基于段塞流的通用气液两相流模型的建立与验证

气液两相混输流动中,由于段塞流与其他流型均有联系,从段塞流出发建立模型可以使不同流型下的计算模型得到统一。基于段塞流建立气液两相流动量方程和连续性方程,完善模型对气泡和液滴夹带的处理。建立模型的闭合关系式,对关键参数(壁面及气液相间水力摩阻系数、液塞平移速度、平均液塞长度)的计算闭合关系式进行优选,得到适用于模型的闭合关系式,同时,对液滴和气泡的夹带给出夹带条件及相关参数计算式,最终建立基于段塞流的通用气液两相流模型。使用3组不同来源的实验数据验证了模型计算压降和持液率的准确性,实验数据分别来自中国石油大学(华东)、大庆油田实验基地的气液两相流实验以及国外研究人员的实验研究,包含各个气液流型。模型具有较高的计算精度,优于未经关系式完善和优化的原始模型,大部分压降及持液率参数的计算误差在±15%以内。     

水平管道气液两相段塞流参数计算的精确模型

分析了水平管内气液两相段塞流的运动特性和形态特征以及段塞单元内部的速度分布规律,建立了水平管路气液两相段塞单元的物理模型。将一个完整的段塞流单元分为液相段塞区和液层/气泡区,建立了液相段塞区的质量和动量守恒方程,计算了其压降和持液率;对液层区,模型考虑液层厚度分布不均(坡状液层)对参数计算的影响,通过建立局部控制方程,推导了液层高度随流动方向坐标变化的表达式,并将持液率和湿周写成液层高度的函数。通过与实验和其他模型的计算结果对比,本文建立的模型可以对压降和持液率有更准确的预测结果。     

基于行波法的段塞流瞬态捕捉模型建立与验证

气液两相流中,准确预测段塞流的特征参数具有重要的现实意义。Renault模型是基于非黏性Kelvin-Helmholtz（IKH）稳定性准则与黏性Kelvin-Helmholtz（VKH）稳定性准则建立的能够捕捉段塞前后界面运动的双流体模型,但该模型在液相单元格之间采用Riemann精确解,求解速度较慢。为简化计算,本文将行波法引入到Renault模型的液相方程求解过程,并对可能出现的干区用薄液膜代替,使行波法适用于所有计算单元,在保证模型精度的条件下,极大地提高了计算速度,运算时间相比Renault模型平均减少28%。对比本模型计算结果与室内小型环道实验数据,持液率与实测结果相一致,压降、段塞长度计算相对误差分别在25%、30%以内,且主要分布在20%以内。说明本文改进的瞬态段塞流模型具备运算快速、计算精度较高的特点,具有一定的工程应用价值。     

水平管路油气混输模拟技术

以双流体模型为基础,建立了适用于水平油气混输管路的瞬态数学模型,并讨论了模型的求解以及分层流的结构方程对计算结果的影响。在大型多相流实验环道上进行了大量的混输瞬变流动过程实验,利用实验和现场数据对瞬态模型模拟得到的混输管道中的平均持液率、压降以及瞬变过程的入口压力、持液率等流动参数等进行了验证和计算,结果表明建立的模型可以比较准确地预测油气混输管路中的流动参数。     

地形起伏管路气液两相段塞流模型研究

段塞流是气液两相流动中的一种常见流型,由于地形原因,管路多处于起伏状态,而目前国内外对起伏诱发的气液两相管路段塞流研究尚不成熟。针对实际气液两相管路中频繁出现的地形起伏段塞流,首先利用历史数据对现有段塞流模型的适用性进行了比较,建立了地形起伏状态下段塞流的液塞追踪修正模型,最后利用FLUENT软件进行了模拟,研究了管路起伏诱发状况对段塞流段塞分布、拐角处持液率、液塞长度和压降的影响,并将模拟压降与计算压降进行对比,结果表明建立的模型具有一定的精度,对于实际的地形起伏诱发段塞流管道的安全高效运行有一定的指导意义。     

复杂地形条件下气液两相混输工艺水力模型建立

随着普光气田的开发,关于复杂地形条件下的气液混输工艺计算模型,特别是湿气集输工艺计算模型成为研究的关键问题。针对低含液复杂地形条件,建立了水力计算模型,提出了气液界面的凹面湿壁分数、剪切应力以及摩擦因子计算闭合关系式。开展了室内实验,验证了压力与持液率计算模型的准确性,收集了普光气田的现场生产压力和清管积液量数据,计算的压降结果与生产数据之间的误差在±5%以内,积液量的预测结果误差在±10%以内,吻合较好,建立的模型可以用于该条件的工艺计算。     

上倾管高黏油气两相流型及压降特性

利用室内实验装置,对上倾管内高黏油气两相流的流型和压降特性进行了实验研究。实验中观测到7种流型,得到了不同工况下的压力波动信号及压降值。实验结果表明,由于液相黏度的影响,上倾管内大部分流型的过渡边界向流型图的左侧偏移,且黏度越大偏移程度越大。将流型数据与Barnea流型判断模型进行对比,发现在高黏度时两者误差较大。根据压降数据得出,由于高黏度时液滴的附着作用增强,在气液表观速度均较小时,会出现黏度增加而压降却减小的现象。验证了OLGA模型和Zhang模型对于压降的计算精度,发现高黏度时模型的计算误差远大于低黏度情况。通过高黏度闭合关系式对Zhang模型进行修正,结果表明可以显著地提高其计算精度。     

自然循环窄矩形通道内过冷沸腾两相摩擦阻力特性

采用去离子水作为实验工质,在低压低流速自然循环工况下开展了单面加热可视化窄矩形通道内的过冷沸腾摩擦阻力特性实验研究。实验中测量了实验段内的压降数据,并通过高速摄影仪拍摄了窄矩形通道内的气液两相图像,提出了过冷沸腾条件下的两相摩擦压降的剥离计算方法。基于本实验中获得摩擦压降数据,对分别基于均相流模型和分液相模型的经典两相摩擦压降计算关系式进行了评估,实验结果表明:采用不同等效黏度计算方法的均相流模型计算结果比实验值明显偏小;而分相流模型中,Sun and Mishiba关系式和Tran关系式均能够较好地预测摩擦阻力,计算值与实验值的平均相对偏差在±15%以内。结合实验数据,以分相流模型方法为基础,考虑全液相Reynolds数、Martinelli参数和Laplace数的影响,获得了计算分液相折算系数的经验关系式,与实验数据符合较好,平均相对误差在10%范围内。     

油气混输管流中压降和持液率的影响因素分析

近几年内，管道输送技术中两相流工艺计算已是该项技术的基础，因此受到了生产管理人员以及工程设计人员的重视，并将其视为研究对象。在多相流动中，诸如气液相流量、气液相速度、温度、持液率、压降等工艺参数，都需要进行计算。而重要的工艺参数计算是持液率计算以及压降计算。持液率以及压降的计算结果因计算参数变化而区别较大。     

气塞破裂后油气混输管线压力变化规律

油气混输具有流型变化多、流动不稳定、流动规律复杂、易产生段塞的特点,造成管路运行不平稳、波动大、段塞冲击设备等问题,实际运行中工艺计算问题会变得十分复杂。通过建立段塞流气塞破裂力学模型,研究不同直径管线的气塞破裂可能引发的压力波动与冲击,对比分析气塞破裂后管线压力变化规律,研究结果表明:其他条件相同时,随着管径的减小,相同长度气塞破裂引发的气塞上游相同位置管线压力降低的幅度增大;随着气塞长度的增大和管道直径的减少,气塞破裂引发的压力波动向管道上游波及的距离不断增加。     

气液两相流段塞流持气率快关阀法优化设计

快关阀法(quick closing valve,QCV)是气液两相流流动实验中常用持气率标定手段。特别是由于段塞流中气塞与液塞表现为随机可变流动特性,不合理的快关阀间距及截取次数选择将会导致持气率测量误差增大。提出了一种持气率快关阀法优化设计方案。首先,采用环形电导传感器上下游阵列信号计算流体相关流速,根据相关测速结果提取上游传感器信号对应流动工况的气塞与液塞间隔长度序列,采用Maxwell方程提取液塞中含泡持气率;在此基础上,再依气塞在管道内占比模拟计算不同快关阀间距时捕获的持气率波动序列。通过分析持气率序列波动,从统计学角度指出了95%置信度及5%允许误差情况下所需最低截取次数。最后,在快关阀门间距为1.55 m的条件下对段塞流所需截取次数进行了实验验证。通过对快关阀法持气率测量误差进行统计分析,证明了设置两个快关阀门间距的充分条件。     

水平管气液两相段塞流的波动特性

气液两相段塞流是液塞和长气泡在空间和时间上的交替,在流动过程中表现出间歇性和不稳定性。系统地研究了水平管中段塞流持液率、压力和压差的波动特性。结果表明,段塞流持液率的概率密度分布为双峰分布,高持液率峰对应于液塞区,低持液率峰对应于液膜区;在压力的概率密度分布中,当压力测试点到管道出口之间的段塞单元数目少时,压力分布出现双峰分布;当压力测试点到管道出口之间的段塞单元数目多时,压力分布出现单峰分布;压差信号分布呈单峰分布。这些特征为流型识别提供了可靠的段塞流标识。     

Slug flow of air—water mixtures in a horizontal pipe: Determination of liquid holdup by γ-ray absorption

Two-phase pressure gradients and time-averaged values of liquid holdup have been measured for the co-current flow of air and water in a 42 mm bore horizontal pipeline. The majority of the data corresponded to the slug flow region, where rapid fluctuations in both wall pressure and holdup were observed. Instantaneous values of liquid holdup were also recorded by rapid scanning of a vertical cross-section of the pipe using the γ-ray absorption method, which enabled probability density functions (PDF) and power spectral densities (PSD) of holdup to be determined. From these functions, values of average film and slug holdups, average slug length and average slug frequency were estimated. These measurements facilitated the use of the Hubbard—Dukler slug flow model for two-phase pressure drop prediction which compared favourably with the Lockhart—Martinelli correlation over the X-parameter range 2–30.     

水平管段塞流持液率的波动特性

气液两相段塞流是液塞和长气泡在空间和时间上的交替,在流动过程中表现出间歇性和不稳定性.今对水平管中段塞流持液率的波动特性进行了分析.结果表明:在同一折算液速下,随着折算气速的增加,段塞单元的平均持液率和液膜持液率先快速下降再缓慢下降,而液塞持液率先缓慢下降再快速下降.段塞流持液率的概率密度分布为双峰分布,高持液率峰对应于液塞区,低持液率峰对应于液膜区;概率密度函数中较完好的峰所对应的持液率与光滑分层液膜区和液塞区的平均持液率相一致.     

水平管道油气二相段塞流稳态流动特性

使用通过自行设计并搭建的实验装置,对水平管道油气二相段塞流稳态流动特性进行了实验研究。采用压力信号互相关方法测量了段塞流平均液塞速度,通过分析得到了液塞速度、液塞长度和液塞频率随气、液相折算速度的变化规律。结果表明,当液相折算速度恒定时,随着气相折算速度的增大,液塞速度基本上呈线性增大,而液塞长度呈双曲线减小;当气相折算速度恒定时,随着液相折算速度的增大,液塞频率基本呈线性增大,而液塞长度呈双曲线减小。     

并行微通道内气液相分配规律

微反应器的集成放大对于微化工技术的工业应用具有重要意义。利用高速摄像仪对4个并行微通道内气液两相流动状况及相分配规律进行了研究,考察了气液两相流量及液相黏度对两相分布均匀性的影响。实验所用液相为含0.3%表面活性剂十二烷基硫酸钠（SDS）的蒸馏水-甘油溶液,气相为氮气（N₂）。实验观察到了6种典型的两相流型。对各支通道均为弹状流情况下气泡长度和气泡速度的分布规律进行了研究。在一定气相流率下,各支通道气泡长度的相对标准偏差随液相流率的增大而增大,气泡速度的相对标准偏差值随液相流率的增大先升高到一定值然后逐渐减小。气相分配不均匀性随液相流率和黏度的增大而增大,液相分配不均匀性随液相黏度的增大而减小,气相流率的变化对于两相分布影响不明显。研究结果有助于并行微通道的结构设计与优化,以实现更为均匀的气液两相流动分配。