-
水平油气两相流流型转变及相界面不稳定性研究进展
1
，研究背景
气液两相流动是一种十分复杂的流动现象，
系统内最重要的特征是两相结构
及分布上的不均匀性与状态的不稳定性和多值性，且各相间存在可变形相界面。
相界面及其所引发的特征与各相的物性、
流量、
流动参数、
管道几何形状及几何
位置等诸多因素密切相关，
给系统的深入研究带来了很多困难。
早期的大多数研
究
者只关心能否得到计算压力降或推算热流密度的实用关联式，
而不考虑管内流
体的流动形态。
近二十年的研究工作表明，
考虑不
同的流型分布，
理论预测和计
算能更准确地反映两相流的流动本
质，从而获得更精确的结果。
相分布
(
即流型
)
是多相流流动特性以及传热
特性研究的基础，不同的流型具
有其独特的流动以及传热特性。
管道中流型的变化往往引发流阻的改变、
流动的
稳定性、传热以
及压降等特性的变化。工程上的油气混输系统，由于受流量、介
质物性、
管道形式以及倾斜角度等因素影响，
管道截面含气率发生变化，
导致管
内出现各种流型。
工程上对许多多相流系统事故
进行分析时，
常常发现是由于流
型的不明确造成误算或误操作。
因此，对流型特性，尤其是段塞流特性，进行准
确分析以及流型识别至关重要，
这对选用流阻计算公式、
稳定性判据、
传热以及
压降计算公式都具有极为重要的实用意义。
2
，油气两相流流型及流型图研究
<
/p>
气液两相流在各种流量组合下表现出不同的流型。
每一种流型有其
特定的两
相分布和界面形状。
当一种流型向另一种流型转化时，
气液界面形状发生了变化。
由于两相流动的复杂性，
两相流动的机理至今没有为人们所完全认识，
因此流型
的区分，
流动状态的描述以及流型的识别一直是两相流研究的主题。
上个世纪末，
Levy(1999)
的著作对各种管
道倾角下的流型进行了总结，并且对现今两相流研
究的复杂性、
其中存在的问题和各种研究学派的异同作了总结。
对于水平气液两
相
流
，
根
据
Mandhane
etal.
(19
74)
；
Taitel
和
Dukler(1976)
；
Barnea1987
)
；
Petalas&Aziz(1998))
的实验观察，典型的流型包括
(
图
1)
：
(1)
分散泡状流
(Dispersed-
Bubble flow)
当液相流量较高，
在一个很宽的流
量范围内，
细小的气泡分布于连续的液相
中。由于浮力作用这些
气泡基本上集中在管道的上半部分。
(2)
延长泡状流
(Elongated Bubble Flow)
在分散泡状流的基础上，
随着气相表观速度的增大，
在气液界面会掀起扰动
1
的波浪，
管道上部的小气泡在界面波的作用下合并，
并逐渐
增大延长，
发展成更
大的气泡，且在大气泡尾部仍有许多小气泡
跟随，这种流型为延长泡状流。
(3)
分层流
(Stratified
flow)
当气液两相流量都较低时，
重力作用引起气液两相
分隔流动，
即液相位于管
道的下半部分，
而气相沿管道上半部分流动。
气液两相界面是光滑的。
如果气
速
上升，
界面剪切应力增加，
气液界面
变得如鹅卵石路面般的凹凸不平，
进而出现
波状界面。
(4)
段塞流
(Slug flow)
当气相和液相的流量进一步增加，液
层进一步升高。气液界面波逐渐密集，
直至最终管道被液相堵塞。
堵塞管道的液相部分称为液塞，
液塞被流速较快的气
流加速，
冲击管壁并且沿着流动方向从流速较慢的液层铲起一部分液体。
段塞体
单元包括液塞体和其末端的延长气泡和气泡下部的液层。
这样延长气泡和液塞交
替出现沿着管线向下游游动。
(5)
环状流
(Annular flow)
液相呈环膜状沿管壁向前流动
，
高速气流中心夹带细小液滴。
由于重力作用，
液膜沿管壁周向分布不均匀，
管道的下半部分的液膜要厚于上半部分。
文献中还
报道了其他不同的流型。
增加新的流型
定义是对流型的进一步细化并且能更加深
入地反映流型的特征。例如，图
1
所示的波状分层流
(stratified-
wavy flow)
和波形
环状流
(
annular-wavy flow)
体现了两种基本流型气液界面上存在的波动。类
似地，
塞状流
(plug
flow)
和半环状流
(semi-
annular
flow)
就是用于描述流型转换
(
泡状流
和段塞流的转换、塞状流和环状流的转换
)
时的中间流型。这些流型可以视为特
定流型的子流型。本文油气两相流实验观察到四种主要流型，即泡状流
(
分散、
延长
)
，段塞流，分层
流
(
光滑、波状
)
和环状流。
图
1
水平气液两相流流型
2
各国学者还致力于对两相流型分布和流型图的研究。
Kosterin(1949)
给出了
第一个流
型判别图。
Baker(1954)
给出了一幅用于各种介质的
水平管流型分布图
2
，
该图曾在一段时
间内获得广泛应用。
图
2
Baker
(1954)
的水平气液两相流流型图
其中，
气相质量通量
G
G
= m
G
/ A kg/(m
2
·
s)
，
液相质量通量
G
L
=
m
L
/ A
kg/(m2·
s)
。
?
?
?
G
< br>?
L
（
1
）
?
air
?
wat
er
?
?
?
L
?
?
?
wat
er
?
?
water
< br>?
?
?
?
?
（
2
）
?
?
L
?
?
?
水和空气的物性
常数为：
σ
water
=
0.072
N/m
，
2
1
3
?
?
?
water
?
u
G
?
0.487
?
?
L
?
?
G
?
gh
L<
/p>
/
?
G
μ
water
= 0.001 Pa·
s
，
ρ
water
=1
000 kg/m3
，
ρ
air
= 1.23
kg/m
3
。
Mandhane(1974)
总结了管径范围为
12.7~
165.1
mm
、实验介质为油或水和空
气的水平管内两相流流动实验结果，
对管道内流型以及流型转换特征及其影响因
素进行了研究。他发现在水平管道中，尽管管径、介质物性存在较大差异，但仍
具有相似的流型分布。
Mandhane
的流型图得
到了广泛应用
(
图
3)
。
3
图
3
Mandhane
(1974)
的水平气液两相流流型图
Taitel
和
Dukler(1976)
< br>在
Mandhane
流型图的基础上，
< br>进行理论分析，
建立了
流型转换的关联式，
并用新的坐标系统描述了流型间的转换特征，
得到了水平管
< br>内两相流流型分布的
Taitel
和
Dukler
流型图
(
图
4)
。
图
4
Taitel
和
Dukler
(1976)
的水平气液两相流流型图
其中，
F
?
?
G
?
L
?
?
G
u
SG
（
3
）
Dg
cos
?
4
纵坐标为：
K
?
F
Du
SL
?
L
（
4
）
横坐标为
Martinelli
数
?
：
?
?
?
dP
/
dx
?
L
S
< br>?
dP
/
dx
< br>?
G
S
（
5
）
Weisman(1979)
利用实验研究了流体物性参数，液相粘
度、表面张力以及气
相密度对流型分布特征的影响，并对内径分别为
25mm
和
50mm
的流型分布特
性进行了研究，
指出由于管径不同，
使
得流型生成和发展所要求的气、
液两相表
观速度存在较大差别<
/p>
(
图
5)
。
图
5
Weisman
(1979)
的水平气液两相流流型图
Spedding
和
Nguyen1980)
对水平气液两相流型进行了更细致的划分，
并将各
种流
型的特征反映在流型图上，他们以气液两相体积流量比和
Froude
< br>数作为流
型图的坐标
(
图
6)
。
Mukhe
rjee
和
Brill(1985)
对
内径为
38.1mm
的水平、垂直以及倾斜管道内油
气两相流流型进行了分类，将流型划分成泡状流、弹状流、层状流以及环状流，
研究了流型和流型转换，
建立了流型转换的关联式，
得到了
各种工况下的流型图。
Stanislav
和
< br>Kokal
等人
(1986)
特
别对内径为
25.8mm
，倾角为
0°
(
水平
)
、<
/p>
1°
、
5°
和<
/p>
9°
的倾斜管道内油气两相流间歇流的流型特征进行了研究，
发现不同倾角的流型
图是相似的，
只是转换
的边界出现偏移。
Wood(1989)
对内径为
50mm
的倾斜管道
5
内气水两相流流型及其转换进行了研究，
发现倾角对管内流型转
变有着显著的影
响，
并主要表现在层状流向间歇流的转变上，<
/p>
而其它流型的转换边界则受倾角影
响较小。
Oddie
和
Shi
等人
(2003)
对内径为
150mm
的水平、倾斜以及垂直管道内
空气水两相流以及油气水三相流流型及流型转换进
行了观察，
发现水平管和倾斜
管内流动具有不同的流型分布。<
/p>
图
6
Spedding
和
Nguyen(1980)
的水平气液两相流流型图
国内学者在水平油气两相流型特征方面也做了有意义的工作。
胡
志华和周芳
德等
(2001)
对内径为
30mm
的水平管内空气
-
轻质油两相流的流型及其转换进行
了研究，绘制了流型转换的边界，采用量
纲分析的方法建立了流型转换关联式。
研究认为环状流可以分别从层状流和间歇流转变而
来，
但是转换机理不同。
王经
(199
4)
采用非线性理论和混沌分析方法研究了气液两相流流动动态特性。王经教
授
(1993)
采用空泡份额信号的时间序列
Marple
谱进行流型识别。贾志海
(2
004)
采
用动态聚类算法对流型进行了辨识。牛刚
(2004)
利用电容传感器对空泡份额检测
及其
两相流动特性进行了研究。
一些学者还对影响流型分布的因素
进行了分析。
Lin
和
Hanratt
y(1987)
比较研
究了内径为
25
.4mm
和
95.3mm
的水平管道内
空气
-
水两相流的流型分布特征。
指<
/p>
出在较低表观气速时管径的改变对管内段塞流的生成影响很大，
在
高表观气速时
段塞的形成则受管径变化影响很小。
此外，
研究还认为管径变化对层状流向环状
流转变以及段塞流向环状流转变也
有较大的影响。
Weisman(1979)
实验比较了管径为
25.4mm
和
50.8mm
的水平管道内流体介质
的物性参数，
液相粘度、
表面张力以及气相密度等对流型的影响，
认为液相粘度
和气相密度对管内流型分布都有着很大的影响，
而表面张力对流型特征的影响相
6
对较小，并给出了流型转变的关联式。
Andritsos
和
Williams
< br>等人
(1989)
针对内径为
2
5.2
mm
水平管道内甘油水溶
液和
空气两相流动，
研究了粘性对分层流向段塞流的转变特性的影响，
发现增加
粘性使流型的结构发生明显改变，
分层流向段塞流转
换需要的液相速度明显增大，
此外，
由层状流向环状流以及段塞
流向环状流转换的需要的气相表观速度也随之
增加。
Nadle
r
和
Mewes
等人
< br>(1995)
对内径为
59.0 mm
< br>的水平管道内，
液相粘度变
化对白油
-
空气两相流流型影响进行了研究，
并得到了和
Andritsos
和
Williams
等
人
[36]
实验相似
的结论。
Furukawa
和
Fuka
no(2001)
则对内径为
19.2 mm
< br>的垂直管
道内粘度对气液两相流的流型转变机理进行了研究，
认为液相粘度对弹状流气泡
周围的液膜以及环状流的液膜结构有明显的影响，
液相粘度强烈的影响着管内的
流型的分布结构，
随着液相粘度的增加，
由泡状流向弹状流转换需要的气相表观
速度减小。
Andritsos
和
Ha
nratty
利用甘油水溶液和空气作为介质，研究了粘性
对层
状流向段塞流转换的影响，
认为随着液相粘度的增大，
段塞流的
稳定性增强。
表
1
油气两相流研究概况一览表
研究者
内径
/mm
管道形式
实验介质
液相
气相
研究内容
分析了不同内径流道以及多
种液
Mandhane
（
1974
）
12.7~165
.1
水平管
油、水
空气
体对气液两相流流型及流型转变
实验结果，得到了应用范围广的
Mandhane
流型图。
Taitel
、
Dukler
（
1976
）
12.7~165
.1
在
Mandhane
流型图基础上，研
水平管
油、水
空气
究了气液两相流流型及流型转变
特征，得到了
< br> Taitel
流型图
对影
响管内油气两相流流型转变
胡志华、周芳
德（
< br>2001
）
30
水平管
轻油
空气
的各种因素进行了分析，利用量
纲分析法得到了流型转换的准则
关系式
水平、倾
38.1
斜、垂直
管
将流型划分为层状流、泡状流、
煤油、
润滑油
< br>
空气
弹状流及环状流，对流
型间的转
变进行了研究，给出了转换的关
联式
< br>
轻精炼
油
研究了倾斜管道内的间歇流流动
特性
研究了水平、倾斜、垂直上升管
油、水
空气
和下降管内流型以及流型转变的
特征
7
Mukherjee
、
Brill
（
1986
）
Stanislav
、
Kokal
等
（
1986
）
Oddie
、
Shi
、
（
2003
）
25.8
水平管、
倾斜管
水平、倾
空气
150
斜、垂直
管
Weisman
、
Duncan
（
1979
）
An
dristos
、
Wiliams
、<
/p>
Hanratty
（
1989
）
Nadler
、
Mewes
（
1995
）
Furukawa,Fuk
a
no
（
2001
）
空
25
，
50
水平管
油、水
气、
蒸汽
分
析了流体参数和内径对流型转
变的影响
25.2
水平管
甘油水
溶液
空气
研究了液相粘度对层状流到弹状
流的转变特性
透明矿
59
水平管
物、白
油
19.2
垂直管
甘油水
溶液
空气
空气
研究了水平管内液相粘度对气液
弹状流相分布特性
研究了液相粘性对油气两相流流
型转变的影响
由此可见，
受管径、
倾角以及流体物性参数等多种因素影响，
管道内流型及
其转
换特征是极其复杂的。表
1
给出了国内外油气两相流流型研究的
概况。
综上所述，目前对管内油气两相流流动特性的研究主要
有以下特点：
(1)
研究领域涉及
范围广，对油气两相流的研究范围涉及流型的形成机理、
流型分类、流型转变特性以及流
型分布影响因素等许多方面。
(2)
利用实验或理论方法对油气两相流流型进行了界定，得出一些不同条件
下的两相流油气
两相流流型图及流型转变的模型或关联式。
(3)
实验选用的流体介质各不相同，研究者所选用的实验介质及其物性参数
差
别很大，因此，实验得出的结果应用局限性较大。
3
，油气两相流流型的转换界限的理论研究
流型
研究的主要内容是流型的划分和预测流型的转换准则。
对流型的预测最
< br>初主要以实验为手段，
获取不同运行工况下的数据，
关联
得到流型转换的关系式
或流型图，以此作为流型判断的依据。
T
aitel
和
Dukler(1976)
第一次从流体力学
和两相流动机理出发，建立了判断流型转换的数学模型。后来，
Barnea
在
1982,1985
，
1987
年采用了该方法，并进行了修改和
扩展，形成了一个适用于任
何管道倾角的统一模型。
Xiao<
/p>
、
Shoham
和
Brill(1990)
对此进一步作了修改，使
其适用范围
更广。下面列出了几种主要流型判别法：
(1)
Taitel
和
Dukler
流型判别法
Taitel
和
Duk
ler
流型判别法将流型划分为分
散气泡流，分层流，间歇流<
/p>
(
段塞流
)
和环
状雾化流。该判别方法是基于流动形态
转变的物理机理而提出的，
较全面地考虑了影响流动形态转变的各种因素，
开创
了理论研
究多相流流型的先河，
对后来的研究工作具有重要的指导意义，
特别是
Taitel
和
Dukler
提出的分层流模型对后人
(Xiao
等人
(1990)
的综合机理模型，
T
aitel
、
Barnea
和
Brill(1995)
研究油气水三相分层流模型
)
研究分层流动的压降及
8