管内多相流流型及流型转变机理总结

管内多相流流型及流型转变机理的调研（热能工程系，陕西西安 710049）摘要：多相流流型在油气田开发中有着广泛的应用，无论油藏工程，钻井工程，采油工整还是油气 田地面工程，都会遇到管内油气两相流，油水两相流和油气水三相流，因此能否准确判断管内多相流流型 及流行转变条件，将直接影响到对管道阻力，压降，流量的计算，出现严重偏差时将影响到油气生产，甚 至危害到各种设备安全关键词：气液两相流；油水两相流；流型；流型图；流型转变；1 研究背景多相流是指两种或者两种以上具有不同相态的物质共存并具有明确相界面的混合物流 动现象1-3。管内油气水三相流动属于气液液三相流动范畴，油气水混合物流动现象广泛存 在于石油和天然气工业中，特别是随着油气田的勘探开发逐渐转移到沙漠、极地、海洋等 自然环境相对复杂的地区，而部分在役油气田又相继进入开发的中后期，从勘探开发到油 气田地面工程，从地下到地面，处处都可以找到关于油气水多相流的应用实例4。油气是深埋于地下的流体矿藏，多相流动现象广泛地存在于油气藏的开发与开采过程 中。在油气田地面工程中，从井口到联合站的集输管道中一般都是油气水混合物流动，在 海洋采油中，采用多相混输技术，既可省去油气分离设备，又可减少一条输送管道，从而 大大减小平台面积和简化生产管理。无论是油藏工程，钻井工程，采油工程还是油气田地 面工程，都不可避免地会遇到管道中的油气两相，油水两相以及油气水三相流动问题，开 展此方面的研究无疑会对石油工业的发展和科技进步产生重要作用5-7。相对于气液两相流的广泛研究而言，管内液液两相流的研究则进行的相对较少，而且 不同研究者的研究结果也相差很大8-13。但是几乎所有的研究者都认为油水混合物的流动 特性与气液两相流的流动特性存在很大差别。管内油气水三相流非常复杂，管内油气水三相混合物的流型不仅取决于气相和液相的 流量，而且还与液相的含水率有关。此外，管道的几何形状、尺寸和倾斜角，流动稳定性 等都对流型有重要的影响。迄今为止，对于管内油气水三相流仍未有成熟的模型和关联式 其中一个最重要的原因在于对管内流动情况下的油水复杂混合物的物性特别是粘性和表面 张力没有深入的认识4,14,15。2 国内外研究现状2.1 气液两相流2.1.1 流型及流行图在水平管或者微倾斜管中，由于重力的影响，两相分布呈现出不对称状态，即气相偏向于管顶部聚集，液相偏向于在管底部分布。一般认为水平管内气液两相流的流型可分为光滑分层流，波状分层流、段塞流、弹块状流、泡状流和环状流等六种。还可将光滑分层流和波状分层流称为分层流，把段塞流和弹块状流称为间歇流。图1-1 给出了几种典型的 水平以及近水平管内的流型结构示意图。(b)Beggs和Etill的浇型结构團EE，團1-1水平和近水平倾誚管中气液两相孟的各种流型流型图可以给出不同的流型存在的范围。对于水平管内气液两相流相继提出了许多流 型图。最早的流型图概念由Kos terini3提出，随后Baker(1954)i3,i6,i7根据大量实验数据整 理出了适用于水平管内气液两相流的第一张实用流型图(见图l-2(a),并在石油工业和冷 凝工程设计中得到了广泛应用。随后Sc。tt对Baker的流型图进行了修正使其更符合实际;Govier和0mieri3也提出了一张水平管内的流型图。Mandhane等农通过大量的实验结果 得出了一个适用范围更为广泛的流型图(见图2(b)，其在实际工程中比较常用。1O31Efitf1口 -itfitfitfDE FISJITiFLij ；BUE让/HLOfBUEil|A1TD I LE FLO 讥SLUG FLOy/AKinTLJL (AfTHlTLJLJSTEJkTIKirDFLl：iWA皿T皿(b)Ivkndtane 硫型閹(1974)倒Ealser流型瞅1954)圄1-2典型前水平骨气酒两柏流流型图Tai tel和Dukler139对水平管中气液两相流的流型和转变机理进行了全面的理论探讨，建立了相应的数学物理模型，从而改变了过去仅仅依靠实验流型图来判别流型的方法 真正从理论上有了突破。随后许多研究者又进一步发展了水平管中流型转变预测的理论模 型。总之，人们对于气液两相流的研究已经进行了大量的研究，并且积累了大量的实验数 据和理论模型13。气液两相流体在管道中产生的压力降、截面相份额、传热传质规律、结 构传播速度、相界面的稳定性等都与流型有着密切的关系，流型的不同对流动参数的准确 测量有着重要的影响。只有在考虑流型影响的前提下，气液两相流的研究工作才能趋于完 善，否则其相应的研究结果的使用范围比较狭窄，结果比较片面、主观、不能广泛地在工 程应用中加以应用。图1-3 是对文献中不同转变机理的总结。尸抱罡宦卑JU1. Ksbii-IfeiiihD：1爱険卷 3D42(Taiel Dukfer,1976)2. fflMf1ji6l d I Hjogendjo(ni31959)4嘗龜卜直M弗相负旧秆于木會翟I Lit*血泄yj舲门to itSB诉關越归衣干华力1斑憑呻;迅回匸|戕丹忌谅KfilviiL-H泌tnkeltz 彼 裁职鼻A (Taitd-SiDiLklsr.lfl iiS1-3水平骨气液两柏流流型转娈机理2.1.2 气液两相流的流行转变预测模型对于每一个特定的流型已经提出了很多预测模型，这里主要对水平以及倾斜管内分层 流向非分层流（包括间歇流和环状流）的转变，间歇流向（分散）泡状流的转变以及间歇流向 环状流的转变准则进行简述。a）分层流向非分层流（间歇流和环状流）的转变0.5Tait el和Dukleri9认为分层流的转变是由于界面的不稳定性引起的，在一定的流速条 件下，气液两相成层流动时，由于两层之间的相对运动产生一个压力，于是在气液界面上 就会产生一个较小的液面波动，使得气相的流通截面变小，流速增加。根据Bernoulli效 应，气体流速的增大将使该处的压力降低，在界面上形成所谓的“卷吸力”，使得液面的 波动加剧。另一方面，突起的波浪受重力作用有恢复正常液面的趋势。当卷吸力大于重力 时就会发生分层流的转变。据此Tai tel和Dukler（1976）19提出如下的从分层流向间歇流转 变的准则关系式，F = (1 - )LAGU 2 ( dA / dh )G L L方程中F为修正的气相Froude数-SGPUGSG =P L - p -vDg cos 0 LGdA / dh =、.1 - (2 -1)2对于水平以及近水平管内的气液两相流，分层流向间歇流的转变就由三个参数X 2, Y以及 F确定。如果Y 定，转变仅由X 2及F确定许多研究表明，气液界面摩阻系数对于流型转变预测模型以及压降的计算影响很大， 而且关于界面摩擦阻力系数的计算也进行了不少的改进和修正。在Tait el和Dukler的原始模型中，气液界面摩阻系数i f等于气相和管壁面的摩阻 系数。但以后的研究者发现，这样计算得到的压降梯度比实际的要小。Shoham和Taitel(1984)i3取定值来计算界面摩阻系数，亦即f 二 0.0142i还有很多研究者采用Ellis和Gay(1959)2。的关系式来计算界面摩阻系数f = 1.3Re -0.57Pet alas和Azizi 采用如下经验关系式来计算气液界面摩擦阻力系数iSL Lf 二(0.004 + 0.5 x 10-6 Re )Fr 1.335 (PLDg)GG其中Froude数定义如下 b)间歇流向环状流的转变现有的几种典型的向环状流转变的模型基本上是从以下几个方面进行研究的，即作用 在气芯上液滴受到的力，液膜的不稳定性以及临界持液率。2.2 油水两相流准确掌握和了解油水两相的流动特性不仅对于管线设计，同时对于提高油水分离效率、 油田污水处理、预测管内与管壁面接触的自由水的含量以及由此引起的腐蚀问题，都有十 分重要的意义22-24。以下就对国内外一些学者对于油水两相流的研究进行简述：2.2.i 油水两相流的流型管内油水两相流动时亦呈现为各种各样的流型。每一种流型对应于一种特定的流动特 性，对于不同的流型分别建立相应的模型将使得对于流动规律的预测精度大大提高。因此， 对于流型的研究是油水两相流研究的起点和基础。Guzhov等(1973)25研究了直径为26.4mm、高度为11.3m的垂直上升管内油水两相流的 流型特征。得到了四种基本流型，即油滴流，油弹状流，油水块状流和分散水滴流动。并 且得到了如图1-4所示的流型图，其结论是：若把油相作为一种高密度的“气相”，可以认 为油水流型和气液两相流的流型相近似。并且认为油水对壁面润湿性的不同，对于流型的 变化有直接的影响。 Charles 等认为这种特性的存在是高粘油和低粘油的不同流动行为的原因。Arirachakaran等（1989）12对内径分别为25.1mm和38mm的水平管内油水两相流流型 进行了实验研究。她们采用的油的粘度为84mPas。采用观察法，将流型划分为：分层流（S）,混合流（Mixed，混合物中两相之间有界面存在），环状流，间歇流和分散流（均匀混合, 即乳化）。并且得到了如图1-5 所示的流型图，在流型图上间歇流的区域很窄。他们认为影 响流型的主要因素有混合物速度和各相体积份额。当油为外相时，油的粘度对流型的影响很大。图1-4 Guzhov等的流型图Nadler和Mewes等（1995）口5在内径为59mm的水平直管上进行了油水两相流的流型研 究。对流型做了详细的分类描述，并得到了流型图。但是他们在实验中，没有观察到间歇流流型。團l-6（a）NadLe和Meiv&s的水平管内油水两相流的流型结构图底层为水相的油包水型乳狀戕成层流勃Trallero24对内径为5.08cm，长为15.54m的水平管中的油水两相流流型进行了实验和 理论研究，实验工质为矿物油和水，其物性参数为（卩/卩=29.6，p / p = 0.85，O W O W二36dyn/cm，25.6C）。基于已有的文献报道和其实验的数据，提出了一种新的油水流型分类方法。Trailer。将水平管内油水两相流动的六种流型划分为两大类，即分离流 (Segregated flow)和分散流(Dispersed flow)。分层流和界面处有混合的分层流归入分离 流流型。分散流可以是油连续或者水连续。油滴分散-水分层流和油乳化在水中都是水连续 的流型；水乳化在油中的流型和双重分散流型为油连续的流型。结果表明：在分离流向分散流转变的过程中压降会减小。相间滑移仅存在于分离流中。祗包朮型乳択液(W2) 里结构團:Ttralleip t=t.圏1-7水平管李广军等26-27曾经采用与本文相同的工质进行了螺旋管中的油水两相流型实验。在他 们的实验中观察到了油水波状分层、界面处有混合的油水分层流、三层流、油滴分层流、 油滴分散流和油基环状流六种流型。Flores 等28研究了不同倾角的倾斜上升管(其中包括75 ， 60以及45 )以及垂直 管中的油水两相流的流型， 他们所使用的实验工质为一种精炼矿物油和水，p / p 二 0.85 ,卩 / 卩二 20.0, b二 33.5dyne/cm32.2C。并且根据连续相的不O W O W OW同将油水两相流的流型归类为水基和油基两大类。实验发现，对于水基流动存在明显的滑 移现象而且测量得到的摩擦阻力压降较低，但是对于油基流动而言，两相之间的滑移几乎 可以忽略，但是压降很大。对于垂直管内的油水两相流型，具体可以分为水基流型和油基 流型各三种(见图1-9)。对于倾斜上升管内的油水两相流的流型可分为四种水基流型，两种 油基流型和一种过渡流型，其相应的流型结构图如图1-10 所示。并且给出了相应的流型图 提出了垂直井筒中的流型转变机理模型。向完全分散流型的转变采用液滴的湍动能和表面 自由能的观点，而对于混块状流(churn flow)以及反相点的预测则采用了凝聚 (agglomeration)的观点。其模型与他们的试验结果吻合很好。2.2.2 油水两相流流型转变在油水两相流流型预测方面，除上文中所述的 Trallero 的模型外， Brauner 也提出 了一系列流型转变的准则。详细讨论了分层流，环状流，分层/分散和完全分散流动的转变 准则，采用线性稳定性分析的方法导出了分层流动区域的界限。并与已有的流型图进行了 比较，基本上吻合。但是由于这一领域实验数据的缺乏，并不能说明这一方法的普遍适用 性。3 科研训练总结经过一年以来的科研训练，使我对科学研究有了初步的了解，通过阅读相关文献，并6 /8进行了对比研究等手段对相关知识有了一定的了解，更重要的是使我学到了一些有助于今 后攻读研究生的研究方法。在这一年中，吴江涛老师对我的研究工作给予了很大的支持， 并特地安排了路雅红学姐给予具体的指导，在此对吴老师和路学姐表示衷心的感谢。 参考文献1 陈学俊，陈立勋,周芳德气液两相流与传热基础M.北京:科学出版社,1995.2 林宗虎.气液两相流和沸腾传热M.西安:西安交通大学出版社,1987.3 郭烈锦.两相及多相流动力学M.西安:西安交通大学出版社,2002.4 陈家琅.石油气液两相管流M.北京:石油工业出版社,1989.5 Taitel Y, Dukler A E.A model for predicting flow regime transitions in horizontal and nearhorizontal gas-liquid flowJ. 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