大输量多相混输管路气液两相流实验研究

为了研究大输量条件下多相混输管路的流动特性,以水和空气为实验介质,在长江大学多相流实验平台上进行了水平状态的高气液量两相流模拟实验研究。实验采用内径为60 mm、长9.4 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。通过对实验流型进行整理,将水平管内的气液两相流流型划分为分层流、泡状流、段塞流和环状流,并与典型的Mandhane流型图进行对比分析。另外,对实验范围内的几种典型流型下的压降梯度变化规律进行了研究,泡状流区域压降梯度随气流速的增大而减小,段塞流区域压降梯度随气流速的增大而缓慢增大,环状流区域压降梯度随气流速的增加而继续增大。     

U形弯头单元内气液两相流型及压降波动特性

对空气-水两相流在内径16 mm、弯曲半径100 mm的横向U形弯头单元内向上流动时的流型进行了实验研究。利用流动可视化技术及其相应压降波动规律实现了流型的客观识别。总结了不同流型的压降波动特性并据此提出了定量识别流型的新方法。实验范围内发现了分层-搅拌流、塞状-泡状流、段塞-波形流、环状-波形流和环状弥散流等5种与水平直管和垂直直管不同的流型。相比标准偏差,压降波动的功率谱（PSD）分布能更好地反映U形弯头单元内不同流型的流态演变特征与动力学特性。PSD分布的偏度或峰度与气液表观流速比的结合可以定量客观地识别U形弯头单元内的流型,流型转变时的气液表观流速比为1和13。     

U形弯头单元内气液两相流型及压降波动特性

对空气-水两相流在内径16 mm、弯曲半径100 mm的横向U形弯头单元内向上流动时的流型进行了实验研究。利用流动可视化技术及其相应压降波动规律实现了流型的客观识别。总结了不同流型的压降波动特性并据此提出了定量识别流型的新方法。实验范围内发现了分层-搅拌流、塞状-泡状流、段塞-波形流、环状-波形流和环状弥散流等5种与水平直管和垂直直管不同的流型。相比标准偏差,压降波动的功率谱(PSD)分布能更好地反映U形弯头单元内不同流型的流态演变特征与动力学特性。PSD分布的偏度或峰度与气液表观流速比的结合可以定量客观地识别U形弯头单元内的流型,流型转变时的气液表观流速比为1和13。     

微通道气液两相流型及界面面积测定

以氢氧化钠水溶液及纯二氧化碳气体为工质,研究了石英玻璃微通道中的气液两相流流型及两相界面面积.实验中可清晰分辨的流型为弹状流(Slug),弹状-环状流(Slug-annular)及搅拌流(Churn),由实验观测的结果建立了相应的流型图并与Triplett实验结果进行了比较,结果表明高液相表观流速对流型转换影响较大.在微通道中可以实现比较高的气液两相界面面积,实验范围内气液两相界面面积高达5 070 m2/m3.两相界面面积随气相表观流速的增加而增加,而液相表观流速对两相界面面积的影响则不显著.相对于弹状流区域,在弹状-环状流及搅拌流区域可以实现比较高的传质界面面积.搅拌流区域气液两相界面面积可以采用气液表观雷诺数进行很好关联,其绝对平均偏差仅为3.76%.     

气液两相流水平绕流柱体的动态压降特性

压降是气液两相流绕流柱体时包含丰富流动信息的重要参数,对于压降的研究密切关系到两相流动系统的设计和运行.以空气和水为实验介质在泡状流、塞状流、弹状流和环状流四种流型下,研究了气液两相流水平绕流梯形柱体的动态压降特性.结果表明:泡状流和塞状流的动态压降有较稳定的波动,其时均值主要取决于液相流量;弹状流的动态压降变化剧烈,其时均值随两相雷诺数的分布比较均匀;环状流的动态压降变化比较平缓,其时均值随两相雷诺数的增加呈近似线性递增;在四种不同流型下,时均动态压降系数随两相雷诺数的增加都呈线性递减.这一结果为分析气液两相流绕流柱体的流动特性提供了有益的借鉴.     

内壁填充环状金属泡沫的管内流动凝结换热

通过采用在圆管内壁填充环状金属泡沫的方法强化管内对流凝结换热,实验研究了制冷剂R134a在内壁填充环状金属泡沫管内的流动凝结的压降和换热,克服了完全填充金属泡沫管流动阻力大的缺点。用于计算传热系数的管壁温度通过热电偶测量得到。综合分析了质量流速和两相流体干度对流动凝结压降及传热系数的影响。研究结果表明内壁填充环状金属泡沫管压降远大于光管,压降随质量流速和干度的增加而迅速增大且呈非线性。通过壁面温度分布和温度波动对内壁填充环状金属泡沫管内的两相流型进行判别,发现影响该类强化管凝结换热的两种主要流型：分层流和环状流。内壁填充环状金属泡沫管的凝结传热系数大于光管,且随着质量流速和干度的增加传热系数增大,该类强化管流动凝结传热系数是光管的2倍左右。     

水平管环状流液膜厚度与波动参数分布

环状流是常见的一种气液两相流流型,基于双平行电导探针阵列传感器设计了环状流液膜动态测量系统,以水和空气为介质,进行了气相表观流速15~35 m/s、液相表观流速0.1~0.4 m/s范围内的水平管环状流周向液膜测量实验,分析了水平管环状流的液膜厚度、相界面波动参数的空间分布与发展变化规律。结果表明,水平管环状流底部液膜厚度随气相表观流速的增加而减小,随液相表观流速的增加而增大,但在高液相表观流速时有饱和趋势,对应条件下周向其他位置的液膜厚度持续增大,尤其在45°位置显著增大,下半周液膜分布趋于平缓;由底部到顶部,液膜波速和波频在周向上均呈逐渐减小趋势,与液膜厚度的分布规律一致,大幅度的扰动波主要分布在底部;底部液膜波速和波频随气相表观流速增加而增大,液相表观流速增加时,波速随之增大,但波频无明显变化,对应波长增大。     

水平管环状流液膜厚度与波动参数分布

环状流是常见的一种气液两相流流型,基于双平行电导探针阵列传感器设计了环状流液膜动态测量系统,以水和空气为介质,进行了气相表观流速15～35 m/s、液相表观流速0.1～0.4 m/s范围内的水平管环状流周向液膜测量实验,分析了水平管环状流的液膜厚度、相界面波动参数的空间分布与发展变化规律。结果表明,水平管环状流底部液膜厚度随气相表观流速的增加而减小,随液相表观流速的增加而增大,但在高液相表观流速时有饱和趋势,对应条件下周向其他位置的液膜厚度持续增大,尤其在45°位置显著增大,下半周液膜分布趋于平缓;由底部到顶部,液膜波速和波频在周向上均呈逐渐减小趋势,与液膜厚度的分布规律一致,大幅度的扰动波主要分布在底部;底部液膜波速和波频随气相表观流速增加而增大,液相表观流速增加时,波速随之增大,但波频无明显变化,对应波长增大。     

微通道内伴有化学吸收的气液二相流型

采用高速摄像仪对T型进口的矩形微通道内气液二相流型进行了实验研究,实验物系采用单乙醇胺(MEA)水溶液-N2和单乙醇胺水溶液-CO2。对于无相间传质的单乙醇胺水溶液-N2二相流动过程,观测到了泡状流、弹状流、弹状-环状流和液环流;对于伴有化学吸收的单乙醇胺水溶液-CO2二相流动过程,未观测到泡状流,而观测到弹状-泡状流。在实验范围内,随着深宽比减小,无论是否伴有化学吸收,弹状流区域均减小;对伴有化学吸收的气液二相流,随化学反应速率的增大,流型转换线向右移动。以化学反应速率为控制参数,分别给出流型转换判别式,预测结果与实验数据吻合良好。在弹状-泡状流型中,随着气相表观流速的下降和液相表观流速、深宽比以及化学反应速率的上升,微通道内临界泡状距离减小。     

竖直窄矩形通道内环状流的流动传热特性

为了研究竖直窄矩形通道内环状流的流动传热特性,建立了窄矩形通道内环状流的数学物理模型,并进行了实验验证。通过数值求解环状流的数学物理模型得到了环状流区域的压降梯度、沸腾传热系数和液膜内的速度分布。结果表明窄矩形通道内的环状流模型能够很好地预测环状流区域的压降梯度和沸腾传热系数,而且环状流液膜内速度在法向的分布是非线性的,在层流边界层区速度梯度较大。热通量和窄矩形通道的尺寸对液膜的流速有很大影响,随热通量的增加和窄矩形通道尺寸的减小液膜的流速逐渐增加,然而质量流速对液膜流速的影响较小,而且随质量流速的增加液膜的速度逐渐减小。     

水平管内油气水三相流动摩擦阻力压降特性研究

对水平管内油气水三相流动的摩擦压降特性进行系统的理论和实验研究 ,建立了泡状流和环状流摩擦压力降的理论模型 ,揭示了摩擦压力降随折算气速、折算液速、油水混合物含水率及管径的变化规律。实验结果与理论计算结果相吻合。     

上升管内环状流含液体积分数与压降预测模型

对垂直上升管中气液二相环状流的含液体积分数及压降预测进行了研究,在充分考虑了环状流的流型特征以及合理假设的前提下,以二相流动力学理论和Wallis有关经验式为基础,推导出了环状流的数学模型。通过求解力学方程,获得了含液体积分数及压降预测的新模型,将新模型及已有模型与实验数据进行对比,结果表明,新模型不仅与实验结果符合良好,还具有计算速度快的特点,从而为垂直上升管内气液二相环状流含液体积分数与压降的预测提供了一种新的有效方法。     

Modeling of low viscosity oil-water annular flow in horizontal and slightly inclined pipes: Experiments and CFD simulations

To characterize the effect of pipe inclination, low viscosity, flow rate and inlet water cut on annular flow pattern, a low viscosity oil-water two-phase annular flow in horizontal and slightly inclined (+1°, +3° and +5°) pipes with diameter of 20 mm has been experimentally investigated. A modified VOF model based on the CFD software package FLUENT was used to predict the in-situ oil fraction and pressure drop. The experimental data indicate that annular flow appears at a medium-high water cut. The slip ratio increases with flow rate increase but decreases with increasing water cut. The changes are more significant as the degree of inclination increases. Pressure drop is strongly dependent on flow rate, as it increases rapidly as inlet flow rate increase. Good agreement between the experimental data and calculated results of slip ratio and pressure drop was obtained.     

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     

水平微细管内CO2流动沸腾压降特性

对CO₂在内径1.5 mm水平微细管内流动沸腾换热摩擦压降特性进行了实验研究。实验工况：热通量（7.5～30 kW·m^-2）、质量流率（300～600 kg·m^-2·s^-1）、饱和温度（-40～0℃）。实验结果表明：热通量的增加对摩擦压降影响很小,几乎为零;质量流率是影响摩擦压降的最主要因素;随着饱和温度的升高摩擦压降减小;干度对摩擦压降影响主要由管内流型变化导致。将实测摩擦压降变化趋势绘制于CO₂流态图中,比较发现理论预测摩擦压降最大值落在环状流末端区域。实验过程中对各个工况管内流态进行可视化研究,理论分析所采用的流态形式与实际CO₂在微细通道内所具有的流态类型基本一致。     

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。     

环形狭缝通道内气液两相环状流流动特性

建立了环形狭缝通道内气液两相环状流的理论模型 ,该模型计及环状流气芯流动的可压缩性、气液两相间的相滑移、气相对液滴的夹带作用等因素 .考察了两相流质量流量和干度对压降、液滴速度相对变化和狭缝喉部气芯通流面积的影响 .用建立的理论模型对空气 -水两相环状流通过环形狭缝的两相压降进行预测 ,预测值和试验值吻合良好     

上升管中严重段塞流的流型和压力波动特性

During the exploitation of offshore oil and gas, it is easy to form severe slugging which can cause great harm in the riser connecting wellheads and offshore platform preprocessing system. The flow pattern and pressure fluctuation of severe slugging were studied in an experimental simulation system with inner diameter of 0.051 m. It is found that severe slugging can be divided into three severe slugging regimes: regime I at low gas and liquid flow rates with large pressure fluctuation, intermittent flow of liquid and gas in the riser, and apparent cutoff of liquid phase, regime II at high gas flow rate with non-periodic fluctuation and discontinuous liquid outflow and no gas cutoff, regime III at high liquid flow rate with degenerative pressure fluctuation in form of relatively stable bubbly or plug flow. The results indicate that severe slugging still occurs when the declination angle of pipeline is 0˚, and there are mainly two kinds of regimes: regime I and regime II. As the angle increases, the formation ranges of regime I and regime III increase slightly while that of regime II is not affected. With the increase of gas superficial velocity and liquid superficial velocity, the pressure fluctuation at the bottom of riser increases initially and then decreases. The maximum value of pressure fluctuation occurs at the transition boundary of regimes I and II.     

折流式旋转床气相流场数值模拟研究

采用CFD方法对折流式旋转床气液两相流动及压降进行数值模拟,建立了二维物理模型,研究了折流式旋转床转速、动静圈对数、进气量对气相压降和气相流场的影响,并用实验数据对模型进行验证. 结果表明,计算与实验相对误差在15%以内. 气相压降随进气量和动静圈对数增加而显著增大;转速增加,压降增大,但不明显,压降主要集中在转子内部,占总压降的88%~97%,其中转子压降的55%~73%由拐弯处的摩擦阻力引起;气体在静圈下隙存在回流,在动圈上隙气体流动缓慢,存在流动死区,气速主要以切向速度为主(占80%以上),峰值位于转子外缘,并与气体入口存在较大速度梯度,径向和轴向速度所占比例较小,且因位置不同而不同. 速度变化和压降的变化是转速、进气量和动静圈数等共同作用的结果.