 关系
2017/2/11
气液两相流简介
n i 1 2 i n 2 i 1 i i
函数 f ( x ) 称为拟合函数或最小二乘解, 求拟合函数 f ( x )的方法称为曲线拟合的最小二乘法。最小二乘 拟合分为线性最小二乘拟合和非线性最小二乘拟 合。
Hale Waihona Puke 最小二乘法概述线性最小二乘拟合 ：
线性最小二乘法是解决曲线拟合问题最常用的 方法，基本思路是，令：
泡状流含率-电压多项式拟合
泡状流含率-电压散点图：
分层流含率-吸光度多项式拟合
分层流含率-吸光度散点图：
多项式拟合
拟合方法：
在Matlab中使用polyfit（）函数进行多项式的 曲线拟合，函数的参数形式如下： p= polyfit（x,y,n） 其意义为对于数据组x,y进行多项式拟合，拟合 的多项式的最高阶数为n，其中p为多项式的系 数矩阵，对应的次数从高到低。 在Matlab中使用polyval（）函数对拟合得到的 模型进行验证，函数的参数形式如下： y=polyval(p,x) 其表示返回对应自变量x在给定系数p的多项式 的值。取更多的自变量的值画出拟合后的函数 曲线。
泡状流含率-电压多项式拟合
拟合结果：
泡状流递归曲线图
分层流水相含率-吸光度多项式拟合
拟合结果：
水平分层流递归曲线图
气液两相流相含率：在单位时间内流经测量管道截 面积的气（水）相体积所占混合流体总体积的比值。
含气率： 含水率：
气液两相流简介
所谓气液两相流流型是指在管道中通过配比不同 体积的空气和水，而在管道中呈现的不同流动型 态。 泡状流：泡状流发生在气液两相流流速较高且含 气率较低的情况下。此时，混合流体的湍流动能 可以完全将流体中体积较大的气塞击碎成小气泡 ，在实验管道中观察到的便是在连续的水相中掺 杂着很多体积十分细小的气泡，表现为气液两相 的高频运动。 分层流：这种流型出现在液相和气相的流速都比 较低的情况下，是重力分离效应的极端情况。这 时气相在通道的上部流动，液相在通道的下部流 动，两者之间有一个比较光滑的交界面。
气液两相流在制冷机械中的应用
气液两相流在制冷机械中的应用一、引言制冷机械是现代生活中不可缺少的设备，其工作原理是利用气体的压缩和膨胀来实现制冷。
而在制冷机械中，气液两相流技术的应用则可以大大提高其效率和性能。
二、气液两相流的基本概念气液两相流是指在管道或其他容器中同时存在着气体和液体的流动状态。
在气液两相流中，由于气体和液体之间存在着各种复杂的相互作用，因此其特性比单相流要复杂得多。
三、气液两相流在制冷机械中的应用1. 压缩机中的气液两相流在制冷机械中，压缩机是起到压缩制冷剂使其温度升高并达到蒸发温度的核心部件。
而在压缩机内部，由于高速旋转叶轮带动制冷剂旋转，使得其中产生了强烈的离心力和摩擦力。
这些力量会将制冷剂分解成小颗粒，并形成气液两相流状态。
这种状态下，由于部分制冷剂会被压缩成气体，从而增加了压缩机的排气温度，因此需要通过冷却器进行降温。
2. 低温蒸发器中的气液两相流在制冷机械中，低温蒸发器是起到降低制冷剂温度并吸收热量的关键部件。
而在低温蒸发器中，由于制冷剂处于液态状态，因此需要通过喷嘴将其雾化成小颗粒，并形成气液两相流状态。
这种状态下，由于液态制冷剂会吸收周围环境的热量并蒸发成气体，从而实现降温效果。
3. 膨胀阀中的气液两相流在制冷机械中，膨胀阀是起到控制制冷剂流量和压力的重要部件。
而在膨胀阀内部，则需要通过喷嘴将液态制冷剂雾化成小颗粒，并形成气液两相流状态。
这种状态下，由于液态制冷剂会不断地蒸发成气体并吸收周围环境的热量，从而使得制冷剂的温度和压力都得到了控制。
四、气液两相流在制冷机械中的优势1. 提高制冷效率和性能由于气液两相流状态下，制冷剂可以更加均匀地分布在整个系统中，并且能够更加高效地吸收或释放热量，因此可以大大提高制冷机械的效率和性能。
2. 减少能量损失由于气液两相流状态下，制冷剂可以更加均匀地分布在整个系统中，并且能够更加高效地吸收或释放热量，因此可以减少能量损失并降低系统的运行成本。
3. 提高系统的稳定性和可靠性由于气液两相流状态下，制冷剂可以更加均匀地分布在整个系统中，并且能够更加高效地吸收或释放热量，因此可以提高系统的稳定性和可靠性，并减少故障发生的可能性。
气液两相流基础概念
气液两相流基础概念Two phase flow fundamental (vapor-liquid, gas-liquid) ● Static quality, is the fraction of vapor in a saturated mixture. No flow or closed system.gg g st g l g g l l M A x M M A A ρρρ==++● Flow quality, or vapor quality in two phase flow, it’s convenient to use flow quality instead of the static quality. Open system. g g g g g l g g g l l l m u A x m m u A u A ρρρ==++● Thermodynamic equilibrium quality (thermodynamic vapor quality). It can be used only for single-component mixtures (e.g. water with steam), and can take values x<0 (for sub-cooled fluids) and x>1 (for super-saturated vapours)m l g lh h x h h -=- All of the quality above coincide if the two phases are at thermodynamic equilibrium (i.e. HEM). Once taking subcooled boiling model into consideration, the thermodynamic equilibrium quality is not equal with flow quality.● The void fractioni. T he fraction of the channel volume that is occupied by the gas phase. This void fraction is known as the volumetric void fraction.gV g l V V V α=+ii. T he fraction of the channel cross-sectional area that is occupied by the gas phase. This void fraction is known as the cross-sectional void fraction. It is the widely utilized void fraction definition., gA g l A or A A αα=+iii. T he local void fraction refers to that at a one single point or very small volume. Therefore it takes the values of 1 or 0.● Phase velocity and superficial velocitySuperficial velocity is a hypothetical flow velocity calculated as if the given phase or fluid were the only one flowing or present in a given cross sectional area. The velocity of the given phase is calculated as if the second phase was ignored. In engineering of multiphase flows and flows in porous media, superficial velocity (j ) is commonly used, because it is the value which is unambiguous, while real velocity is often spatially dependent and subject to many assumptions.e,(1)(1)phas phase phase phase phase g g l ll g l gQ Q u j A Aj u j u j j j u u αααα====-=+=-+，● Drift velocity of gas phase with respect to the volumetric center of the mixture: gj g V u j =-求孔隙率模型● Homogeneous equilibrium model (HEM)111()g sx x αρρ=-+ The velocity ratio is a concept utilized in separated flow types. Introducing the ideainto the HEM void fraction equation results in111()g sx S x αρρ=-+ Where Slip ratio, or velocity ratio is the ratio of the velocity of the vapor phase to the velocity of the liquid phase.(gl u S u =)With slip void fraction model, the cross-sectional void fraction and volumetric void fraction is derived:1(1)V S αααα=+-。
第九章 管内气液两相流基础_1
By 1 WG A
0.463 L G
/3 1147 1 L
2/3 L
WG , WL : gas or liquid mass velocity (lb/h) viscosity in cp, surface tension in dyn/cm, density in lb/ft3, area in ft2.
Multi-phase flows are not only part of our natural environment such as rainy or snowy winds, tornadoes, typhoons, air and water pollution, volcanic activities etc., but also are working processes in a variety of conventional and nuclear power plants, combustion engines, propulsion systems, flows inside the human body, oil and gas production and transport, chemical industry, biological industry, process technology in the metallurgical industry or in food production etc.
1/ 2 1/ 2 1) ~ G BX ~ G BX decreases 1/ 2 1/ 2 2) 1/ ~ G BY ~ G BY increases Thus trajectories are always "up" and "to the left"
汽液两相流动的基本概念
膜态沸腾一般发生在亚临界参数锅炉水冷壁管内。这是因 为水的汽化潜热随着压力提高而大幅度减小，使得亚临界参数 下在水冷壁管内壁面附近流体边界层中的水更容易汽化，即容 易形成更多的汽化核心，因而产生膜态沸腾的机会相应增加。
膜态沸腾的产生取决于水冷壁管外的热负荷、管内工质的 质量含汽率、管内的质量流速、工质压力、管径等多种因素。 但主要取决于水冷壁的热负荷与质量含汽率。
第二节 自然循环锅炉水冷壁的安全运行
一 影响水冷壁安全运行的主要因素
• 水质不良导致的水冷壁管内结垢与腐蚀，水冷壁受热偏差或管 内流动阻力的影响，导致个别或部分管子出现循环流动的停滞或 倒流； • 水冷壁热负荷过大导致的管子内壁面附近出现膜态沸腾； • 锅筒水位过低引起水冷壁中循环流量不足，甚至发生更为严重 的“干锅”； • 燃烧产生的腐蚀性气体对金属管子外壁面的高温腐蚀； • 结渣和积灰导致的对金属管壁的侵蚀； • 煤粉气流或含灰气流对金属管壁的磨损。
在倒流管中，水向下运动，而汽泡由于受到浮力向上运动。
当倒流速度较慢且等于汽泡向上运动的速度时，向下流的水带不走 汽泡，造成汽泡不上不下的状态，引起汽塞，发生传热恶化，以至 使管子出现局部过热超温。
当管内工质倒流速度很快时，管子仍能得到良好冷却，不出现局部 超温。当汽水混合物引出管从汽包汽空间引入时，不会出现倒流。
运行和试验证明，尽管亚临界参数锅炉水冷壁管出口汽水 混合物的质量含汽率一般只达到0.3~0.4，但发生传热恶化的可 能性较大。
采用内螺纹管水冷壁可抑制膜态沸腾
第三节 蒸发管内的汽液两相流型及传热
一 汽液两相流的流型
泡状流 弹状流 环状流 雾状流
泡状流：在连续的液相中,分散散存在着小汽泡。 弹状流：泡状流中，汽泡浓度增大时，受趋中效应的作用，小汽 泡聚合成大汽泡，直径逐渐增大。汽泡直径接近于管子内径时， 形成弹状流。 环状流：由于汽弹的内压力增大，当汽弹的内压力大于汽泡的表 面张力时，汽泡破裂，液相沿管壁流动，形成一层液膜；汽相在 管子中心流动，夹带着小液滴。 雾状流：管子壁面上的水膜完全蒸干时，蒸干点的质量含汽率x =0.8，即蒸汽中仍然夹带着小液滴，形成雾状流。
2-2.井筒气液两相流
m
Ql l
Ql
Qg g
Qg
• 通过每个断面的液体和气体流量应分别等于各自的真
实流速(o、g)与流过断面的乘积。
图2-18 气液两相流流动断面简图
在无滑脱时，
f fg fl
vo vg vm
Qg Ql vm f
m
fl l fg g
fl fg
如果忽略气体的密度，则
m
fl f
l
液相的流动断面增大将引起混合物密度的增加。
-
图 2
25
气 液 两 相 水 平 管 流 型
2.4.1基本方程
在假设气液混合物既未对外作功，也未受外界功的条件
下，单位质量气液混合物稳定流动的机械能量守恒方程
为：
dP dP dP dP
dZ dZ 位差 dZ 摩擦 dZ 加速度
(1)位差压力梯度：消耗于混合物静水压头的压力梯度。
• 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
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
第二节 井筒气液两相流基本概念
第二节井筒气液两相流基本概念一、教学目的掌握井筒气液两相流动的特点、流态及其特征；井筒气液两相流动中能量平衡方程的推导以及压力分布计算的方法（按压力增量迭代和按深度增量迭代方法）。
二、教学重点、难点教学重点：1、气液两相流的特性；2、井筒气液两相流动的能量平衡方程。
教学难点：1、滑脱及其特征；2、气液两相流动的能量平衡方程。
三、教法说明课堂讲授并辅助以多媒体课件展示相关流态图形。
四、教学内容本节主要介绍两个方面的问题：1.井筒气液两相流动的特性.2.井筒气液两相流能量平衡方程及压力分布计算步骤.(一) 井筒气液两相流动的特性相的概念: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。
例如：水--冰系统、泥浆、油--气--水等均是多相体系油气是深埋于地下的流体矿藏。
随压力的降低，溶解气将不断从原油中逸出，因此，井筒中将不可避免地出现气液两相流动。
采油设备的优化设计和工况分析、油气集输设计等都离不开气液两相流的理论与计算方法。
2、气液混合物在垂直管中的流动结构——流动型态的变化流动型态（流动结构、流型）：流动过程中油、气的分布状态。
影响流型的因素：气液体积比、流速、气液界面性质等。
①纯液流当井筒压力大于饱和压力时，天然气溶解在原油中，产液呈单相液流。
②泡流井筒压力稍低于饱和压力时，溶解气开始从油中分离出来，气体都以小气泡分散在液相中。
滑脱现象：混合流体流动过程中，由于流体间的密度差异，引起的小密度流体流速大于大密度流体流速的现象。
如：油气滑脱、气液滑脱、油水滑脱等。
特点：气体是分散相，液体是连续相；气体主要影响混合物密度，对摩擦阻力影响不大；滑脱现象比较严重。
③段塞流当混合物继续向上流动，压力逐渐降低，气体不断膨胀，小气泡将合并成大气泡，直到能够占据整个油管断面时，井筒内将形成一段液一段气的结构。
特点：气体呈分散相，液体呈连续相；一段气一段液交替出现；气体膨胀能得到较好的利用；滑脱损失变小；摩擦损失变大。
两相流2
幻灯片1第二章气液两相流的基本术语和定义幻灯片2● 在单相流体流动时，描述一种流动的最基本参数为速度、质量流量或体积流量。
● 在汽液两相介质中，两相介质都是流体，各自有相应的流动参数。
另外由于两相间的相互作用，还出现一些相互关联的参数。
为了计算方便，还定义了一些折算参数。
描述气液两相流的基本参数如下： 幻灯片3 流量● 质量流量：kg/s单位时间内流过管路横截面的流体质量称质量流量，对气液两相管路，混合物质量流量为gl M M M +=● 体积流量 m3/s单位时间内流过管路横截面的流体体积（管路状态）称体积流量。
混合物体积流量为：gl V V V +=幻灯片4 流速● 气相和液相速度/平均速度若气相所占管路截面为Ag ，液相所占截面为Al 比容gg g gg g A v M A V w ==lll l l l A v M A V w ==● 气相和液相的折算速度假定管子中只有气体和液体单独流动时所具有的速度，混合物中的任一相单独流过整个管道截面时的速度称该相的折算速度。
幻灯片5A v M A V w gg gg ==Av M A V w ll l l ==0显然，l l w w >g g w w >● 气液两相混合物速度/容积流密度 混合物体积流量与流通截面积之比 m /s0g l g l w w AV A V A V w +=+==幻灯片6● 匀质流速气液混合均匀，气液相流速相同时的混合物速度。
gl H w w w ==● 气相和液相的质量流速 k g /m 2s气液相质量流量与管路流通截面之比。
gg g g g g w AV A M G ρρ0===ll ll l l w A V A M G ρρ0===ll g g l g lg w w G G A M M A M G ρρ00+=+=+==幻灯片7● 滑脱（移）速度/相对速度气相速度与液相速度之差（slip velocily ）lg s w w w -=● 滑动比气相速度与液相速度之比lg w w S =● 漂移速度气相速度与匀质混合物流速之差Hg D w w w -=幻灯片8● 循环速度和循环倍率● 循环速度是指与两相混合物总质量流量M 相等的液相介质流过通道同一截面时的速度。
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Two phase flow fundamental (vapor-liquid, gas-liquid) ● Static quality, is the fraction of vapor in a saturated mixture. No flow or closed system.
g
g g st g l g g l l M A x M M A A ρρρ==++
● Flow quality, or vapor quality in two phase flow, it’s convenient to use flow quality instead of the static quality. Open system. g g g g g l g g g l l l m u A x m m u A u A ρρρ==++
● Thermodynamic equilibrium quality (thermodynamic vapor quality). It can be used only for single-component mixtures (e.g. water with steam), and can take values x<0 (for sub-cooled fluids) and x>1 (for super-saturated vapours)
m l g l
h h x h h -=- All of the quality above coincide if the two phases are at thermodynamic equilibrium (i.e. HEM). Once taking subcooled boiling model into consideration, the thermodynamic equilibrium quality is not equal with flow quality.
● The void fraction
i. T he fraction of the channel volume that is occupied by the gas phase. This void fraction is known as the volumetric void fraction.
g
V g l V V V α=+
ii. T he fraction of the channel cross-sectional area that is occupied by the gas phase. This void fraction is known as the cross-sectional void fraction. It is the widely utilized void fraction definition.
, g
A g l A or A A αα=+
iii. T he local void fraction refers to that at a one single point or very small volume. Therefore it takes the values of 1 or 0.
● Phase velocity and superficial velocity
Superficial velocity is a hypothetical flow velocity calculated as if the given phase or fluid were the only one flowing or present in a given cross sectional area. The velocity of the given phase is calculated as if the second phase was ignored. In engineering of multiphase flows and flows in porous media, superficial velocity (j ) is commonly used, because it is the value which is unambiguous, while real velocity is often spatially dependent and subject to many assumptions.
e
,(1)(1)phas phase phase phase phase g g l l
l g l g
Q Q u j A A
j u j u j j j u u αααα====-=+=-+， ● Drift velocity of gas phase with respect to the volumetric center of the mixture: gj g V u j =-
求孔隙率模型
● Homogeneous equilibrium model (HEM)
111()g s
x x αρρ=-+ The velocity ratio is a concept utilized in separated flow types. Introducing the idea
into the HEM void fraction equation results in
111()g s
x S x αρρ=-+ Where Slip ratio, or velocity ratio is the ratio of the velocity of the vapor phase to the velocity of the liquid phase. (g
l u S u =)
With slip void fraction model, the cross-sectional void fraction and volumetric void fraction is derived:1
(1)V S α
ααα=+-。