石油化工多相管流研究综述及应用

石油化工多相管流研究综述及应用

作者：王祺来

来源：《当代化工》2016年第02期

摘要：多相管道流动广泛存在于石油化工行业中，但目前国内外研究学者对多相管流机理问题在实验和理论方面尚存在有不一致的结论和认识，文章对多相管流研究进行调研整理，阐述了多相管流发展历程及研究现况，介绍了近些年来的研究热点，最后概述多相管流在石油化工行业的应用，对学者研究石油化工多相流管流问题起到一定理论指导。

关键词：多相管流；石油化工；研究热点；应用

中图分类号：TE 832 文献标识码： A 文章编号： 1671-0460（2016）02-0345-03

Review and Application of Multiphase Pipe Flow in Petrochemical Industry

WANG Qi-lai

（China University of Petroleum， Beijing 102249，China）

Abstract： Multiphase pipe flow is widely used in petrochemical industry， but the researchers at home and abroad do not form a unified understanding of multiphase pipe flow mechanism in experiment and theory. In this article， correlational researches of multiphase pipe flow were investigated and systemized； the developing history， research progress of multiphase pipe flow were introduced， then the research highlights of multiphase pipe flow in recent years were presented. Finally， application of multiphase pipe flow in petrochemical industry was discussed.

Key words： Multiphase pipe flow； Petrochemical industry； Research highlights；Application

多相管流是研究相异组份或者相异状态的物质共同存在于管流中的动力学及传热传质规律，广泛存在于石油化工、能源动力、低温制冷及航空航天等学科领域中。在石油化工中，常常需要处理不同组份或者不同相态物质的流动问题，这种体系通常被称作多相体系，相应的流动被称为多相流[1]。两相以上的流动广泛存在于石油化工中，如石油、天然气、水三相流

动，甚至油、气、水、沙四相同时流动。

随着工业科技的发展，多相管流的原理研究及其应用俨然是石油化工领域的重要研究课题。但时至目前，研究人员仍不能彻底掌握多相流的原理，对许多问题在实验和理论方面尚存在有不一致的结论和认识，所以也还不能提出精确描述多相流动特征的模型，多相流总体的理论体系框架还很不完善，高精度、适用范围宽、便于实际应用的多相流技术还有待逐步发展，数值计算方法也还有发展空间[2]。

1 多相管流研究历史及现状

1.1 多相管流研究历史

1949年，Lockhart-Martineli[3]首次提出利用经验关系代数式来求解多相管流的流动特性参数，直到上个世纪80年代，多相管流的学者都在探讨较广泛的流动前提下，广泛得到实验数据和现场数据，并利用统计学等数学的方法，得出相应经验或者半经验的公式。其优势是计算简单，在实验范围内计算精度高，其缺陷是只适合在特定的条件下应用。

此后研究学者们几乎都将科研重心转到了机理研究上，探究多相管流的物理特性，建立相应数学物理模型，用数值方法简化并利用计算器得出其解。Barnea[4]提出的统一流动模型适用任意倾角下的流型判断，并指出各种流型之间变化的规律。Taitel[5]的段塞流动适用于任意倾角，根据质量守恒定理得出单元段塞内的平均持液率，根据动量定理得出液膜区长度和一个段塞单元长度，根据作用力定理得出通过段塞单元的压降。Alves[6]的统一环状流模型在任意倾角均适用，发现环状流和分层流流型有许多共同点，不同点是环状流的气芯在中，使气液相界面间摩阻系数计算方式不同。Gozllez[7]的统一泡状流数理模型能对泡状流中的液体持液率进行精确预测。统一流动模型的优势是其精度较高，可以得到流型的流动原理并且有更宽泛的适用性。

随着多相管流的研究深入，研究者逐渐从研究现象向原理研究发展，因为研究多相流机理才可以真正抓住流型及各种流型变换的本质。B.D.wood[8]等人对段塞流在下倾管中运动原理进行分析，发现下倾管为大倾角时，不会出现段塞流，而仅仅在下倾角较小时，由于长波出现导致流型不稳定才会出现段塞流。Taitel[9]等人对水平管、上倾管中产生段塞流的本质进行深入的分析研究，认为多相管路的扰动、管路倾斜角度的变化以及气液两相流量的变化等情况使管中出现Kelvin-Helmholtz小波的不稳定现象是水平管和上倾管中易出现段塞流的本质因素，使多相管流管内流型发展，最终形成段塞流。

多相管流过程非常复杂，国内外科研人员对多相管流进行了大量研究，但存在的问题主要是多相管流问题在实验和原理方面尚存在不统一的认识和结论，多相流的体系框架建立还不够完善，适用范围广、精度高、实用性强的多相流实验性测试方法还有待研究，数值计算方法也还不够成熟[10]。

1.2 多相管流研究现状

到目前为止的研究现状是：工程问题可通过实验研究得以解决，对特定问题理论上已有比较清晰的认知，数值计算和数值模拟也已得到一定的发展。

当前的发展趋势是针对多相管道流动基础进行探究，提出合理的数学物理模型进行数值模拟，再用典型的实验结果去检验，完善其数学模型，令其能得到更全面的应用。但目前数学模型工艺计算大都需借助经验公式和半经验公式得到，适用范围十分局限。在实验条件范围内，