试验目的通过试验观察气液两相流的各种流型掌握流型

※<实验一气液两相流流型测试>
一、实验目的
1．通过实验、观察气液两相流的各种流型。

2．掌握流型的测量方法。

3．分析和探讨两相流动中流型的影响因素。

二、实验装置介绍
1．流程
来自压缩机的空气经过测定压力、温度、流量后进入混合器中与来自离心泵、并经过计量后的水混合；然后，气液两相流体先进入到（Dg25或Dg50）水平测试管段，经可调倾角的Dg25或Dg50上、下坡测试管段；最后经Dg80水平测试管进入分离罐，空气从分离罐上方排出，水进泵循环使用。

其流程示意图见图1。

2．实验设备和方法
(1)离心泵，(2)气液涡轮流量计组，(3)手动电动球阀，(4)混合器，(5)观察管，(6)分离罐，(7)V－3∕S－1型压缩机等。

实验管段有φ32×2.5、φ60×3、φ89×3.5三种规格共7个实验测试管段，每个测试管段配置有机玻璃管，可观察管内流型。

三、实验注意事项
1．爱护实验设备，不得踩踏管线。

2．未经教师许可，不得乱动实验架上的阀门、仪表等设备。

否则，由此引起的设备损坏，学生应负一定经济责任。

四、实验内容
观察气液两相流的各种流型，分析流型的影响因素。

五、实验课进行方法
1．组织学生进行实验预习，搞清实验流程。

2．细心观察老师启动实验架步骤，并做记录。

3．观察研究老师是怎样调节管路内流型的，实验中你看到哪几种流型？并
对观察到的流型进行描述和分析。

4．实验数据交教师检查，认为合格后，方可结束实验；若老师认为数据误差太大，应重新测定。

5．实验结束后，清理实验室，恢复实验前状态。

六、实验报告要求
1．简述实验中所观察到的流型并分析影响流型的各种因素。

2．根据实测参数用布里尔法和曼徳汉法判断Dg50水平管段的流型，并与实验观察到的流型进行对比。

3．据实测参数用布里尔法判断Dg50上坡和下坡管段的流型并进行对比。

5
※<实验二气液两相流压降及截面含液率的测量>
一、实验目的
1．掌握测量管段压降和截面含液率的测量方法。

2．分析和探讨两相流动中截面含液率及压降的影响因素。

二、实验装置介绍
1．流程
来自压缩机的空气经过测定压力、温度、流量后进入混合器中与来自离心泵、并经过计量后的水混合；然后，气液两相流体先进入到（Dg25或Dg50）水平测试管段，经可调倾角的Dg25或Dg50上、下坡测试管段；最后经Dg80水平测试管进入分离罐，空气从分离罐上方排出，水进泵循环使用。

其流程示意图见图1。

2．实验设备和方法
(1)离心泵，(2)气液涡轮流量计组，(3)手动电动球阀，(4)混合器，(5)压力表、压力传感器、温度传感器，(6)观察管，(7)分离罐，(8)V－3∕S－1型压缩机等。

实验管段有φ32×2.5、φ60×3、φ89×3.5三种规格共7个实验测试管段，每个测试管段配置有机玻璃管。

用压力传感器测量管段压力，用两个压力传感器
读数之差测量管段压降，用快速关闭测量管段两端阀门的方法测量截留在管内的液体量，利用称重法，从而计算出截面含液率，各实验管段间测压点的长度如下表：
三、实验注意事项
1．爱护实验设备，不得踩踏管线。

2．未经教师许可，不得乱动实验架上的阀门、仪表等设备。

否则，由此引起的设备损坏，学生应负一定经济责任。

四、实验内容
1．测量水平和倾斜气液两相管路的压降。

2．测量水平和倾斜气液两相管路的截面含液率。

五、实验课进行方法
1．组织学生进行实验预习，搞清实验流程、实验架各测压点、测温点的位置以及气、液流量测量仪表。

2．细心观察老师启动实验架步骤，并做记录。

3．把气液量调节到某一数值，待流动状态稳定后，测量Dg50水平、上坡、下坡实验管段的压降和截面含液率。

4．实验数据交教师检查，认为合格后，方可结束实验，若老师认为数据误差太大，应重新测定。

5．实验结束后，清理实验室，恢复实验前状态。

六、实验报告要求
1．简述实验中所观察到的影响压降和截面含液率的因素。

2．根据实验工况用贝－布法计算Dg50水平、上坡、下坡管段的压降和截面含液率，并与实测压降和截面含液率进行对比，计算相对误差并简明分析原因。

3．由实验工况用洛－马法求Dg50水平管的压降和截面含液率，并与实验测得的压降和截面含液率进行对比，计算相对误差。

4．用洛－马－弗莱聂根法求Dg50上坡管段的压降，并与实测压降进行对比。

图1 气液两相流实验装置流程图
实验报告辅导内容
一、实验数据采用单位
流体流量 升∕秒 内径 Dg50 (0.05286米)
气体流量 升∕秒 管段倾角 度
管段压降 Pa 管段放出液重 千克
压力 Pa 温度 ℃ 二、某些参数的计算方法 1．20℃时水的粘度为20μ＝0.001002帕·秒，0℃<t <20℃时，粘度用下式
表示：
20μμ=t ·]
30233.1)20(00585.0)20(1855.8333.9981301
[
2
10
--+-+t t
20℃<t <100℃
20μμ=t ·]
105
)20(001053.0)20(3272.1[
2
10
+---t t t
2．气体流量和密度的计算
气体流量是在P 1、t 1条件下，由气体涡轮流量计测得。

把实测气体量换算为实验测试管段压力、温度条件下的气体流量需应用气体状态方程。

为此，需把表压换算成绝对压力、温度换算成绝对温度。

在标准大气压、0℃下，空气的密度为1.293 kg/m 3。

据此，可用状态方程求得测试管段压力、温度条件下的空气密度。

3．气体粘度
测试条件下，空气粘度与管路压力关系不大，只和温度有关，可近似用下式估算：
7
10)]300(43.0184[--+=T g μ Pa·s
式中 T ——管段绝对温度，K 。

4．按布里尔法确定流型时，需要水－空气表面张力数据，可按下式计算：
310)15568.0831.75(--=t σ牛∕米
式中 t ——管段温度，℃。

5．管段粗糙度
液体管壁绝对当量粗糙度取0.1毫米，气管取0.05毫米。

6．截面含液率
由洛－马参数求截面含液率，可按下式计算：
2001095
.0ln 0273.008.0ln 1639.01461.0X X X X X H L +++
+=
三、测试管段的平均压力
为避免繁琐的迭代计算，各测试管段的平均压力规定如下： 水平管 P ＝
2
)(32P P +
上坡管 P ＝
2
)(54P P +
下坡管 P ＝2
)(76P P +
四、管段的实测压降
实验装置用压力传感器测量管段压力，用两个压力传感器读数之差测量管段
压降，读数为kPa 。

五、管段平均截面含液率
L H ＝水密度管段体积管段放出水质量⨯
5
※<实验三多相流多相分离实验>
本次实验在多相流大环道实验架上进行，根据教学安排进行多相流分离实验。

在大环道实验架上也可进行实验一和实验二。

一、实验目的
掌握多相分离机理和分离方法。

二、实验装置介绍
1．流程
图2 多相流实验装置流程图
流程如上图所示，由离心泵或双螺杆泵增压后的油或水经调节阀调压、质量计量后进入气液混合器；由压缩机提供的压缩空气经调节阀调压、金属浮子流量计计量后也进入气液混合器。

在气液混合器内充分混合，以气水、气油或油气水三相混合进入实验环道。

实验环道中间部位设有可调角度为－30°～＋30°的起伏管路。

环道沿程设置了多个温度、压力、差压、截面含气率、流型等测量点，环道上的收发球装置可收集清管时的管道集液量。

终点安装了辽河油田设计院负责的管束式捕集器和容器式捕集器，经捕集器分离得到的气相经计量后放空，液相计量后循环使用。

油水混合物可进入终端分离器实现油水的分离。

整个实验系统基本实现了微机自动控制与数据采集。

2．实验装置组成
多相流实验装置主要是由起点的气液相供应系统、环道系统、终点处理系统以及控制和数据采集系统组成。

（1）气液相供应系统
实验用气相由V-10/12.5（即最大流量10m3/min、最大压力12.5kg/cm2）和V-13/12.5两台压缩机供给，最大供气压力12.5kg/cm2，最大供气量为1380m3/h。

压缩机出口分别连接有1 m3和2 m3的气体储罐，以平衡压缩机排气的波动。

液相采用水或轻质油品，由两台ISY80-50-315轻油离心泵和W4.1-27Zk-W73双螺杆泵供应，最小供液量为5～10m3/h。

泵特性及有关配置见下表。

离心泵特性及配置
螺杆泵特性及配置
（2）入口混合器
原设计中考虑在测试段前应保证气液很好地混合均匀，因此特别设计了气液混合器：在混合点设置了混合腔，气相从中心处掺入，经过开孔管与液体混合。

实验中发现，由于气体的可压缩性，气体有可能在局部扩大的混合腔中堆积，致使气体流量波动很大，气体的流量波动范围在10％甚至更大。

实际上预想的混合腔室不仅没有很好地起到混合作用，反而阻滞了气液相的混合。

气
液
参考国外文献，新设计的气液混合器见上图，在管路的混合点前设置一水平挡板，挡板长为500mm。

由于设置了挡板，气液两相之间的影响减小了，气体流量的波动大为减小，在3％～5％范围内。

（3）气液相控制与计量
实验要求液相流量范围1～100 m3/h，气相流量范围1～1000 m3/h。

流量变化范围大，因此分别选用2台气动调节阀（选用美国Masoneilan系列调节阀）并联完成设计油相流量范围亦为1～100 m3/h，同样设置2台调节阀完成流量调节。

流量调节由工控机自动控制。

计量调节系统如下图。

图3 气液相控制与计量流程图
气液相调节阀特性如下表：
液体调节阀：
气体调节阀：
同样由于流量变化范围宽，流量计量仪表也选用多台流量计完成。

气相流量由K80·44、K20·33、K340三台金属浮子流量计并联计量；液相流量采用Fisher-Rosemount 产品CMF300、CMF100两台质量流量计并联计量。

流量信号全部送入工控机。

具体型号和性能指标如下：
液相流量计
注：质量流量计还可以测试液体的密度和压力。

气相流量计
（4）实验环道
实验环道选用3英寸不锈钢管，全长350米，布置在30m×70m的场区中，为尽可能减小弯管对气液相流动的影响，弯管曲率半径尽可能大。

根据场地情况，设计的弯管曲率半径不小于100D。

中间设有一段上坡管和一段下坡管，倾斜段长为17米，采用起吊方式改变倾角，倾角变化范围为－30°～＋30°。

根据模拟计算结果，设置环道工作压力为8 kg/cm2即可达到模拟所有流型的目的。

环道设有压力、差压、流型、持液率、温度和通球指示器等检测仪表；另外还设有起伏段，用于测试起伏管路对多相流的影响。

环道系统的布置简图如下图所示。

图4 多相流实验装置环道流程简图
（5）终点处理系统
终点处理系统安装了容积式捕集器和管束式捕集器、油水分离器。

同时设有气液计量和调节系统，可以控制终点的气液相流量和终点压力。

液相流量计采用辽河油田生产的腰轮流量计，气相计量采用两台旋进旋涡流量计（见下表）。

根据实验需要两台捕集器可并联运行，也可以串联运行。

油水分离器用于分离油、水，分离后的油水返回储罐循环利用。

捕集器的控制流程如下图所示。

气液相流量计
LUY-EX3216100
图5 捕集器流程简图
（6）实验操作参数
输液泵最大输出压力 1.2MPa
压缩机最高输出压力 1.2MPa
仪表风罐操作压力 0.55MPa
环道起点操作压力 0.2～0.8MPa
起点操作温度常温～50℃
捕集器操作压力 0.2MPa
捕集器操作温度常温～50℃
油流量 0～100m3/h
水流量 0～100m3/h
气流量 0～1000m3/h
（7）控制和数据采集系统
控制和数据采集系统是整个多相流实验装置的核心，也是提高实验研究精度和水平的关键。

多相流实验装置的控制和数据采集系统共设有两套，一是基于“Intelution”公司的工控组态软件FIX6.02平台上完成的，主要负责系统控制及部分数据的采集；另外还引进了National Instrument公司的高速采集系统—LabVIEW，采集通道16路，采集板速度为500KHz，若同时采集16路信号，采样速率仍可达230KHz，并对采集数据进行实时在线分析与处理，该软件对瞬态多相流分析研究是非常重要的。

以 FIX6.02为平台的控制和数据采集系统如下图所示。

图6 多相流实验装置控制和数据采集系统
a.压力、压差测量
压力、压差的测量对研究多相流问题是重要的，考虑到多相流的特殊性，不仅要求测量精度高，同时变送器还应有快速反应能力，以适用瞬态多相流性质。

经过调研对比，选择了Rosemount3051变送器：该变送器具有较高的精度，同时其采集速率可达20Hz，基本满足研究的需要。

变送器型号如下：
环道中共设置了9处测量点，可根据需要任意布置压力或差压变送器。

测点的位置如下图所示：
图7 压力与差压测点示意图
图示“|”表示压力或差压测点，虚线表示管墩，各测点处都装有压力传感器
图中各弯管半径分别为：
左边大圆弧的半径：10.695m
左边的各小1／4圆弧半径：4m
右边的大圆的半径：10.335m
右边的小圆的半径：9.615m
各管墩之间的距离为：6m
点1、3、9与左边的管墩的距离为：1.9m
点2、8与右边的管墩的距离为：5.35m
各测点之间的距离（测点位置如图所示）如下，值得说明的是，以下距离为根据压差计算数据，因压差的测量采用的是精度较低的压力表得到的，因此以下数据精度不高。

待安装新压力、差压变送器后应重新校准。

l 1、2＝83.2223m l
2、3
＝75.6319m
l 3、4＝39.975m l
4、5
＝13.2m
l 5、6＝9.51m l
6、7
＝13.2m
l 7、8＝26.325m l
8、9
＝73.3711m
b.温度测量
由于实验装置设计之初，就没有考虑研究温度对多相流的影响，因此温度的测量没有作为重点考虑对象，只在环道起、终点设置了温度测量点。

温度测量选用北京昆仑海岸公司生产的PT100温度传感器检测，传感器量程为0～50°，精度为0.5级。

c.截面含气率与流型的检测
多相流截面含气率和流型的测量是多相流研究的重要课题之一，当前还没有成熟的商用仪表。

浙江大学开发了电导式截面含气率检测仪及电容式流型检测仪，但使用效果不好，有待进一步研究。

在测压点3处安装了一台兰州海默公司生产的单能核密度计。

从使用情况看，测量效果不理想，主要原因是其测量结果为平均值，采样时间越长越好，这不是我们希望的。

三、实验注意事项
1．爱护实验设备，不得踩踏管线。

2．未经教师许可，不得乱动实验装置上的阀门、仪表、引压管等设备。

否则，由此引起的设备损坏，学生应负一定的经济责任。

四、实验内容
测量多相分离效果。

五、实验课进行方法
实验分预习和分组实验两部分。

预习分班进行，分组自由结合，3~5人一组。

分组实验在控制室调节、记录数据。

（一）预习
1．组织学生进行实验预习，搞清实验流程、实验装置各测压点、测温点的位置以及气、液流量测量仪表。

2．细心观察老师启动实验装置的步骤，并作记录。

（二）分组实验
1．按照预习时记录的实验步骤，进行实验，大家分工合作。

2．实验结束后，清理实验现场，使其恢复到实验前的状态。

六、实验报告要求
对上课所学的多相流分离有感观的认识，并且进行实际操作，结合实验情况及课程所学的内容，论述一下多相流分离技术，并且提出你对其今后发展前景的看法。