水平油气两相流流型转变及相界面不稳定性研究进展

水平油气两相流流型转变及相界面不稳定性研究进展

1，研究背景

气液两相流动是一种十分复杂的流动现象，系统内最重要的特征是两相结构及分布上的不均匀性与状态的不稳定性和多值性，且各相间存在可变形相界面。相界面及其所引发的特征与各相的物性、流量、流动参数、管道几何形状及几何位置等诸多因素密切相关，给系统的深入研究带来了很多困难。早期的大多数研究者只关心能否得到计算压力降或推算热流密度的实用关联式，而不考虑管内流体的流动形态。近二十年的研究工作表明，考虑不同的流型分布，理论预测和计算能更准确地反映两相流的流动本质，从而获得更精确的结果。

相分布(即流型)是多相流流动特性以及传热特性研究的基础，不同的流型具有其独特的流动以及传热特性。管道中流型的变化往往引发流阻的改变、流动的稳定性、传热以及压降等特性的变化。工程上的油气混输系统，由于受流量、介质物性、管道形式以及倾斜角度等因素影响，管道截面含气率发生变化，导致管内出现各种流型。工程上对许多多相流系统事故进行分析时，常常发现是由于流型的不明确造成误算或误操作。因此，对流型特性，尤其是段塞流特性，进行准确分析以及流型识别至关重要，这对选用流阻计算公式、稳定性判据、传热以及压降计算公式都具有极为重要的实用意义。

2，油气两相流流型及流型图研究

气液两相流在各种流量组合下表现出不同的流型。每一种流型有其特定的两相分布和界面形状。当一种流型向另一种流型转化时，气液界面形状发生了变化。由于两相流动的复杂性，两相流动的机理至今没有为人们所完全认识，因此流型的区分，流动状态的描述以及流型的识别一直是两相流研究的主题。上个世纪末，Levy(1999) 的著作对各种管道倾角下的流型进行了总结，并且对现今两相流研究的复杂性、其中存在的问题和各种研究学派的异同作了总结。对于水平气液两相流，根据Mandhane etal.(1974)；Taitel和Dukler(1976)；Barnea1987)；Petalas&Aziz(1998))的实验观察，典型的流型包括(图1)：

(1) 分散泡状流(Dispersed-Bubble flow)

当液相流量较高，在一个很宽的流量范围内，细小的气泡分布于连续的液相中。由于浮力作用这些气泡基本上集中在管道的上半部分。

(2) 延长泡状流(Elongated Bubble Flow)

在分散泡状流的基础上，随着气相表观速度的增大，在气液界面会掀起扰动

的波浪，管道上部的小气泡在界面波的作用下合并，并逐渐增大延长，发展成更大的气泡，且在大气泡尾部仍有许多小气泡跟随，这种流型为延长泡状流。

(3) 分层流(Stratified flow)

当气液两相流量都较低时，重力作用引起气液两相分隔流动，即液相位于管道的下半部分，而气相沿管道上半部分流动。气液两相界面是光滑的。如果气速上升，界面剪切应力增加，气液界面变得如鹅卵石路面般的凹凸不平，进而出现波状界面。

(4) 段塞流(Slug flow)

当气相和液相的流量进一步增加，液层进一步升高。气液界面波逐渐密集，直至最终管道被液相堵塞。堵塞管道的液相部分称为液塞，液塞被流速较快的气流加速，冲击管壁并且沿着流动方向从流速较慢的液层铲起一部分液体。段塞体单元包括液塞体和其末端的延长气泡和气泡下部的液层。这样延长气泡和液塞交替出现沿着管线向下游游动。

(5) 环状流(Annular flow)

液相呈环膜状沿管壁向前流动，高速气流中心夹带细小液滴。由于重力作用，液膜沿管壁周向分布不均匀，管道的下半部分的液膜要厚于上半部分。文献中还报道了其他不同的流型。增加新的流型定义是对流型的进一步细化并且能更加深入地反映流型的特征。例如，图1所示的波状分层流(stratified-wavy flow)和波形环状流(annular-wavy flow)体现了两种基本流型气液界面上存在的波动。类似地，塞状流(plug flow)和半环状流(semi-annular flow)就是用于描述流型转换(泡状流和段塞流的转换、塞状流和环状流的转换)时的中间流型。这些流型可以视为特定流型的子流型。本文油气两相流实验观察到四种主要流型，即泡状流(分散、延长)，段塞流，分层流(光滑、波状)和环状流。

图1 水平气液两相流流型

各国学者还致力于对两相流型分布和流型图的研究。Kosterin(1949)给出了第一个流型判别图。Baker(1954)给出了一幅用于各种介质的水平管流型分布图2，该图曾在一段时间内获得广泛应用。

图2 Baker (1954)的水平气液两相流流型图

其中，气相质量通量G G = m G / A kg/(m 2·s)，液相质量通量G L = m L / A kg/(m2·s)。

λ= （1） 123water water L

water L σμμψσμρ⎡⎤⎛⎫⎢⎥= ⎪⎢⎥⎝⎭⎣⎦

（2）

G u ≥水和空气的物性常数为：σwater = 0.072 N/m ， μwater = 0.001 Pa·s ，ρwater =1000 kg/m3，ρair = 1.23 kg/m 3。

Mandhane(1974)总结了管径范围为12.7~165.1 mm 、实验介质为油或水和空气的水平管内两相流流动实验结果，对管道内流型以及流型转换特征及其影响因素进行了研究。他发现在水平管道中，尽管管径、介质物性存在较大差异，但仍具有相似的流型分布。Mandhane

的流型图得到了广泛应用(图3)。

图3 Mandhane (1974)的水平气液两相流流型图

Taitel 和Dukler(1976)在Mandhane 流型图的基础上，进行理论分析，建立了流型转换的关联式，并用新的坐标系统描述了流型间的转换特征，得到了水平管内两相流流型分布的Taitel 和Dukler 流型图(图4)。

图4 Taitel 和Dukler (1976)的水平气液两相流流型图

其中，

F = （3）