多相流理论建模

多相流理论在石油化工领域的应用研究综述

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，通过阅读相关领域文献，本文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。关键词：多相管道，石油化工，研究热点，应用。

1.引言

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]。

2.多相管流研究历史和现状

2.1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]。

2.2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，经验公式都拥有较好的准确度,可推广到实际工程情况时便会引起大的偏差,甚至完全错误的结果[11]。

对于多相管流的参数计算，其核心内容为流型的判断、含液率及压力梯度的计算。其中流型判断、含液率计算是其根本,而最终目的是为了得到压力梯度的计算方法。而多相管流的复杂性在于流型的不可确定性和多样性、多相流各相间存在质量及能量的交换和力的相互作用、界面不稳定和随机特性及流动特性参数难以测量。所以相比于单相管流，多相管流的研究更加困难。

当今石油化工中大部分两相流分析都依赖于稳态模型，完整的管路认为是由多段上坡管及下倾管组成，气液两相的流量、流动特性以及流型、压降和含液率可利用经验公式或机理模型得出。其中稳态气液两相流的机理模型是基于气液两相的质量守恒方程和动量守恒方程得出的，这些机理模型都与气液两相流的流型有关，对于段塞流，无论水平管、倾斜管和竖直管，学者都进行了大量的研究工作，Dukler和Hubbard[12]率先提出一种段塞流模型。

利用模型得到的计算结果一般不能直接用于实际多相管路计算，必须在压力低、管径小和输量小得出的代数式加以修改,才可使之用于现场。因此现在学者探究的方向有:（1）各种不同的经验公式在流型的判断、计算含液率以及压力梯度的预测方面各有优劣势及适用范围,应将各种经验公式加以恰当的整合,从而取得应用性更宽泛、更高精度的组合模型。（2）探究各流型的多相管流流动规律,研究得到不同流型相互之间转化的条件，建立起转化模型，求解不同流型下的数理方程。（3）选用效果好的测试方法,研究建立起各种流型瞬态模型,得出求解各流型下瞬态模型的方法。多相流本身非常复杂，在数值模拟方面提出更为合理的多相管流理论模型，基本控制方程与圈闭条件的结合，对比各种离散化方法，加快离散化方程求解速度、增强计算机程序强壮性等仍然是研究学者们不断追求的方向。

研究建立准确度高的模型，不仅需要进行更为精细的理论推导以及基础物理的发展,而且还要体量更大的实验及数值模拟数据。由此多相流相关的CFD模型开发在石油化工领域中变得格外重要。多相管流数值模拟的方法可分为两大方向:多流体模型法以及拉格朗日法[13]。

3.多相管流研究热点

3.1地形起伏多相管流的研究

对于存在地形起伏多相管流探究，把在小管径、低压和低流量得出起伏段塞流的特性参数变化规律加以整理，扩展到现实工程管路中是十分有意义的。段塞流动的物理参数有很多，主要有液膜区的长度、单元段塞长度、液膜区含液率以