气液两相管流计算

气液两相管流计算1 基本要求 .从能量平衡微分方程出发，与压降等经验关联式联立，得出了油气集输管线沿程 温降的计算公式，并编制大型计算程序。2 数学模型2.1 热力计算能量平衡方程 假设两相之间没有温度滑移 , 并不计油品的径向温度梯度，这样气液两相混合物 沿管线的能量微分方程可写成:dq dHdv=+ g sm 0 + vdx dxdx(1)q垂直于管壁方向的热流量；H混合物焓；v混合物平均速度；0管轴线与水平 面夹角；g重力加速度。dH由于混合物焓H依赖于它自身的压力P和温度Tf这样dx可下式来表示: dH dH dP 月H、dT小 dP 小 dT()+ () f 卩 C + C fdxcP Tf dxdT P dx J pm dx Pm dx(2)其中卩J为焦耳-汤普森(Joule-Thompson)系数，其物理意义是流体每单位压力变化引起 的温度变化，CPm为混合物定压比热。由(1)式和(2)式可得：1 dqdv dP(-g sm0 v ) +p - C dxdx J dxPm(3)dT 1 dH dP匚+ p dx C dx J dxpm式中单位长度热流量dx 一-2 吓(Tf - T)负号表示散热，Ts为环境土壤温度，k为传热系数。将(4)式带入(3)式，整理得dT T - Tf s f + B dx A式中CPm2兀r kodP g sin 0v dv卩 J dx C C dx 。PmPm式(5)为一阶线性微分方程， 对应的边界条件为： 在出油管口处，当 x=0 时 Tf=Tf0(5)32解方程(5)可得温度分布:式中(Tf0s1荧)exp(2兀kCPm1一T 2兀ks(6)dPdv二 C p- g sm8 - vPm J dxdx式(6)中除传热系数k和压降dP/dx外，其余参数一般均为常数。因此，只要算出传热 系数k和压降dP/dx,就可得出温降曲线。(焦耳汤普森系数=2.5*102.2 传热系数的计算如图1所示, 若忽略管壁导热热阻则总传热系数为1 1 r ln( r / r ) r + o 0 i + ok a九ra(1ini 2h为管线埋地深度，r=d/2为保温O O半径， ri=di/2 为管道外径。式中右边第一项为管道周围 土壤的导热热阻；第二项为管道保 温层热阻；第三项为管内对流热阻。 管道周围土壤的导热热阻，其倒数 可以表示为2：图1地下管道示意图九a s1r ch-1( h / r )oo(8)恥为土壤导热系数，它取决于土壤基质导热系数、颗粒大小分布、干土的计算密度和土壤湿度。一般来讲干土质由两种颗粒尺寸组成：砂(颗粒尺寸是0.0022mm)和粘土 (颗粒尺寸小于0.002mm)。设粘土的重量百分数为S,=50%)，土壤的含湿量为S (=30%),那么湿土的导热系数为w九(a lg S + b) x 10c sw(10)a 01424 - 0.000465S ； b 0.0419 - 0.000313S ； c 6.24 x 10-4 pccs管内对流换热系数的计算, 目前存在许多经验关联式。但几乎所有的经验关联式 都是应用单相流体的对流传热计算式再加上各种修正。推荐用的验关联式为：adNu 2_i九m式中：109 x 10-3ReP+Pg(1 -P) 0.989 Pr1.41 y-1.15pL(11)y 1 - 0.1( pL -1)0.04(1 -P )0.4 pG 卩为平均气含率。久m为平均导热系数.2.3 压降计算在气液两相流动过程中, 相界面形式十分复杂。由于气相易于压缩, 相交界面易于6变形, 可以构成不同组合的相界面。不同的相界面构成不同的流型, 而不同的流型有完 全不同的流动和传热特性。因此 , 压降计算要按不同流型选择计算方法和选取不同的 计算关联式。相关文献从不同角度系统阐述了油、气、水混合输送过程中各种流型的流动特性、 流型划分及相应的压降计算关联式，并用美国煤气协会和美国石油协会（AGAAPI） 数据库的数据评述了常用算法（如：洛克哈特马蒂内利、布里尔、贝克和杜克勒方 法等）的使用范围和精度。本作业采用布里尔流型分区法。压降计算通常有三种方法：（ 1） 均相流模型方法适用于气泡流、弥散流等流型。（ 2） 分相流模型方法适用于分层流、环状流、波浪流等流型。（ 3） 流型模型方法本作业压降计算分两种方法，即：1）、流型模型方法首先布里尔流型分区法判别流型，然后用贝克压降计算法计算压降。2）均、分相流模型方法。用布里尔流型分区法判别流型，若流动处于气泡流、弥散流等流型区，则用均相 流模型计算压降；若流动处于分层流、环状流、波浪流等流型区，则用分相流模 型计算压降。3 计算方法及算例3.1 框图及计算方法图 2 为计算框图，计算步骤与方法如下：（ 1 ）输入基础数据；（ 2）根据已知条件（基础数据）计算气含率、混合物流动参数和物性参数；（ 3）计算管内对流热阻、管外土壤热阻、管道保温层热阻；（ 4）计算总传热系数；（ 5）根据已知条件判断流型；（6）计算沿程压降梯度 dP/dx；（ 7） 用式（ 6）计算温度 Tf；（8）利用式（7）算得的Tf重复（2）（7）的计算过程，直到两次算得的温差绝 对值小于 =10-4。油气混输管线中流动形态极为复杂，不同流型有着不同的阻力规律，也既有不同 的阻力计算关联式。流型划分采用泰特尔杜克勒流型确定法。为了方便计算机计算， 将判别式编入计算程序中，这样便可根据已知条件自动判断流动属于何种流型，选择 压降计算关联式，算出压降。3.2 算例原油流量QL=0.050.1 m3/s原油粘度巴=2 X 10-3 Pa-s气体密度PG=1.4 kg/m3基础数据:原油密度PL =813.77 kg/m3气体流量QG=0.0050.02 m3/s气体粘度 环境温度 管长 土壤密度巴=1X 10-5 Pa-sT= 10CsL=8.0kmPs =1283. kg/m3； 出站温度；管径； 管道布置角度Tf0 = 80Cd= 0.419m9=05输入原始数据判断流型计算压降dP/dxNfY估算流体温度T、计算气含率卩计算传热系数k计算温度TfT计算物性参数I输出结果T=Tf泡状流层状流塞状流塞状-分散状流环状-分散状流乳状流参考文献1 关德相, 热力学原理, 人民教育出版社, 1980（北京）2 匈A.P西拉斯著，汤凯孙译.石油及天然气的开采和输送，石油工业出版社1989（北京）.3 陈学俊, 气液两相流与传热基础. 北京：科学出版社, （1995）p.171-1884 Gad Hetsroni， Handbook of Multiphase Systems， Hemisphere Pub.Corp. （1982）p.6-158.5 宋承毅 编译， 估算输油管道多相流压降的简单相关式，国外油田工程， 1994.3 .p.22-23.6 苏.C.卢托什金著，郝继红译，油气水的收集与处理，石油工业出版社，1987.9（北京）.7 加拿大G.W.戈威尔著，权忠舆译，复杂混合物在管道中的流动（下），石油工业出版社，1986.38 陈家琅编，石油气液两相管流， 石油工业出版社， 2002.10.