油气混输管路内的流型特征及其识别方法
第一章 绪论
1.1课题背景
气液两相流的宏观运动规律以及它与其他运动形态之间的相互作用是两相流体力学的主要研究内容之一。气液两相流的研究，是随着工业技术的需要而发展起来的。特别是本世纪40年代后，由于动力工程﹑化学工程﹑石油工程﹑原子能工程﹑航天工程以及环境保护工程的兴起和发展，气液两相流的研究日益得到重视，促使它形成为一门完整的应用基础学科。广义而言，气液两相流动属流动力学的研究范畴之一，流动力学的基本方程也适用于气液两相流。但由于在气液两相流中，存在气液两相间的相互作用，因此两相流动问题较单相流动问题要复杂的多，两者间在本质特征上也有较大的不同。气液两相流流型的复杂性和多样性就是显著区别于单相流动的特点之一。
两相流流型是两相流的结构形式。对于流型形成机制及其特点的认识，是两相流的机理及其规律研究的重要组成方面，同时也直接关系到对两相流学科中其他问题的分析研究。例如，对于气液两相流问题的分析处理，经常采用基于流型的方法，即首先分清气液两相流的流型，然后根据各种流型的特点，分析其流动特性并建立关系式。这种方法考虑了两相流的流型特征，具有较强的针对性。
流型研究在工程中也具有重要的应用价值。在涉及到气液两相流动的管路系统设计时，流动压降是基本参数之一，而两相流压降与流刑具有密切关系。实验结果表明，在相同的质量流量下，不同流型下的流动阻力可以变化几倍甚至几十倍。不同的流型，将会使管道受到不同频率分布特性的作用力，这将直接关系到管道结构的减振设计，以确保管道系统的安全运行。为了进行多相流动参数的测量和计量，流型也是必须考虑的重要因素。因为流型的变化往往会造成测量装置的显著改变。另外，不同的流行具有不同的传热﹑传质特性，这对于化工﹑动力等过程的工艺技术也至关重要。
气液两相流流型与两相间界面的形状及其组合变化密切相关，流型的发展与稳定往往是相对的（例如，在长距离管线中，由于沿程状态参数的变化，流兴会发生改变），从而导致流型问题变化复杂。早期的研究者为了方便，常常用各单相流型（层流或紊流）的不同组合为描述多相流模型并以此建立计算模型或在此基础上根据质量流速﹑压力等参数进行修正以提高模型的精度。例如对于气液两相流的压降计算模型的研究就是如此。显然，这种流行描述方法比较粗糙。目前常用的流行分类方法是根据流动形态分类。这种分类方法比较直观，但流型确定容易受到观察者主观因素的影响。目前对于流型的分类方法还没有一个统一的标准，这是流型研究需解决的问题之一。另外，如何根据流动条件确定流型，以及如何在流动过程中实时的利用流动状态信息确定流型也是目前在流行研究及工程应用中迫切需要解决的问题。本文针对上述问题进行评论，以期反映近年来对于气液两相流流型问题的研究状况。
1.2国内外多相流基础理论
近年来国际上对多相流的研究兴趣在持续增长，其原因在于多相流不仅在一系列现代工程中得到广泛应用而且对促进这些工程设备的发展和创新也起到了重要作用.涉及多相流的工程设备有新型的相变换热器、锅炉、蒸发器、凝结器、空间设备、制冷机、核反应堆、分离设备、过滤设备、流化床反应器、气力输送设备、液力输送设
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备、石油工程设备和多相流泵等。每年发表的有关多相流方面的论文数以千计，因此要在一篇论文中对近期多相流研究工作进行全面综述，实非易事.本部分拟对其中的一些有关多相流研究的新课题、具有实用意义的新项目以及能促进多相流学科发展的新研究内容进行了扼要的论述?1?。
1.2.1多相流流型及流型图
多相流流型和流型图对确定多相流的组分、分相流压力降和传热系数是十分重要的.此外，流型对建立多相流理论模型也是有力的物理基础.
至今，在气液两相流方面，对重力作用下的气体和牛顿液体混合物的两相流体流型和流型图的研究己经比较多，特别是在水平管、垂直上升管的管内流型和流型图方面的研究工作己较完善.因此，近年来有关这方面的研究论文数量己大为减少，但对气体和非牛顿液体的管内气液两相流型以及对小尺寸管或特殊管子横截面的管内气液两相流型的研究论文为数仍不少.例如:王树众研究了油气两相流在下降管内的流型;Bonjoun研究了水在直立两板中狭小空间内沸腾时的流型;Mishima研究了内径为1～4mm的毛细管中的气水两相流流型;Triplett发表了微通道中气液两相流流型研究报告;Wolk研究了当量直径为6mm的三角形截面垂直管中的流型;Gradeck研究了水平波形管中的气液两相流型;weiseman研究了管内存在微型螺旋线状肋片时流体物性对气液两相流型的影响以及衣服发表了微型内肋水平管中凝结时的流型研究报告等.
对气固、液液两相流流型的研究比气液两相流流型的研究要少得多，但近年来，在区分流型和预测流型转换界限方面己取得了一些进展.例如:Doron建立了管内液固两相流的流型图;出价提出了气固流态化和向上气力输送颗粒时的流型图;N adlen研究了两种不溶混液体在水平管中形成乳浊状流型的过程及天使的研究了油水混合物在水平管中的流型等.
在三相流的流型研究方面:Hewitt提出了微倾斜管中油气水三相在不同压力下的流型图并发现压力增大会促使分层流动区域扩大;罗玉珊等研究了垂上升管中乳状油气水三相流由细泡状流型过渡到弹状流型的转变条件;陈学俊等研究了螺旋管中油气水三相流的流型等.由于气液两相流在宇宙飞船的设计和运行中具有重要用途，例如在飞船环境系统、制冷流体的储存和输送、太空核电站系统安全性等系统中均有重要应用.因此，建立微重力下的气液两相流流型图就显得十分必要.根据Rezkallah的研究，微重力下的气液两相流流型基本上可分为细泡状、弹状、泛沫弹状和环状等几种流型，并由他建立了流型图和流型转换条件.Colin和Bousman研究了管径、液体粘性和表面张力对流型的影响. 1.2.2压力降研究
近期对多相流压力降进行研究的论文主要涉及液液、气固、液固两相流和三相流问题.在气液两相流压力降方面，由于对一般直管研究己经较多，因而新的论文主要涉及特殊管子、微重力条件下以及气体—非牛顿液体等的气液两相流压力降问题.其中:Dziubimsk, Dasf报导了气体和非牛顿液体在管内压力降方面的研究结果;M ukhtan研究了900水平弯头中含多尺寸颗粒的气固两相流压力降;T urian研究了非牛顿液体的泥浆流压力降;天使的研究了液液两相流在水平管中的压力降。此外，M ishima研究了各种毛细管中空气一水两相流的压力降;杨研究了R-12气液两相流的压力降;Awward研究了气水混合物在螺旋管中的压力降;weisman研究了R-113气液两相流在螺旋内肋管中的压力降等?2?.
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在油气水三相流方面，Hewitt研究了微倾斜管中的油气水三相流压力降，并发现:如果油水混合物粘度能采用合宜的方法确定，则某些两相流压力降预测方法可用于进行油气水三相流压力降计算，林宗虎等对水平管中的油气水三相流摩擦压力降的研究表明:由于工质对管子材料的湿润性和吸附力等的不同，有机玻璃管和钢管中的油气水三相流摩擦压力降在一定条件下是不同的.在微重力作用下对气液两相流进行的初步研究表明，在两相摩擦压力降方面，微重力条件下和重力作用时的压力降数量级相同.
1.2.3截面含气率和截面含液率的研究
在海洋石油等开采储运过程中，为了进行油气混输管路的设计和运行，必须进行油气水三相流流动特性的研究，其中一个重要参数是截面含气率或截面含液率(持液率).
Hewitt研究了空气折算速度固定、总液体速度不变时微倾斜管内的油气水三相流持液率问题.试验表明，水含量增大，则持液率增加到一最大值后再锐降到近乎为一常数值.峰值发生在油为连续相区域，而曲线平坦部分(近乎常数值区段)位于水为连续相区域.虽然三相流时各相含液率与两相流时表现不同，但仍可用某些两相流预测方法预测，只要油水混合物的粘度应用一种可考虑相转变和混合工况的模型加以估算?3?.
此外，由于弹状流对油气混输管的重要性，挂起研究了垂直上升管和垂直下降管中弹状流的含气率，酋长研究了垂直下降管中油气混合物在细泡状流型和弹状流型时的含气率，Feenstra提出了一种计算两相流横掠水平管束时含气率的改进计算模型。
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第二章 气液两相流流型及其判别的若干问题
2.1引 言
气液两相流体系是一个复杂的多变量随机过程体系，流型的定义﹑流型过度准则和判别方法等方面的研究是多相流学科目前研究的重点内容。下文就与气液两相流流型及其判别有关的研究状况进行了回顾和评述，力图反映近年来气液两相流流型及其判别问题研究的状况和趋势?4?。
2.2气液两相流流型的分类
由于目前在研究和应用中涉及的气液两相流大多数是管内流动，因此下面的讨论主要针对气液两相管流进行。
表2.1垂直上升管中的气液两相流流型划分
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在气液两相流流动过程中，由于气、液两相均可变形，两相界面将不断变化，从而两相介质的分布状态也不断改变，所以流型极为复杂。同时，流型还与管道尺寸、管截面形状、管道角度、管道加热状态、所处的重力场、介质的表面张力、壁面及相界面间的剪切应力等因素有密切关系.因此总体而言，流型的种类是相当复杂繁多的。这使得不同的研究者，从不同角度对流型进行研究时，会给出流型的不同定义和划分。例如，对于垂直上升管中的流型划分就有几十种，如表2.1所示。又如，对于水平管绝热流动，在不同的液相流量下，加速等提出的流型划分也有十余种，如表2.2所示。
表2.2水平绝热管中的流型(管道内径0.0935m)
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注: A—环状流(环的), B—气泡(泡沫), BTS—中空气弹(殴打穿过鼻涕虫), D—液滴(小滴), F—液膜(薄膜), IW—平缓波(不活泼的波), LRW—大翻 卷波(大的滚动波), PB—气栓加气泡(堵& 泡沫), PF—气栓加泡沫(堵
& 泡), R—涟漪波(波纹), RW—翻卷波(滚动波), S—气弹(鼻涕虫),
ST—层状流(成层)
表2.3几种常见管道条件下的流型划分
从实际应用的简明性考虑，Oshinowo等，在综合发展了其他研究者结果的基础上，提出的几种常见流动条件下的流型划分，成为目前比较经常采用的流型划分，如表2.3所示(目前常用的几种主要流型的名称和简要描述见附录)。
尽管如此，由于流动条件变化的多样性以及研究角度的多样性，基于流动结构形态学上的流型划分方法有以下几个问题。
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