多相管流理论与计算ch05 讲稿
多相流理论与计算 第五章
（ 2 ）根据温度计算方法估算该段下端的温度，同时估计一个 对应于计算深度间隔的压力增量 p ； （ 3 ）计算该段的平均温度和平均压力，以及对应状态下的流 体物性参数 ( 溶解气油比、原油体积系数和粘度、气体密度和 粘度，混合物粘度及表面张力…等) ；
2 （4）计算该管段的压力梯度； dp g v dv v
第一节 流动型态与压力 梯度的迭代计算方法
一、流动型态
油、气、水混合物在井筒 中的流动型态大致可以分 为以下五种: 1、泡状流 2、弹状流 3、段塞流 4、环状流 5、雾状流
图5-1 油气沿井筒喷出时的流型变化示意图 Ⅰ—纯油流；Ⅱ—泡流；Ⅲ—段塞流； Ⅳ—环流；Ⅴ—雾流
1 泡状流
N N A N N
vg III vg vg III
vg II
丹斯-若斯方法适用性：
由于采用了较短的管段做实验，对深井或压差较大的井，
必须采用一连串的分段计算才能应用。
奥齐思泽斯基1967年通过丹斯-若斯方法的计算与148口
井进行比较，平均误差为2.4%。
课程回顾
一、流动型态
0.75 Nvg 75 84Nvl
滑脱速度为0
v 0，可直接解得
三、摩阻压差
（1）第一区和第二区
2 2 f R vsl l vsg p fr 1 D vsl
z
f2 f R f1 f 3
f 1 是惯用的单相范宁系数,
f R f1
雷诺数
Re
Dvsg g
g
此处由粗糙度和雷诺数计算fR时， 需用液膜粗糙度k’代替管壁粗糙度k
实验表明，雾状流时液膜的相对粗糙度
k / D 约为0.001～0.5，
多相流理论与计算第三章
1
i 1 R0 i 2
1
多相管流理论与计算
(4) 天然气析出和膨胀问题 当压力低于饱和压力时，有天然气析出。 析出气体需要热量，已析出气体不断膨胀， 又会吸收一部分热量，这两部分热量的计 算比较复杂。 T h 焦耳-汤普逊系数： p h
多相管流理论与计算
2 公式中各项参数取值
(1) 井底油温 t1s (2) 地温梯度
一般认为 =0.03℃／m (3) 距井底高度 h
取某一点至油层中部的距离
KDh GC GC 1 e t t1s h KD
井底油温也就是油层温度
多相管流理论与计算
(3) 总传热系数
井筒外部不同位置的岩层性质 亦不同，井筒内的流体流型又 有变化，所以严格地说，总传 热系数值应该是一个变量，认
为其变化与平均值之间的差值 不大，取实测平均值即可 [ 实测 在 21 ～ 25kJ ／ (m2· h· ℃) 左右 ] 。 因此，计算时可按常数考虑。
K—kJ/(m2.h. ℃) K—kcal/(m2.h. ℃)
油损失热量为
dq GCdt
C为原油 比热
C＝2.1kJ／kg.℃ C＝0.5kcal／kg.℃
根据热量守恒
K t ts Ddh GCdt
地层温度与深度的关系
ts t1s h
多相管流理论与计算
联立上述公式可得
K lh GC GC t t1s h 1 e K l
Kl—kcal/(m.h. ℃)
G — kg/h Kl —kcal/(m.h. ℃)
Kl
1 G 1.1573 5.4246exp( ) 1000
多相流领域的数值计算方法及应用
多相流领域的数值计算方法及应用随着工业化和科技的不断进步，多相流领域的研究和应用越来越受到重视。
物料在流动过程中会与其他物料或界面发生相互作用，这种复杂的流动状况被称为多相流。
多相流涉及到固体、液体和气体等不同物态的介质，因此其研究和应用需要使用复杂的数值计算方法。
一、多相流的特点多相流的研究和应用过程中涉及到很多行业，比如化工、能源、航空航天等领域。
多相流介质的物理性质不同，具有以下几个特点：1. 相互作用强烈不同相态的物料之间会发生相互作用，例如固体微粒在液体中的漂浮、液滴在气体中的破裂等。
2. 物料运动混乱多相流介质的物料运动速度和方向较难预测，因此多相流的运动模式通常非常复杂。
3. 传递规律复杂多相流介质中不同物料的传递规律复杂，例如液滴的运动、未熔化固体在熔体中的运动等。
4. 可能存在相变多相流介质因为具有不同物态的物料，因此可能存在相变现象，例如气体在液体中的溶解等。
二、多相流的数值计算方法多相流的复杂性使得其研究和应用需要结合各种学科，比如计算流体力学（CFD）、材料科学、传热学等。
在多相流的计算过程中，有两个重要的假设：连续介质假设和相间界面模型。
1. 连续介质假设连续介质假设认为多相流介质可以像单相流一样，被视为连续的流体。
在这种假设下，物理量如质量、动量、能量等可以通过微分方程来描述，以求解其全场的运动学性质。
2. 相间界面模型多相流中不同相态物质的相互作用，使得相界面的存在成为一大难点。
通过相间界面模型对相变的过程和相界面的运动进行数值模拟，从而模拟多相流介质中不同物理量的分布和传递规律。
目前，常见的多相流计算方法包括欧拉方法、拉格朗日方法和欧拉-拉格朗日复合方法。
3. 欧拉方法欧拉方法模拟多相流介质中的物理量在时间和空间上的分布规律。
该方法将不同相态之间的相互作用描述为源项，通过物理量的守恒方程，来求解多相流介质内各物理量的分布规律。
4. 拉格朗日方法拉格朗日方法着重于对多相流介质中物体的运动轨迹进行跟踪和计算。
多相流动理论模型和数值方法-多相流在线课件
收敛。
•在经过Gosman等[143]和Berlemont等[144]改进以 后，得到了广泛的应用。 •Sommerfeld[145]和Shuen[146]等采用此模型进行 数值求解，得到了比较满意的结果。 •浙江大学热能工程研究所的岑可法院士和樊建人 教授[147]提出的随机频谱颗粒轨道(FSRT)模型，
颗粒确定轨道模型
•处理颗粒群的方法较简单，能够考虑相间速度 与温度的滑移， •并可以追踪比较复杂的颗粒经历， •数值计算不会产生伪扩散。 •但其存在一个缺点，就是对颗粒的湍流扩散缺 乏较好的处理。
29 多相流体动力学
颗粒随机轨道模型。
•考虑到湍流脉动对颗粒轨迹造成的影响，
•Yuu等[142]首先提出了涡作用模型。
拟流体模型小结
• 无滑移模型：颗粒相的宏观运动而引起的质量迁 移是由流体运动引起的；
• 小滑移模型：混合物运动引起的 • 滑移-扩散模型：颗粒相自身的宏观运动引起了
质量迁移
11 多相流体动力学
拟流体模型数值方法
12 多相流体动力学
湍流流场数值模拟方法简介
传统模 式理论
大涡模拟
格子气
常用数值 模拟方法
FLT模型
SSG模型
14 多相流体动力学
湍流模式理论局限性
▪ 对经验数据的依赖性;
▪ 将脉动运动的全部细节一律抹平从 而丢失大量重要信息;
▪ 目前各种模型，都只能适用于解决 一种或者几种特定的湍流运动。
15 多相流体动力学
•湍流直接模拟(DNS)简介
计不算用机任发何展湍流模型，直接b出G数车现习值大L型I求ob并z解行(J完计0J2算整)级机 的三维非定常的N-S方程组;
石油气液两相管流 多相管流理论与计算
“流动保障” 确保油气的无阻塞流动并使系统的运行费用达 到最低。
保温材料
Pipe-in-Pipe
管线管束(flowline bundles)
渤海平均水深 18m,最深83m
黄海平均水深 44m,最深140m
东海平均水 深 370m, 最 深 2719m
南海平均水深 1212m, 最 深 5377m
pwf 井底流压
ptp 两相流压降
pt ph 自喷生产 pt ph 机械采油(人工举升)
气举采油系统示意图
依靠从地面注 入井内的高压气体 与油层产出流体在 井筒中混合，利用 气体的膨胀使井筒 中的混合液密度降 低，将流到井内的 原油举升到地面。
pt pwf ptp
设计的原则： 最大限度地发挥油藏的潜 力和地面设备的能力，获 得最高的产油量。
•80年代中期应用高新技术及仪器进行多相流的模拟试验， 期望深入认识多相流动现象及流动机理，从而改进模型，提 高精度。
核密度计、超声波传感器、电导和光导探针、电容传感器、 激光多普勒测速仪、高速摄像机等。
西安交通大学 动力工程多相流国家重点实验室 • 目前，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
举例来说，渗流理论、油气井压力控制、油气管流计算、举升参 数设计、工况分析、集输设计等，都离不开多相流的理论与计算 方法。
多相流理论是贯穿于石油开采全过程的基本理论
一、多相流理论在石油工业中的地位和作用
许多工程设计都将计算多相流体在管道中流动的压降和温度。
钻井工程：油气井压力控制 (含气泥浆的压降计算)
第二节 气液两相管流的基本特征与研究方法
一、基本特征
多相流工艺计算-PPT文档资料
气液密度（4）管路倾角（5）流型（6）气液相粘度 (7)表 面张力等。若上述 变量每相均取5个数据，则需取59=200 万次实验。
4、混输管路的特点
流型变化多 存在相间能量交换和能量损失 存在传质现象。 流动不稳定。
气液两相管路的处理方法
基础：能量守恒ห้องสมุดไป่ตู้律
温降计算：
TZ (T0b)(TRT0b)exp(aL)
Di xwcgcppg
(PRPZ)[1exp(aL)] aL
焓平衡方程计算
dHvdvgdZdQ dx dx dx dx
流型 —流型测定方法简介
目测方法 根据对管线某种参数波动量测定的统计结果与流型建立某种
关系，依此确定流型，Hewitt建议，按管路压力波动量和x
射线被管路流体吸收的波动来确定流型。此外，还可在管内 放入探针，用探针与管壁间导电率的波动量来确定流型。 根据辐射射线被吸收量来确定气液混合物的密度和流型，包
括：x射线照相和多束γ射线密度计。
水平管中的流型
埃尔乌斯流型划分法较好地 说明了气液两相流动的流型 变化特点。埃尔乌斯把两相 管路的流型分为气泡流、气 团流、分层流、波浪流、冲 击流、不完全环状流、环状 流和弥散流等八种
半理论方法得到的流型图
76年Taitel和Dukler 模型
对低中粘度液体较适用，但对高粘度液体的偏差较大 对间歇流和分散气泡流的判别准则中，没有考虑表面张力
的影响。 把 hl d 0.5时作为间歇流环雾流的分界线，偏高，与实
验结果不符。
Barnea 流型划分法 各种流型模型水力计算方法提出的流型准化准则
Xiao-Brill
两相流、多相流讲课讲稿
两相流、多相流两相流的概念及类型两相物质(至少一相为流体)所组成的流动系统。
若流动系统中物质的相态多于两个，则称为多相流，两相或多相流是化工生产中为完成相际传质和反应过程所涉及的最普遍的粘性流体流动。
通常根据构成系统的相态分为气液系、液液系、液固系、气固系等。
气相和液相可以以连续相形式出现，如气体-液膜系统；也可以以离散的形式出现,如气泡-液体系统，液滴-液体系统。
固相通常以颗粒或团块的形式处于两相流中。
两相流的流动形态有多种。
除了同单相流动那样区分为层流和湍流外，还可以依据两相相对含量（常称为相比）、相界面的分布特性、运动速度、流场几何条件（管内、多孔板上、沿壁面等）划分流动形态。
对于管内气液系统，随两相速度的变化，可产生气泡流、塞状流、层状流、波状流、冲击流、环状流、雾状流等形态；对于多孔板上气液系可以产生自由分散的气泡、蜂窝状泡沫、活动泡沫、喷雾等形态。
两相流研究的一个基本课题是判断流动形态及其相互转变。
流动形态不同，则热量传递和质量传递的机理和影响因素也不同。
例如多孔板上气液两相处于鼓泡状态时，正系统混合物（浓度增加时表面张力减低）的板效率(见级效率)高于负系统混合物（浓度增加时表面张力增加）；而喷射状态下恰好相反。
两相流研究的另一个基本课题，是关于分散相在连续相中的运动规律及其对传递和反应过程的影响。
当分散相液滴或气泡时，有很多特点。
例如液滴和气泡在运动中会变形，在液滴或气泡内出现环流，界面上有波动，表面张力梯度会造成复杂的表面运动等。
这些都会影响传质通量，进而影响设备的性能。
两相流研究的课题，还有两相流系统的摩擦阻力，系统的振荡和稳定性等。
两相流研究模型两相流的理论分析比单相流困难得多，描述两相流的通用微分方程组至今尚未建立。
大量理论工作采用的是两类简化模型：①均相模型。
将两相介质看成是一种混合得非常均匀的混合物，假定处理单相流动的概念和方法仍然适用于两相流，但须对它的物理性质及传递性质作合理的假定；②分相模型。
多相流0505PPT课件
❖ 以下推导目的是寻找粘性流体中关于p和τ的关系，以消除方程中的切应力， 使方程中仅包含u，v，w，p ，便利用该方程求解流场。
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气固两相流动与数值模拟
SOUTHEAST UNIVERSITY
下面的主要任务是消除 方程中的切应力。
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气固两相流动与数值模拟
SOUTHEAST UNIVERSITY
应用了牛顿内摩擦定律， 仅适合牛顿流体。
❖ 根据牛顿内摩擦定律，可写出切向应力与速度梯度之间的关系：τ＝μ （du/dy）；
❖ 利用du/dy与流体微团角变形速度关系du/dy =dφ/dt，进而引入流体微团作平 面运动时，角形变速度又进一步写成
SOUTHEAST UNIVERSITY
在推导纳维尔－斯托克斯方程时用过的条件
❖ 不可压缩牛顿流体； ❖ 粘性流体； ❖ 作用于微元体各力对其中心所形成的力矩之和为零； ❖ 流体微团作平动。
气固两相流动与数值模拟
SOUTHEAST UNIVERSITY
第四章 多相系统的基本方程组
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气固两相流动与数值模拟
数值模拟理模型；
❖ 假设和简化条件（假设和简化条件的合理性与模拟结果的关系）；
❖ 建立数学模型；
❖ 数学模型的封闭性，初始条件、边界条件、两相之间的界面条件等；
❖ Pxx＋ Pyy＋ Pzz＝－3P＋ 2µ（Әu/ Әx ＋Әv/ Әy＋ Әw/ Әz）
❖ 运用连续性方程，得：P＝ －（1/3）（Pxx＋ Pyy＋ Pzz）（）
多相流量计原理
保证产品质量
通过实时监测和控制，多相流量计有助于保证化工产品的质量和稳 定性。
提高安全生产水平
多相流量计能够实时监测和预警潜在的安全隐患，提高化工生产的 安全水平。
其他应用场景
能源行业
多相流量计在能源行业中 广泛应用于煤粉、生物质 等固体颗粒的测量。
靠性。
该多相流量计适用于多种多相 流体的测量，如油气水三相流 、气固两相流等，具有较广的 应用前景。
实验结果表明，该多相流量计 的测量精度和稳定性均优于传 统流量计，能够满足工业生产 的需求。
对未来研究的建议
01
进一步优化多相流量计的结构和测量算法，提高其测量精度和稳定性。
02
开展多相流量计在不同复杂工况下的应用研究，以拓展其应用范围。
详细描述
根据各相的体积含量，多相流体可分为均匀多相流和非均匀多相流；根据流动特 性，多相流体可分为层流和湍流；根据相态，多相流体可分为气液、气固、液固 等类型。
多相流体的流动特性
总结词
多相流体的流动特性比单相流体更为复杂，包括流动不稳定性、各相间的相互作用、相对运动等。
详细描述
多相流体的流动特性受到多种因素的影响，如各相的物理性质、体积含量、流动条件等。在流动过程 中，各相之间存在着相互作用，如曳力、摩擦力、质量传递等。此外，多相流体的流动不稳定，容易 出现流动分层、聚并等现象。
03 多相流量计的分类与工作 原理
电容式多相流量计
总结词
基于电容原理，通过测量混合流体介电常数的变化来计算流量。
详细描述
电容式多相流量计利用混合流体在两个平行板电极之间形成的电容场，通过测量电容值的变化来计算流量。由于 不同相态的介质具有不同的介电常数，因此可以通过测量电容值的变化来识别和计算各相态的流量。
多相管流第二章
' dvg
dp
dp
所以
G2 Gdv = A
' ' dv g ' dp v g − vl dx + x dp
(
)
2-15
多相管流理论与计算
将dF、Gdv的表达式代入动量方程式，得
' dv ρv 2 gAdz sin θ G 2 ' g ' πDdz − − Adp − f = dp (v g − vl )dx + x 2 v′ A dp
多相管流理论与计算
讨论
对于水平管流
dp θ = 0, =0 dZ 重位
x表示流向坐标
dp dv ρ v2 = ρv + λ dx dx d 2
对于垂直管流
θ = 90°
sin θ = 1
以h表示高度
dp dv ρ v2 = ρg + ρv + λ dh dh d 2
多相管流理论与计算
多相管流理论与计算
两相流基本方程式以单相流基本方程式为基础。单 相流基本方程式理论上总结为三个基本方程式：
连续性方程 动量方程 能量方程
质量守恒 动量守恒 能量守恒
多相管流理论与计算
一、均流模型的基本方程式
1．连续方程式
根据质量守恒定律 G = ρ vA = 常数 2．动量方程式 取一维流段来研究，根据动量 定理，可得动量方程式：
dU + mvdv + mg sin θdZ + d ( pV ) − dq = 0
多相管流理论与计算
内能U虽然不能直接测量和计算其绝对值，但可求得两种状 态下的相对变化。根据热力学第一定律，对于可逆过程：
多相流量计原理PPT课件
人工合成元素 Z＞92 超重元素Z ＞100
一种元素可以有质子数相同但中子数不同的若干种原子。
它们被称为该元素的同位素，它们有相同的化学性质但不
同的原子核性质。
·
元素氢的三种同位素
1H
2H
3H
氕
氘
氚
.
24
放射性同位素和衰变
一个原子核的中子数和质子数之比 N/Z 称为中质比。只有中质
WLR
Inlet
Outlet
r = (1-ag)[ro+WLR(rw-ro)]+ ag.rg
Q oil = ( 1-GVF ).( 1-WLR ) . Q total
Qmass total
Q water = ( 1-GVF ).WLR . Q total
.
Q gas = GVF . Q total
10
典型的测量准确度
毛液量 气量 含水率
准确度
重复性
±5% （相对误差） ±2.5%
±10% （相对误差） ±5%
±2% （绝对误差） ±1%
置信度为90%
.
16
文丘里流量计
——工作原理
文丘里流量计是一种差压式流量计。
差压式流量计的基本原理是：在充满流体的圆管中设置文丘里或 喷嘴之类的节流件，当流体流经节流件时，在其上、下游侧就会 产生静压力差，该静压力差与流过的流量之间有一个固定的函数 关系，只要测得静压力差就可以由流量公式求得流量。
.
5
多相流测量技术回顾
——多相流量计流量（流速）测量
1.文丘里流量计
文丘里流量计是一种传统的差压式流量计，近年来被广 泛地应用于湿气计量和多相流量计量。文丘里流量计可以 适用于含气流体和粘性流体的流量测量，当与之配套的相 分率仪表测量出气体相分率后，可以容易地确定出液体流 量
多相管流理论与计算《多相管流理论与计算》综合复习资料
《多相管流理论与计算》综合复习资料一、判断题1、油水混合物在井筒中的流动是两相流动。
2、流型图直观地表示了各种流型在管道中流动的外观特征。
3、均相流动模型可较准确地计算泡状流的流动规律。
4、在其它条件相同的前提下，油井含水率越高，则井口产出液的温度越低。
5、一般情况下，在垂直多相管流的压力损失中重位损失所占的比重最大。
6、忽略滑脱时，气液混合物的体积含气率等于空隙率。
7、分相流动模型可较准确地计算环状流的流动规律。
8、丹斯—若斯方法和哈格多恩—布朗方法都是分流动型态计算的方法。
9、在计算环空气液流动时可采用当量直径来计算流速和摩擦系数。
10、天然气在井筒中的流动是单相流动。
11、在其它条件相同的前提下，油井产量越高，则井口产出液的温度越高。
12、在泡流条件下，加速度损失所占比重较小，可以忽略不计。
13、垂直井筒气液流动中，泡状流的滑脱损失大于段塞流。
二、选择题（可能有多个答案）1、水、水蒸气共同流动的体系是一个：（）A）单相流体系B）两相流体系C）单工质体系D）双工质体系2、油气混合物在垂直井筒中流动可能出现的流动型态是：（）A）泡状流B）弹状流C）段塞流D）环状流E）层状流F）雾状流3、垂直向上气液两相段塞流中，描述准确的是：（）A）气液滑脱速度v s>0 B）气液滑脱速度v s<0C）气液滑动比s>1 D）气液滑动比s<14、均相流动模型可准确地计算哪种流型的流动规律（）A）泡状流B）段塞流C）层状流D）环状流5、在垂直向上气液两相流动中，滑脱损失最小的流动型态是：（）A）泡状流B）雾状流C）段塞流D）环状流6、气液两相流的研究方法包括：（）A）经验方法B）半经验方法C）数值计算方法D）理论分析方法7、以下流型属于水平管道中油气混合物的流动型态的是：（）A）泡状流B）团状流C）段塞流D）环状流E）层状流F）雾状流8、在垂直向上气液两相流中，流体的真实密度ρ与流动密度ρ’的关系为（）A）ρ > ρ’B）ρ = ρ’C）ρ < ρ’9、分相流动模型可准确地计算哪种流型的流动规律（）A）泡状流B）段塞流C）层状流D）环状流10、洛克哈特—马蒂内利方法可通过计算哪些参数来确定压力梯度的？（）A）全液相折算系数B）全气相折算系数C）分液相折算系数D）分气相折算系数11、不属于垂直气液两相管流的流动型态是：（）A）泡状流B）雾状流C）波状流D）环状流12、气相折算速度的计算方法为：（）A）气相体积流量除以气相所占管道截面积B）气相体积流量除以整个管道截面积C）气相实际速度乘以空隙率D）气相实际速度除以空隙率13、多相流动的压力损失由哪几部分组成？（）A）重力损失B）摩擦损失C）滑脱损失D）加速度损失三、简答题1、与单相液流相比，气液两相管道流动的基本特征是什么？2、解释液相的实际速度与折算速度的概念。