水平氣液分層流流速剖面實驗測量研究 (1).docx

1、第34卷第6期2010年12月WELLLOGGINGTECHNOLOGYDec2010文章編號:1004-1338(2010)06-0532-05水平氣液分層流流速剖面實驗測量研究馬麗勤，王立恒2,王棟2（1.中國石油遼河油田公司鉆采丁.藝研究院.遼寧盤錦124010；2.西安交通大學動力工程多相流國家重點實驗室，陜西西安710049）摘要：根據(jù)工程實際.建立了水平注汽井內(nèi)氣液分層流動的1:】實驗模型。用皮托管測破r分層流中各相流速.得到了分層流速度分布規(guī)律。借助分層流計算模型完成了分層流中速度分布與典型的單相流體流動速度分布的對比,得到了分層流速度分布的數(shù)學描述方法。:相流場上部與下部其有不

2、同的速度分布特性，上部與下部速度分布可分別用單相流體流經(jīng)光滑管和單相流體流經(jīng)完全粗糙面時的無最綱速度分布表達式來描述.最大偏差都不超過10%;液相速度分布接近線性.只有在較接近下管壁面的區(qū)域液相速度分布才町用單相流體流經(jīng)光滑管的無魚綱速度分布表達式來描述。關(guān)鍵詞：水平注汽井；分層流；皮托管；速度分布；數(shù)學描述中圖分類號：0359文獻標識碼：AAnExperimentalStudyonVelocityDistributionofGas-liquidStratifiedFlowinHorizontalSteamInjectionWellMALiqin*.WAN(；Liheng2WANGDong2(

3、LCNPCLiaoheOilfieldDrilling&ProductionIechnologyResearchInstitute.Panjin.Liaoning124010.China30)常用速度分布關(guān)系式為無最綱關(guān)系式(3);研究單相流體流經(jīng)完全粗糙面時，常用速度分布關(guān)系式為無量綱關(guān)系式(4)。+=5.5+5.75也J(3)v=B4-5.75lgy/kx(4)式中，無軾綱速度=v/v.為測點流體流速V與摩擦速度。之比Ry-=*/為工質(zhì)運動黏度；奴為界面表觀粗糙度；系數(shù)B通常是界面粗糙度的函數(shù),在完全粗糙區(qū)可取為6.3。由圖3分析得知，管道水平中軸面以上區(qū)域3條測量線上氣相速度分布曲線能較

4、好重合，表明在該區(qū)域內(nèi)與管道軸心距離相等的點速度值很接近，因此在該區(qū)域內(nèi)只用任選1條測量線上的數(shù)據(jù)進行分析即可。圖5得到了管道水平中軸面以上區(qū)域氣相速度分布與單相流體光滑管內(nèi)流動速度分布對比圖（圖5中選取了該區(qū)域內(nèi)90測顯線上的測點數(shù)據(jù)），各測點數(shù)據(jù)利用式（1）計算，其中，y為測點到管壁的距離，計算摩擦速度時.氣相與壁面的剪切應力q用Taitel分層流計算模型求得，相應摩擦阻力系數(shù)。用Blassius方程計算。由圖5可知，在管道水平中軸面以上流通區(qū)域內(nèi)，所有工況的數(shù)據(jù)點都與單相流體光滑管內(nèi)流動速度分布規(guī)律線良好符合（最大偏差不超過10%）。3025-20：15：分析即可。圖5得到了管道水平中軸

5、面以上區(qū)域氣相速度分布與單相流體光滑管內(nèi)流動速度分布對比圖（圖5中選取了該區(qū)域內(nèi)90測顯線上的測點數(shù)據(jù)），各測點數(shù)據(jù)利用式（1）計算，其中，y為測點到管壁的距離，計算摩擦速度時.氣相與壁面的剪切應力q用Taitel分層流計算模型求得，相應摩擦阻力系數(shù)。用Blassius方程計算。由圖5可知，在管道水平中軸面以上流通區(qū)域內(nèi)，所有工況的數(shù)據(jù)點都與單相流體光滑管內(nèi)流動速度分布規(guī)律線良好符合（最大偏差不超過10%）。3025-20：15：15U.u.2.1m/s0.05cnv*sc2.4Ns0.024m*s33nVs0.011nvsp4.5m/s0.01msv5.00.01m/s46.0僦0.02Md

6、14.C7100.80.4WQ(a)45-測量線5.0.0U,板.2Jm0.05cmso2.4tn0.024nVsk33m/s0.0114.5tns0.01nV$-*IU.u5cmo2.4m/s0.024nVs33ns0.011nVsv4.5nVs0.01m/s5.0nVs0.01nVsa6.0nVsO.Q2m/sv-63*-5.75|g給y圖5管道水平中軸面以上區(qū)域氣相速度分布與單相流體光滑管流速度分布對比圖6為靠近氣液界面流通區(qū)域氣相速度分布與單相流體流經(jīng)完全粗糙面的速度分布對比圖。圖6中選取了該流通區(qū)域內(nèi)45和90這2條測最線上的測點數(shù)據(jù)，各測點數(shù)據(jù)利用式（2）計算。其中

7、，表觀粗糙度幻按照文獻5中的方法確定，計算摩擦速度時，氣液界面剪切應力r,用Taitel分層流計算模型求得，相應摩擦阻力系數(shù)采用文獻5中的計算方法。設(shè)測量截面內(nèi)由下管壁面燧直向上為坐標軸，用來確定該區(qū)域各測點的y坐標值。由圖6（a）和圖6（b）nf知,在靠近氣液界面的氣相流通區(qū)域內(nèi)，所有工況的數(shù)據(jù)點都與單相流體流經(jīng)完全粗糙面的速度分布規(guī)律線良好符合（最大偏差不超過10%）。由以上分析，根據(jù)研究可以得出，在管道水平中軸面以上的氣相流通區(qū)域.即圖7所示的區(qū)域I,速度分布可用單相流體光滑管內(nèi)流動的無量綱速度分布表達式（1）描述（最大偏差不超過10%）;在靠近氣液界面的氣相流通區(qū)域，即圖7所示的區(qū)域1

8、1,速度分布可用單相流體流經(jīng)完全粗糙面的無雖綱速度分布表達式（2）描述（最大偏差不超過10%）；對于2個角形區(qū)域，即圖7所示的區(qū)域II，文獻口研究提出2個角落是2個流場擾動源，使得該區(qū)域特別是5oo5oo(b)0.4te(A)90*測服線圖6靠近氣液界面流通區(qū)域氣相速度分布與單相流體流經(jīng)完全粗糙面速度分布對比圖7氣相流通區(qū)域劃分示意圖任接近2個角落的區(qū)域速度分布卜分復雜。因此,該區(qū)域氣相速度分布特性還需進-步專門研究。利用無量綱表達式（1），采用與氣相類似的計算方法，利用90測埴線上測點數(shù)據(jù)，得到了液相速度分布與單相流體光滑管內(nèi)流動速度分布對比圖（見圖8）。由圖8可知，各工況速度分布均位于單相

9、流體光滑管內(nèi)流動的速度分布規(guī)律線之上，而旦表現(xiàn)為逐漸偏離規(guī)律線，只有在下部一少部分數(shù)據(jù)點與規(guī)律線符合較好。這就表明，只有在比較靠近下管壁的流通區(qū)域內(nèi)液相速度分布才與單相流體管內(nèi)流動的速度分布類似。速度分布偏離到圖8中規(guī)律線的上方.是因為在氣液界面處液體受到了與其流動方向相同的界面切應力的作用。從圖8還口I以看出，測點到卜.管壁面的無最綱距離丁+約為125時各工況速度梯度突然增大，速度分布開始遠離圖8中的速度分布規(guī)律線。因此在90測量線及其臨近區(qū)域,可取/=125作為界限，在Z125的區(qū)域，各工況的速度分布與圖8中規(guī)律線的偏差均超過+10%,表明該區(qū)域速度分布受到氣液界面的影響已十分明顯。圖8分

10、層流液相速度分布與單相流體光滑管流速度分布對比3結(jié)論（1）本文將氣液分層流氣相流通區(qū)域劃分為管道水平軸面以上區(qū)域，靠近氣液界面區(qū)域和2個角形區(qū)域。在管道水平軸面以上區(qū)域受氣液界面影響較小，氣相速度分布具有單相流體管內(nèi)流動的速度分布特點，速度分布可用單相流體光滑管內(nèi)流動的無量綱速度分布表達式描述（最大偏差不超過10%);在靠近氣液界面區(qū)域受氣液界面影響較大,氣相速度分布可用單相流體流經(jīng)完全粗糙面時的無量綱速度分布表達式描述(最大偏差不超過10%);而2個角形區(qū)域內(nèi)的速度分布特性有待進一步研究。(2)分層流液相中，在90測量線及其臨近區(qū)域.從下管壁面附近的測點到氣液界面附近的測點，液休流速呈現(xiàn)出逐

11、漸增大的趨勢，速度分布接近線性。只有在較接近下管壁面的區(qū)域(無址綱距離丁+125的區(qū)域為速度分布受到氣液界面影響卜分明顯的區(qū)域。參考文獻：1 DykhnoLA.WilliamsLR.HanrattyTJ.MapsofMeanGasVelocityforStratifiedFlowswithandwithoutAtomizationJ.IntJMultiphaseFlow,1994,20(4)：691-702.2 ParasSV,VlachosNA.KarabelasAJ.LDAMeasurementsofIx)calVelocitiesInsidetheGasPhaseinHorizontalStratified/AtomizationTwo-phaseFlowJ.IntJMultiphaseFlow.1998,24(4)；651-661.3 TaitelY,DuikerAE.ATheoreticalApproachtotheIxrkhart-Martinclli(ZrrelationforStratifiedFlowJ.IntJMultiphaseFlow,1976,2：591-595.4 HuangSF,ZhangXG,WangD,elal.WaterHoldupMeasurementinKerosenewaterTwophaseFlowsJ.Mcasur.Scicn.Tc