倾斜下降管内油气水三相流流型转变的实验研究

对倾斜下降管倾角变化对油气水三相流流型转变的影响进行了研究 ,通过大量实验得到流型图 ,发现倾角对流型转变有重大影响 :倾角增大到 3 0°时 ,增大气流量 ,泡状流已不再转变为间歇流 ,而是分层流 ;倾角变化对环状流和间歇流之间的转变影响显著。得到的界限方程规律与实验现象及流型图符合良好     

基于Taitel-Dukler方法的气液两相流型边界计算软件开发

气液两相流动是多相流动最为常见的类型之一,其现象广泛存在于石油工业的生产之中。气液两相流的流型在很大程度上影响着气液两相流的传热特性和流动特性,同时还影响着两相流系统的运行以及流动特性参数的准确测量。采用Taitel-Dukler方法的流型判别准则应用Java语言开发出流型边界计算软件,并用该软件计算得出的结果绘制流型图。结果表明:管道向下倾斜将会增强流动型态的层状化;当管径变小时,发生流型转变的气液相折算速度也较小。     

新型外分液结构调控水平管间歇流流型

相变传热广泛存在于换热领域,而两相流中的厚液膜是恶化相变传热的根本原因。提出在换热管壁面设计新型网状外分液结构,利用金属网进行间歇流气液非能动相分离,从而调控流型、强化传热。通过搭建空气-水水平管冷态实验台,证实当间歇流经过外分液结构时,气体在表面张力作用下被金属网孔拦截,液桥和厚液膜则被分离出换热管,使管内液相减少,气相汇聚,有效增大气相与管壁的接触概率;多级分液后气液两相长度比呈振荡上升,甚至将间歇流调控为分层流。减小液速或增大气速,分液效果越好,间歇流最终转变为分层流所需经历的外分液级数越少,预期此结构可显著提高相变传热效果。     

台阶式并行微通道内液液两相流流型及其转变机理

利用高速摄像仪研究了台阶式并行微通道内液液两相流流型及其转变机理。以甘油水为分散相、含3% Span 85的环己烷为连续相,观测到了滴状-滴状流、过渡-滴状流、喷射-过渡流和喷射-喷射流4种流型;以两相流量为坐标轴绘制了流型图,并获得了流型转变线;分析了流型的转变机理。考察了分散相黏度对流型及其转变的影响机制。随着分散相黏度的增大,流型转变线整体向下移动,滴状-滴状流区域变小,喷射-喷射流区域变大。最后,运用介尺度概念分析了并行微通道内液液两相流非均匀结构的动态效应。     

垂直管内两相流流型的实验研究

为正确预测气井井筒气液两相流动规律,在多相流实验平台上开展了不同管径(28、60 mm)和不同压力(0.10、0.50 MPa)下空气/水两相流流型实验,利用高速摄像机再现了泡状流、段塞流、搅动流和环状流的流型结构和过渡现象,绘制了实验流型图,对比了管径、压力对流型过渡的影响以及分析了环状流形成与液滴夹带的关系,在气液两相流实验的基础上,以环状流形成过程为例,从流型的物理现象着手,对环状流形成的机理进行了定义和数学建模,从而建立了产液气井两相流流型转变组合机理模型。将该组合机理模型和不同管径、不同压力下的实验结果进行对比,发现新模型均能正确预测各流型间的转变条件,具有一定的通用性。     

水平管内多孔板后的气液两相流型可视化实验

多孔板后是否形成均匀分散的泡状流流型是影响多孔板废气吸收装置吸收效果的关键因素。以空气和水作为两相介质,对气液两相混合物在水平管内流经多孔板后形成的流型进行实验。通过孔径分别为2、3、4、5 mm的4只多孔板在内径98.5 mm水平有机玻璃管内的可视化流动及高速摄像,研究了孔径大小、气相流量变化及液相流量变化对多孔板后流型的影响规律。实验结果表明：水平管内插入多孔板后,分层/塞状流转变边界向液相流量增大方向推移,塞状/泡状流转变边界向液相流量减小方向推移;随气相流量减小或液相流量增大,多孔板后流型趋于形成泡状流;孔径大小对多孔板后流型具有重要影响,减小孔径使塞状/泡状流转变边界移向更大气相流量和更小液相流量,即形成泡状流的两相流量范围增大;随孔径减小,孔板后流型趋于由分层流直接过渡至泡状流,塞状流趋于消失。为保证多孔板吸收装置的良好流型和吸收效果,建议多孔板孔径不大于3 mm。     

冲击型T形管处气液两相流分流特性研究进展

气液两相流流经T形管时,两相流流量通常在支管中分布不均,严重影响下游设备的运行效率和运行安全。截至目前,国内外学者对分支型T形管进行了大量研究,但是很少有人关注冲击型T形管处的分流特性。本文从实验、模型和理论等角度进行分析,详细回顾了冲击型T形管处两相流分流存在的问题,并展望了未来的研究方向。本文描述了不同角度的冲击型T形管以及水平冲击型T形管后连接不同角度的分支管路等实验,概述了以流线划分方法为基础的现象学模型和以管路压降为基础的机理模型,总结了分支管路的方向、T形管入口处气液两相流型、T形管下游管路对称性、T形管下游立管中两相流的流动状态以及下游管路中压降等重要因素对气液两相流分流特性的影响,阐明了未来的研究方向。提出下一步的研究工作可以从改进气液两相流分流模型以提高预测精度、将下游分支管路中的流动状态与动量平衡理论相结合来研究T形管处两相流分流等方面开展。     

水平管内多孔板后的气液两相流型可视化实验

多孔板后是否形成均匀分散的泡状流流型是影响多孔板废气吸收装置吸收效果的关键因素。以空气和水作为两相介质,对气液两相混合物在水平管内流经多孔板后形成的流型进行实验。通过孔径分别为2、3、4、5 mm的4只多孔板在内径98.5 mm水平有机玻璃管内的可视化流动及高速摄像,研究了孔径大小、气相流量变化及液相流量变化对多孔板后流型的影响规律。实验结果表明:水平管内插入多孔板后,分层/塞状流转变边界向液相流量增大方向推移,塞状/泡状流转变边界向液相流量减小方向推移;随气相流量减小或液相流量增大,多孔板后流型趋于形成泡状流;孔径大小对多孔板后流型具有重要影响,减小孔径使塞状/泡状流转变边界移向更大气相流量和更小液相流量,即形成泡状流的两相流量范围增大;随孔径减小,孔板后流型趋于由分层流直接过渡至泡状流,塞状流趋于消失。为保证多孔板吸收装置的良好流型和吸收效果,建议多孔板孔径不大于3 mm。     

大流量下倾斜管气液两相流实验研究

在较高的气液范围内,以水和空气为实验介质,在多相流实验平台上进行了倾斜向上的高产量气液两相流模拟实验研究。实验采用内径为40 mm、长8 m的透明有机玻璃管,并利用高速摄像仪记录实验过程中的流型。对实验流型进行分析,发现了倾斜管中低气流速下的一种新的流型-振荡冲击流,并研究了表观气、液流速和倾斜角对气液两相流动中压降的影响,建立气/液膜流动模型来分析表观气、液流速对压降梯度的影响作用,实验研究结果表明:在高气液量范围内,倾斜管中观察到的气液两相流型主要为振荡冲击流、过渡流和环状流,并且倾角对流型转变边界的影响不显著;振荡冲击流压降随气流速的增加而降低,环状流压降随气流速的增加而增加,过渡流压降梯度最小;倾斜管压降梯度随着倾斜角度的增加而增大。     

T型微通道内两相流流型及相分离特性

以氮气和水为工作流体,在矩形截面为100 μm×800 μm的T型微通道内进行了气液两相流可视化实验,观测到弹状流、弹状-液环流、环状流、分层流和搅拌流,得到了流型图和流型转换界限.通过对比对弹状流、环状流和分层流相分离实验结果,证明在T型微通道内气液两相流相分离特性受上游流型影响.上游流型为弹状流时,气体优先从侧支管采出:上游流型为环状流时,液体优先从侧支管采出:上游流型为分层流时,气体只从其中一条支管中采出.当流型一定时,液相采出分率随着入口液体速率增加而减小,而气体速率变化对液相采出分率影响不大.     

Numerical modeling of three-phase stratified flow in pipes

The simultaneous flow of water, oil and gas is of practical importance for the oil and gas industry. These three phases are present in varying degrees of concentration in many oil and gas pipelines. In this work, a model has been developed to predict the values of the hold-up and pressure gradient for three-phase stratified flow prevailing in a horizontal pipeline. This information is usually the first step for analyzing the stability of stratified flow and developing transition criteria. The concept of extended velocity has been applied to compute the wall shear stresses in three-phase flow. The effect of process variables such as gas to liquid ratio, pipe diameter, oil viscosity and non-Newtonian character of oil on hold-up and pressure gradient has been studied to simulate the oil well conditions. Structural stability analysis was also carried out to check for the sensitivity of the model.     

水平管气液两相分层流界面剪切预测研究进展

水平管气液两相分层流虽流型简单,但由于界面存在复杂的动量和能量传递,分层流的界面剪切预测至今没有一致的结论。本文从理论模型、实验模型、数值计算3个角度出发,详细阐述水平管气液两相分层流界面剪切预测的研究现状,得出不同研究方法的优势和缺陷。针对3种研究方法,指出理论模型通过模型简化和经验关联式来建立封闭模型,实验模型则在封闭关系上修正经验关联式,但由于简化假设和实验条件的限制,使得这两种研究方法对界面剪切应力的预测具有一定的局限性;数值计算能够弥补机理模型在流场细节等方面的不足,但能够提供界面剪切预测或封闭关系的工作很少。此外,对比了5种不同形式的已有模型对气液两相分层流持液率和压降预测的结果。最后展望了水平管气液两相分层流界面剪切预测的研究趋势,提出理论和实验研究需要提出更详细的局部模型,并考虑工程实际工况进行研究,发展针对气液界面计算的新方法,并为分层流提供封闭关系则是数值计算研究面临的挑战。     

气液界面摩擦因子对分层流向段塞流过渡的影响

根据气液两相流段塞稳定性理论,结合分层流理想化模型,对直径2.54 cm水平管内空气-水两相流出现段塞流时的各相临界表观速度和临界液层高度进行了理论预测,并且分析了气液两相界面的摩擦因子对于预测流型转变的影响.由于在不同的气相流速范围内,段塞流由不同形式的界面波形成,当气相表观速度小于 4 m(s(1时,由大振幅波形成段塞流,而当气相表观速度大于 4 m(s(1,段塞流由小波长的滚动波合并而成,因而根据实测数据对界面摩擦因子的计算进行了补充修正,并且应用到对应的气相流速范围.基于所给出的计算方法解得发生分层流向段塞流转变的临界表观速度和临界液层高度,并和实验数据进行了比较. 结果表明所做的修正可以避免以往理论预测中出现的低估情况,求得的各临界特征参数值和实验结果吻合得较好.     

利用一维波和段塞稳定性模型预测分层流向段塞流的转变

利用气液二相流一维波模型和段塞稳定性模型,对直径2.54 cm水平管内空气-水二相流出现段塞流时的各相临界表观速度和临界液层高度进行了理论预测。计算中发现,2种模型分别适用于不同的流速区域,在较低的气相流速下,一维波模型的预测结果比较理想,但是在较高的气速条件下不太适合,而利用段塞稳定性模型可以较好地获得高流速下分层流向段塞流的流型转变条件。因此,结合这2种模型对发生流型转变时的临界参数作了分析,并且应用于40 mm和50 mm水平管道的油气二相流实验。将理论计算的结果和实验测得的流型数据进行了对比,并且对影响流型的管径、流速等因素作了分析,结果表明计算得到的特征参数和实验数据比较吻合。     

水平气液两相流流型空间图像信息复杂性测度分析

为了考察从图像灰度序列提取的复杂性测度与气液两相流流型变化之间的关系,本文首先从高速摄影系统拍摄的60种流动工况下水平管内气液两相流流型图像中提取了三种复杂性测度（Lempel-Ziv复杂度,分形盒维数,Shannon信息熵）,在此基础上研究了不同表观气速下三种复杂性测度的混沌动力学特性,以及对气液两相流流型的表征能力。实验结果表明：三种复杂性测度均能敏感地指示出流型的变化;通过对三种复杂度随两相流流动参数变化规律分析,可以得到气液两相流动力学结构反演特征, 为揭示气液两相流流型转化机理和定量识别流型提供了一种有效的辅助诊断工具。     

An analysis of horizontal stratified two phase flow in pipes

Using a mechanistic approach, equations are developed to describe the stratified cocurrent flow of gas-liquid mixtures in horizontal pipes. An iterative method is suggested for their solution. Experimental data were collected using air-oil mixtures in a one inch 1. D. by 101 ft. long acrylic pipe. Pressure drop and average in situ liquid volume fraction are presented as a function of the superficial gas velocity and are compared with predicted results from this study and other models reported in the literature. Visual observation of flow patterns and their transitions are indicated on the tentative flow pattern map of Govier and Aziz⁽¹⁾.     

油气水三相段塞流与滚动波流型的转变

Compared with gas-liquid two-phase flow,oil-gas-water three-phase flow is much more complex. There is immiscible oil-water,whose interaction and dispersion greatly affects the flow characteristics. The slug flow pattern of oil-gas-water three-phase and its flow pattern transition were studied in a 95 m long,51 mm i. d. horizontal pipe. The oil-gas-water three-phase slug flow pattern could be classified into five sub-flow patterns. The slug flow was W/O or O/W one during its transition to roll wave,which was three-layer flow pattern without mixed-phase on the interface. An even larger superficial gas velocity was needed for the transition boundary of slug flow and roll wave flow when the superficial liquid velocity is large. Besides,the region of roll wave flow pattern became smaller. The above-mentioned transition only happened when the water cut of liquid was between 30% and 70%. At the same superficial liquid velocity,there appeared a minimum superficial gas velocity corresponding to the transition of flow pattern when the water cut of liquid was between 40% and 50%.     

水平管道气液两相流动态特性模型的研究

研究了低频脉动情况下应用均相模型法和分相模型法对水平直管段气液两相流动进行集中参数分析的方法。理论分析表明：管段固有频率主要决定于管段长度及 液两相流的空隙率等参数,与管段截面积的关系不大。实验证实了在层状流情况下上述结论是正确的,因而通过对其固有频率的测试有可能实现空隙率的测量。