水平油氣兩相流流型轉(zhuǎn)變及相界面不穩(wěn)定性研究進(jìn)展

1、水平油氣兩相流流型轉(zhuǎn)變及相界面不穩(wěn)定性研究進(jìn)展1，研究背景氣液兩相流動(dòng)是一種十分復(fù)雜的流動(dòng)現(xiàn)象，系統(tǒng)內(nèi)最重要的特征是兩相結(jié)構(gòu)及分布上的不均勻性與狀態(tài)的不穩(wěn)定性和多值性，且各相間存在可變形相界面。相界面及其所引發(fā)的特征與各相的物性、流量、流動(dòng)參數(shù)、管道幾何形狀及幾何位置等諸多因素密切相關(guān)，給系統(tǒng)的深入研究帶來(lái)了很多困難。早期的大多數(shù)研究者只關(guān)心能否得到計(jì)算壓力降或推算熱流密度的實(shí)用關(guān)聯(lián)式，而不考慮管內(nèi)流體的流動(dòng)形態(tài)。近二十年的研究工作表明，考慮不同的流型分布，理論預(yù)測(cè)和計(jì)算能更準(zhǔn)確地反映兩相流的流動(dòng)本質(zhì)，從而獲得更精確的結(jié)果。相分布(即流型)是多相流流動(dòng)特性以及傳熱特性研究的基礎(chǔ)，不同的流型具有

2、其獨(dú)特的流動(dòng)以及傳熱特性。管道中流型的變化往往引發(fā)流阻的改變、流動(dòng)的穩(wěn)定性、傳熱以及壓降等特性的變化。工程上的油氣混輸系統(tǒng)，由于受流量、介質(zhì)物性、管道形式以及傾斜角度等因素影響，管道截面含氣率發(fā)生變化，導(dǎo)致管內(nèi)出現(xiàn)各種流型。工程上對(duì)許多多相流系統(tǒng)事故進(jìn)行分析時(shí)，常常發(fā)現(xiàn)是由于流型的不明確造成誤算或誤操作。因此，對(duì)流型特性，尤其是段塞流特性，進(jìn)行準(zhǔn)確分析以及流型識(shí)別至關(guān)重要，這對(duì)選用流阻計(jì)算公式、穩(wěn)定性判據(jù)、傳熱以及壓降計(jì)算公式都具有極為重要的實(shí)用意義。2，油氣兩相流流型及流型圖研究氣液兩相流在各種流量組合下表現(xiàn)出不同的流型。每一種流型有其特定的兩相分布和界面形狀。當(dāng)一種流型向另一種流型轉(zhuǎn)化時(shí)，

3、氣液界面形狀發(fā)生了變化。由于兩相流動(dòng)的復(fù)雜性，兩相流動(dòng)的機(jī)理至今沒(méi)有為人們所完全認(rèn)識(shí)，因此流型的區(qū)分，流動(dòng)狀態(tài)的描述以及流型的識(shí)別一直是兩相流研究的主題。上個(gè)世紀(jì)末，Levy(1999) 的著作對(duì)各種管道傾角下的流型進(jìn)行了總結(jié)，并且對(duì)現(xiàn)今兩相流研究的復(fù)雜性、其中存在的問(wèn)題和各種研究學(xué)派的異同作了總結(jié)。對(duì)于水平氣液兩相流，根據(jù)Mandhane etal.(1974)；Taitel和Dukler(1976)；Barnea1987)；Petalas&Aziz(1998)的實(shí)驗(yàn)觀察，典型的流型包括(圖1)：(1) 分散泡狀流 (Dispersed-Bubble flow)當(dāng)液相流量較高，在一個(gè)

4、很寬的流量范圍內(nèi)，細(xì)小的氣泡分布于連續(xù)的液相中。由于浮力作用這些氣泡基本上集中在管道的上半部分。(2) 延長(zhǎng)泡狀流(Elongated Bubble Flow)在分散泡狀流的基礎(chǔ)上，隨著氣相表觀速度的增大，在氣液界面會(huì)掀起擾動(dòng)的波浪，管道上部的小氣泡在界面波的作用下合并，并逐漸增大延長(zhǎng)，發(fā)展成更大的氣泡，且在大氣泡尾部仍有許多小氣泡跟隨，這種流型為延長(zhǎng)泡狀流。(3) 分層流 (Stratified flow)當(dāng)氣液兩相流量都較低時(shí)，重力作用引起氣液兩相分隔流動(dòng)，即液相位于管道的下半部分，而氣相沿管道上半部分流動(dòng)。氣液兩相界面是光滑的。如果氣速上升，界面剪切應(yīng)力增加，氣液界面變得如鵝卵石路面般的

5、凹凸不平，進(jìn)而出現(xiàn)波狀界面。(4) 段塞流 (Slug flow)當(dāng)氣相和液相的流量進(jìn)一步增加，液層進(jìn)一步升高。氣液界面波逐漸密集，直至最終管道被液相堵塞。堵塞管道的液相部分稱為液塞，液塞被流速較快的氣流加速，沖擊管壁并且沿著流動(dòng)方向從流速較慢的液層鏟起一部分液體。段塞體單元包括液塞體和其末端的延長(zhǎng)氣泡和氣泡下部的液層。這樣延長(zhǎng)氣泡和液塞交替出現(xiàn)沿著管線向下游游動(dòng)。(5) 環(huán)狀流 (Annular flow)液相呈環(huán)膜狀沿管壁向前流動(dòng)，高速氣流中心夾帶細(xì)小液滴。由于重力作用，液膜沿管壁周向分布不均勻，管道的下半部分的液膜要厚于上半部分。文獻(xiàn)中還報(bào)道了其他不同的流型。增加新的流型定義是對(duì)流型的進(jìn)

6、一步細(xì)化并且能更加深入地反映流型的特征。例如，圖1所示的波狀分層流(stratified-wavy flow)和波形環(huán)狀流(annular-wavy flow)體現(xiàn)了兩種基本流型氣液界面上存在的波動(dòng)。類似地，塞狀流(plug flow)和半環(huán)狀流(semi-annular flow)就是用于描述流型轉(zhuǎn)換(泡狀流和段塞流的轉(zhuǎn)換、塞狀流和環(huán)狀流的轉(zhuǎn)換)時(shí)的中間流型。這些流型可以視為特定流型的子流型。本文油氣兩相流實(shí)驗(yàn)觀察到四種主要流型，即泡狀流(分散、延長(zhǎng))，段塞流，分層流(光滑、波狀)和環(huán)狀流。圖1 水平氣液兩相流流型各國(guó)學(xué)者還致力于對(duì)兩相流型分布和流型圖的研究。Kosterin(1949)給出

7、了第一個(gè)流型判別圖。Baker(1954)給出了一幅用于各種介質(zhì)的水平管流型分布圖2，該圖曾在一段時(shí)間內(nèi)獲得廣泛應(yīng)用。圖2 Baker (1954)的水平氣液兩相流流型圖其中，氣相質(zhì)量通量GG= mG/ A kg/(m2·s)，液相質(zhì)量通量GL= mL/ A kg/(m2·s)。 （1） （2）水和空氣的物性常數(shù)為：water= 0.072 N/m， water= 0.001 Pa·s，water=1000 kg/m3，air= 1.23 kg/m3。Mandhane(1974)總結(jié)了管徑范圍為12.7165.1 mm、實(shí)驗(yàn)介質(zhì)為油或水和空氣的水平管內(nèi)兩相流流動(dòng)實(shí)

8、驗(yàn)結(jié)果，對(duì)管道內(nèi)流型以及流型轉(zhuǎn)換特征及其影響因素進(jìn)行了研究。他發(fā)現(xiàn)在水平管道中，盡管管徑、介質(zhì)物性存在較大差異，但仍具有相似的流型分布。Mandhane的流型圖得到了廣泛應(yīng)用(圖3)。圖3 Mandhane (1974)的水平氣液兩相流流型圖Taitel和Dukler(1976)在Mandhane流型圖的基礎(chǔ)上，進(jìn)行理論分析，建立了流型轉(zhuǎn)換的關(guān)聯(lián)式，并用新的坐標(biāo)系統(tǒng)描述了流型間的轉(zhuǎn)換特征，得到了水平管內(nèi)兩相流流型分布的Taitel和Dukler流型圖(圖4)。圖4 Taitel和Dukler (1976)的水平氣液兩相流流型圖其中， （3）縱坐標(biāo)為： （4）橫坐標(biāo)為Martinelli數(shù)： （

9、5）Weisman(1979)利用實(shí)驗(yàn)研究了流體物性參數(shù)，液相粘度、表面張力以及氣相密度對(duì)流型分布特征的影響，并對(duì)內(nèi)徑分別為25mm和50mm的流型分布特性進(jìn)行了研究，指出由于管徑不同，使得流型生成和發(fā)展所要求的氣、液兩相表觀速度存在較大差別(圖5)。圖5 Weisman (1979)的水平氣液兩相流流型圖Spedding和Nguyen1980)對(duì)水平氣液兩相流型進(jìn)行了更細(xì)致的劃分，并將各種流型的特征反映在流型圖上，他們以氣液兩相體積流量比和Froude數(shù)作為流型圖的坐標(biāo)(圖6)。Mukherjee和Brill(1985)對(duì)內(nèi)徑為38.1mm的水平、垂直以及傾斜管道內(nèi)油氣兩相流流型進(jìn)行了分類，

10、將流型劃分成泡狀流、彈狀流、層狀流以及環(huán)狀流，研究了流型和流型轉(zhuǎn)換，建立了流型轉(zhuǎn)換的關(guān)聯(lián)式，得到了各種工況下的流型圖。Stanislav和Kokal等人(1986)特別對(duì)內(nèi)徑為25.8mm，傾角為0°(水平)、1°、5°和9°的傾斜管道內(nèi)油氣兩相流間歇流的流型特征進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)不同傾角的流型圖是相似的，只是轉(zhuǎn)換的邊界出現(xiàn)偏移。Wood(1989)對(duì)內(nèi)徑為50mm的傾斜管道內(nèi)氣水兩相流流型及其轉(zhuǎn)換進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)傾角對(duì)管內(nèi)流型轉(zhuǎn)變有著顯著的影響，并主要表現(xiàn)在層狀流向間歇流的轉(zhuǎn)變上，而其它流型的轉(zhuǎn)換邊界則受傾角影響較小。Oddie和Shi等人(2003)對(duì)

11、內(nèi)徑為150mm的水平、傾斜以及垂直管道內(nèi)空氣水兩相流以及油氣水三相流流型及流型轉(zhuǎn)換進(jìn)行了觀察，發(fā)現(xiàn)水平管和傾斜管內(nèi)流動(dòng)具有不同的流型分布。圖6 Spedding和Nguyen(1980)的水平氣液兩相流流型圖國(guó)內(nèi)學(xué)者在水平油氣兩相流型特征方面也做了有意義的工作。胡志華和周芳德等(2001)對(duì)內(nèi)徑為30mm的水平管內(nèi)空氣-輕質(zhì)油兩相流的流型及其轉(zhuǎn)換進(jìn)行了研究，繪制了流型轉(zhuǎn)換的邊界，采用量綱分析的方法建立了流型轉(zhuǎn)換關(guān)聯(lián)式。研究認(rèn)為環(huán)狀流可以分別從層狀流和間歇流轉(zhuǎn)變而來(lái)，但是轉(zhuǎn)換機(jī)理不同。王經(jīng)(1994)采用非線性理論和混沌分析方法研究了氣液兩相流流動(dòng)動(dòng)態(tài)特性。王經(jīng)教授(1993)采用空泡份額信號(hào)

12、的時(shí)間序列Marple譜進(jìn)行流型識(shí)別。賈志海(2004)采用動(dòng)態(tài)聚類算法對(duì)流型進(jìn)行了辨識(shí)。牛剛(2004)利用電容傳感器對(duì)空泡份額檢測(cè)及其兩相流動(dòng)特性進(jìn)行了研究。一些學(xué)者還對(duì)影響流型分布的因素進(jìn)行了分析。Lin和Hanratty(1987)比較研究了內(nèi)徑為25.4mm和95.3mm的水平管道內(nèi)空氣-水兩相流的流型分布特征。指出在較低表觀氣速時(shí)管徑的改變對(duì)管內(nèi)段塞流的生成影響很大，在高表觀氣速時(shí)段塞的形成則受管徑變化影響很小。此外，研究還認(rèn)為管徑變化對(duì)層狀流向環(huán)狀流轉(zhuǎn)變以及段塞流向環(huán)狀流轉(zhuǎn)變也有較大的影響。Weisman(1979)實(shí)驗(yàn)比較了管徑為25.4mm和50.8mm的水平管道內(nèi)流體介質(zhì)的

13、物性參數(shù)，液相粘度、表面張力以及氣相密度等對(duì)流型的影響，認(rèn)為液相粘度和氣相密度對(duì)管內(nèi)流型分布都有著很大的影響，而表面張力對(duì)流型特征的影響相對(duì)較小，并給出了流型轉(zhuǎn)變的關(guān)聯(lián)式。Andritsos和Williams 等人(1989)針對(duì)內(nèi)徑為25.2 mm水平管道內(nèi)甘油水溶液和空氣兩相流動(dòng)，研究了粘性對(duì)分層流向段塞流的轉(zhuǎn)變特性的影響，發(fā)現(xiàn)增加粘性使流型的結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯改變，分層流向段塞流轉(zhuǎn)換需要的液相速度明顯增大，此外，由層狀流向環(huán)狀流以及段塞流向環(huán)狀流轉(zhuǎn)換的需要的氣相表觀速度也隨之增加。Nadler和Mewes等人(1995)對(duì)內(nèi)徑為59.0 mm的水平管道內(nèi)，液相粘度變化對(duì)白油-空氣兩相流流型影響

14、進(jìn)行了研究，并得到了和Andritsos和Williams等人36實(shí)驗(yàn)相似的結(jié)論。Furukawa和Fukano(2001)則對(duì)內(nèi)徑為19.2 mm的垂直管道內(nèi)粘度對(duì)氣液兩相流的流型轉(zhuǎn)變機(jī)理進(jìn)行了研究，認(rèn)為液相粘度對(duì)彈狀流氣泡周圍的液膜以及環(huán)狀流的液膜結(jié)構(gòu)有明顯的影響，液相粘度強(qiáng)烈的影響著管內(nèi)的流型的分布結(jié)構(gòu)，隨著液相粘度的增加，由泡狀流向彈狀流轉(zhuǎn)換需要的氣相表觀速度減小。Andritsos和Hanratty利用甘油水溶液和空氣作為介質(zhì)，研究了粘性對(duì)層狀流向段塞流轉(zhuǎn)換的影響，認(rèn)為隨著液相粘度的增大，段塞流的穩(wěn)定性增強(qiáng)。表1 油氣兩相流研究概況一覽表研究者內(nèi)徑/mm管道形式實(shí)驗(yàn)介質(zhì)研究?jī)?nèi)容液相氣

15、相Mandhane（1974）12.7165.1水平管油、水空氣分析了不同內(nèi)徑流道以及多種液體對(duì)氣液兩相流流型及流型轉(zhuǎn)變實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得到了應(yīng)用范圍廣的Mandhane流型圖。Taitel、 Dukler（1976）12.7165.1水平管油、水空氣在 Mandhane 流型圖基礎(chǔ)上，研究了氣液兩相流流型及流型轉(zhuǎn)變特征，得到了 Taitel 流型圖胡志華、周芳德（2001）30水平管輕油空氣對(duì)影響管內(nèi)油氣兩相流流型轉(zhuǎn)變的各種因素進(jìn)行了分析，利用量綱分析法得到了流型轉(zhuǎn)換的準(zhǔn)則關(guān)系式Mukherjee 、 Brill（1986）38.1水平、傾斜、垂直管煤油、潤(rùn)滑油空氣將流型劃分為層狀流、泡狀流、彈狀

16、流及環(huán)狀流，對(duì)流型間的轉(zhuǎn)變進(jìn)行了研究，給出了轉(zhuǎn)換的關(guān)聯(lián)式Stanislav 、 Kokal 等（1986）25.8水平管、傾斜管輕精煉油空氣研究了傾斜管道內(nèi)的間歇流流動(dòng)特性O(shè)ddie、Shi、（2003）150水平、傾斜、垂直管油、水空氣研究了水平、傾斜、垂直上升管和下降管內(nèi)流型以及流型轉(zhuǎn)變的特征Weisman、Duncan（1979）25，50水平管油、水空氣、蒸汽分析了流體參數(shù)和內(nèi)徑對(duì)流型轉(zhuǎn)變的影響Andristos、Wiliams、Hanratty（1989）25.2水平管甘油水溶液空氣研究了液相粘度對(duì)層狀流到彈狀流的轉(zhuǎn)變特性Nadler、Mewes（1995）59水平管透明礦物、白油空

17、氣研究了水平管內(nèi)液相粘度對(duì)氣液彈狀流相分布特性Furukawa,Fukano（2001）19.2垂直管甘油水溶液空氣研究了液相粘性對(duì)油氣兩相流流型轉(zhuǎn)變的影響由此可見(jiàn)，受管徑、傾角以及流體物性參數(shù)等多種因素影響，管道內(nèi)流型及其轉(zhuǎn)換特征是極其復(fù)雜的。表1給出了國(guó)內(nèi)外油氣兩相流流型研究的概況。綜上所述，目前對(duì)管內(nèi)油氣兩相流流動(dòng)特性的研究主要有以下特點(diǎn)：(1) 研究領(lǐng)域涉及范圍廣，對(duì)油氣兩相流的研究范圍涉及流型的形成機(jī)理、流型分類、流型轉(zhuǎn)變特性以及流型分布影響因素等許多方面。(2) 利用實(shí)驗(yàn)或理論方法對(duì)油氣兩相流流型進(jìn)行了界定，得出一些不同條件下的兩相流油氣兩相流流型圖及流型轉(zhuǎn)變的模型或關(guān)聯(lián)式。(3)

18、 實(shí)驗(yàn)選用的流體介質(zhì)各不相同，研究者所選用的實(shí)驗(yàn)介質(zhì)及其物性參數(shù)差別很大，因此，實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)果應(yīng)用局限性較大。3，油氣兩相流流型的轉(zhuǎn)換界限的理論研究流型研究的主要內(nèi)容是流型的劃分和預(yù)測(cè)流型的轉(zhuǎn)換準(zhǔn)則。對(duì)流型的預(yù)測(cè)最初主要以實(shí)驗(yàn)為手段，獲取不同運(yùn)行工況下的數(shù)據(jù)，關(guān)聯(lián)得到流型轉(zhuǎn)換的關(guān)系式或流型圖，以此作為流型判斷的依據(jù)。Taitel和Dukler(1976)第一次從流體力學(xué)和兩相流動(dòng)機(jī)理出發(fā)，建立了判斷流型轉(zhuǎn)換的數(shù)學(xué)模型。后來(lái)，Barnea在1982,1985，1987年采用了該方法，并進(jìn)行了修改和擴(kuò)展，形成了一個(gè)適用于任何管道傾角的統(tǒng)一模型。Xiao、Shoham和Brill(1990)對(duì)此進(jìn)一

19、步作了修改，使其適用范圍更廣。下面列出了幾種主要流型判別法：(1) Taitel和Dukler流型判別法Taitel和Dukler流型判別法將流型劃分為分散氣泡流，分層流，間歇流(段塞流)和環(huán)狀霧化流。該判別方法是基于流動(dòng)形態(tài)轉(zhuǎn)變的物理機(jī)理而提出的，較全面地考慮了影響流動(dòng)形態(tài)轉(zhuǎn)變的各種因素，開(kāi)創(chuàng)了理論研究多相流流型的先河，對(duì)后來(lái)的研究工作具有重要的指導(dǎo)意義，特別是 Taitel和Dukler 提出的分層流模型對(duì)后人(Xiao 等人(1990)的綜合機(jī)理模型，Taitel、Barnea和Brill(1995)研究油氣水三相分層流模型)研究分層流動(dòng)的壓降及持液率起到了指導(dǎo)作用。(2) Xiao、S

20、hoham 和 Brill流型判別法該判別法是在Taitel和Dukler流型判別法的基礎(chǔ)上，借鑒了 Barnea的流型判別法而提出的綜合分析模型，對(duì)Taitel和Dukler流型判別法做了如下的修改：將間歇流(段塞流)向環(huán)狀流轉(zhuǎn)變的判別準(zhǔn)則hL/D<0.5(液位高度/管徑)修改為hL/D<0.4；對(duì)于下傾管道中的分層流，將分層光滑流向分層波狀流轉(zhuǎn)變的流型判別準(zhǔn)則修改為： （6）式中：hL為液位高度，uL為液流速度。(3) Taitel、Barnea和Brill(1995)判斷分層流向其它流型轉(zhuǎn)換的方法文中指出，當(dāng)下式滿足時(shí)，分層流不再穩(wěn)定，將會(huì)向段塞流和環(huán)狀流轉(zhuǎn)變。 （7）式中，

21、uG、uO氣、油相速度；G、O氣、油相密度；hL管內(nèi)液面高度；AG氣相所占管道截面面積；D管徑；管道傾角；Si氣、油相界面長(zhǎng)度。該判別法在較低的氣體流速下與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好。當(dāng)持液率較高時(shí)，分層流將轉(zhuǎn)變?yōu)槎稳?，持液率較低時(shí)將出現(xiàn)環(huán)狀流。他們還指出，在給定的氣體流量下，分層流向其它流型的轉(zhuǎn)換與液面高度hL有直接的關(guān)系，由于油的粘度較大，所以當(dāng)油氣流量比增加時(shí)，液面hL會(huì)上升，分層流將在較低的氣體和液體流量下發(fā)生變化。因此，油氣的流量比對(duì)流型的轉(zhuǎn)換有重要的影響。(4) Barnea統(tǒng)一流動(dòng)模型流型判別法Barnea在總結(jié)Taitel和Dukler 流型判別法和McQuillan和Whalley流

22、型判別法的基礎(chǔ)上，全面考慮了液體粘性、管道尺寸、傾角等因素對(duì)流型的影響，提出了適用于任意傾角的統(tǒng)一流動(dòng)模型。對(duì)于間隙流與環(huán)狀流的轉(zhuǎn)換，Taitel和Dukler(1976)曾指出，當(dāng)分層流氣液界面不穩(wěn)定時(shí)，如果液面很低(hL/D<0.5)，就轉(zhuǎn)化為環(huán)狀流；如果液面高于管道半徑，不穩(wěn)定波會(huì)阻塞管道，導(dǎo)致間歇流。Barnea認(rèn)為，hL/D<0.5估計(jì)偏高，應(yīng)改為hL/D<0.35。她還指出，環(huán)狀流的液體界面是不穩(wěn)定的，總是存在波動(dòng)，當(dāng)波峰積聚的液體量足夠多時(shí)，管道就會(huì)阻塞，形成間歇流。當(dāng)環(huán)狀流中的氣相部分在任何位置處被液體所阻塞，就會(huì)發(fā)生從環(huán)狀流到間歇流的轉(zhuǎn)化。她給出具體的轉(zhuǎn)化準(zhǔn)

23、則式： （8）其中， 一般來(lái)說(shuō)，該判別式往往需要結(jié)合如下的關(guān)系式使用： （9）其中：s_min為阻塞氣相所需液塞的最低截面含液率，其與液塞的最大含氣率有關(guān)，Barnea取s_min=0.48。4，相界面不穩(wěn)定性導(dǎo)致油水兩相段塞流的研究在氣液兩相流型轉(zhuǎn)換的眾多準(zhǔn)則中，預(yù)測(cè)其他流型向段塞流的轉(zhuǎn)換是研究的重點(diǎn)，特別在油氣混輸管線中，預(yù)測(cè)段塞流出現(xiàn)的臨界條件尤為重要。例如，鉆井平臺(tái)深入海床到達(dá)儲(chǔ)油域(圖7)，導(dǎo)管由海底油井中產(chǎn)出石油和天然氣，兩相在位于海床的水平管線中輸送時(shí)，會(huì)形成段塞流。段塞流的發(fā)生將會(huì)給混輸系統(tǒng)造成嚴(yán)重危害，主要表現(xiàn)在：(1) 對(duì)混輸泵性能的影響。混輸泵是混輸過(guò)程中最重要的設(shè)備之一

24、，頻繁的段塞流使混輸泵長(zhǎng)期工作在交變荷載狀態(tài)下，干轉(zhuǎn)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)將導(dǎo)致嚙合螺桿過(guò)熱，降低混輸泵的使用壽命和工作效率。(2) 對(duì)軸承、密封部件的影響。氣液兩相混輸和流動(dòng)本身對(duì)軸承和密封件提出一些特殊的要求，而段塞流工況所造成的沖擊載荷進(jìn)一步惡化了它們的工作條件，不僅影響了軸承和密封件的壽命，而且會(huì)導(dǎo)致密封失效，密封液泄漏量增大。(3) 對(duì)工藝流程影響。段塞流的出現(xiàn)造成生產(chǎn)中的分離器高壓或者高液位報(bào)警，使混輸效率降低；嚴(yán)重的段塞流使得分離器溢流造成氣路污染。(4) 段塞流的發(fā)生還將引起混輸泵及附屬管線、儀器儀表無(wú)規(guī)律振動(dòng)，影響設(shè)備的正常運(yùn)行。圖7 海洋石油平臺(tái)產(chǎn)生段塞流段塞流的預(yù)測(cè)及其控制對(duì)管道設(shè)計(jì)及

25、管道相關(guān)設(shè)備設(shè)計(jì)具有極其重要的意義，因而受到廣泛重視。對(duì)段塞流特性的研究已經(jīng)納入國(guó)家十二五計(jì)劃；此外，一些油田也將段塞流的特性、預(yù)測(cè)及控制的研究列入重點(diǎn)研究課題。一般認(rèn)為液塞形成的基本機(jī)理是界面波的Kelvin-Helmholtz不穩(wěn)定性。當(dāng)壓力的變化產(chǎn)生的抽吸力作用于水波，并克服對(duì)界面波起穩(wěn)定作用的重力時(shí)，就會(huì)發(fā)生Kelvin-Helmholtz不穩(wěn)定效應(yīng)，界面波生長(zhǎng)，直至形成液塞。理論分析得到的經(jīng)典Kelvin-Helmholtz不穩(wěn)定性準(zhǔn)則為： （10）然而對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，臨界氣相速度uG的計(jì)算結(jié)果明顯大于液塞形成時(shí)的實(shí)際氣相速度。Kordyban 等人(1970)通過(guò)研究矩形截面管中

26、的流動(dòng)后指出，管道分層流中的 Kelvin-Helmholtz 不穩(wěn)定性因上管壁的近距離效應(yīng)而加強(qiáng)。Wallis 等人在方形截面管中的研究表明，重力對(duì)已形成的界面波有破壞作用，空氣動(dòng)力學(xué)升力促進(jìn)波的生長(zhǎng)。同時(shí)，他們首次應(yīng)用“起塞”這一術(shù)語(yǔ)來(lái)描述這一現(xiàn)象，且預(yù)測(cè)液塞形成的 Kelvin-Helmholtz 不穩(wěn)定性判據(jù)為： （11）比較式(10)和式(11)可知, 應(yīng)用經(jīng)典的Kelvin-Helmholtz不穩(wěn)定性準(zhǔn)則預(yù)測(cè)段塞流時(shí)，對(duì)氣相速度的計(jì)算結(jié)果大約是實(shí)際氣相速度的兩倍。Taitel和Dukler對(duì)分層流界面上孤波的分析表明，波面上壓力的變化是Bernoulli力作用的結(jié)果，它是界面波不穩(wěn)

27、定性產(chǎn)生的原因。認(rèn)為當(dāng)持續(xù)生長(zhǎng)的不穩(wěn)定界面波在分層流界面和上管壁之間形成液橋時(shí)，液塞形成。由此得到了水平管和微傾管中分層流向段塞流轉(zhuǎn)變的判據(jù)。 （12）圖8 Taitel & Dukler (1976)和無(wú)粘 Kelvin-Helmholtz (IKH)流型轉(zhuǎn)化曲線如果系數(shù)K=1，式(12)就轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)粘Kelvin-Helmholtz準(zhǔn)則。但是，Taitel和Dukler認(rèn)為這一準(zhǔn)則(IKH)高估了流型轉(zhuǎn)化的邊界，因而推薦使用K=1-hL/D。Taitel和Dukler和無(wú)粘Kelvin-Helmholtz(IKH)流型轉(zhuǎn)化曲線如圖8所示，對(duì)于水平空氣-低粘度液體兩相流，特別當(dāng)表觀氣速

28、較低時(shí)，Taitel和Dukler的預(yù)測(cè)和實(shí)際更為接近。當(dāng)hL/D=0.5時(shí)，可知式(12)與式(11)等價(jià)。Mishima1和Ishii(1980)提出了“最危險(xiǎn)波”的概念?！白钗ｋU(xiǎn)波”的定義是指具有最大生長(zhǎng)率的界面波。他們將最危險(xiǎn)波的出現(xiàn)作為液塞產(chǎn)生的先決條件，通過(guò)理論分析,得到了液塞形成的不穩(wěn)定性判據(jù)： （13）該式與Wallis等人的準(zhǔn)則式(11)吻合。在此期間，還有些研究者針對(duì)液塞形成機(jī)理這一問(wèn)題，提出了有別于Kelvin-Helmholtz不穩(wěn)定性的觀點(diǎn)。Kordyban51(1977)在其早期的研究中認(rèn)為，液塞是由于有限振幅界面波的發(fā)展而形成的。通過(guò)進(jìn)一步研究，Kordyban(

29、1985)又認(rèn)為液塞形成于界面波的局部不穩(wěn)定性，而不是界面波的整體不穩(wěn)定性。而Trapp(1986)則懷疑局部 Kelvin-Helmholtz 不穩(wěn)定性的存在。他認(rèn)為，就物理機(jī)理而言，粘性和表面張力對(duì)短波的生長(zhǎng)有抑制作用。Gardner(1979)認(rèn)為液塞的形成與高、低液位間的能量通量有關(guān)。Ahmed等人(1985)應(yīng)用非線性理論分析了非粘性流體二維流動(dòng)條件下界面波的不穩(wěn)定性，研究結(jié)果表明，非線性波相對(duì)于線性波來(lái)說(shuō)更不穩(wěn)定。以上研究者對(duì)界面波不穩(wěn)定性的分析均沒(méi)有考慮流體粘性的影響，所研究的理論也都屬于理想流體界面波不穩(wěn)定性理論。理想流體的不穩(wěn)定性分析通常采用二維模型，主要研究伯努利方程的不穩(wěn)

30、定性，而粘性不穩(wěn)定性理論通常以一維兩流體模型為基礎(chǔ)。Lin和Hanratty(1986)對(duì)液體粘性的研究結(jié)果表明，當(dāng)流體不穩(wěn)定性發(fā)生時(shí)，界面波波速大于液體的平均流速，液塞由長(zhǎng)波發(fā)展而來(lái)。李廣軍(1996)也認(rèn)為是界面長(zhǎng)波失穩(wěn)形成液塞。Fershneider 等人(1985)對(duì)油氣兩相管流的研究表明，考慮粘性的不穩(wěn)定性準(zhǔn)則不同于經(jīng)典的 Kelvin-Helmholtz 不穩(wěn)定性準(zhǔn)則。Wu等人(1987)用考慮粘性的線性不穩(wěn)定性理論對(duì)液塞形成機(jī)理進(jìn)行分析，得到的結(jié)果與25.4mm水平氣水兩相流的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符，而與直徑為203.2mm水平管高壓條件下油氣兩相流的試驗(yàn)結(jié)果有很大差別。他們的研究結(jié)果說(shuō)明

31、,管徑、壓力以及液體粘性等都對(duì)液塞的形成有影響。Barnea(1991)考慮流體粘性的Kelvin-Helmholtz不穩(wěn)定性，對(duì)氣液兩相流進(jìn)行分析后指出，中性穩(wěn)定條件與分層流向段塞流的轉(zhuǎn)換沒(méi)有直接關(guān)系,而與不穩(wěn)定滾動(dòng)波直接相關(guān)。Fan等人(1993)以及Woods等人(1996)的實(shí)驗(yàn)表明，從非粘性的Kelvin-Helmholtz不穩(wěn)定性理論出發(fā)可將發(fā)生界面波不穩(wěn)定性作為分層流向段塞流的轉(zhuǎn)變點(diǎn)；從粘性的Kelvin-Helmholtz不穩(wěn)定性理論出發(fā)，可以認(rèn)為液塞的穩(wěn)定性是分層流發(fā)展為段塞流的轉(zhuǎn)變點(diǎn)。非粘性理論是低粘性理論的近似。Fabre等人(1992)認(rèn)為非粘性的穩(wěn)定性是分層流發(fā)展為段

32、塞流的轉(zhuǎn)變點(diǎn)。非粘性理論是低粘性理論的近似。Fabre等人(1992)認(rèn)為非粘性的Kelvin-Helmholtz不穩(wěn)定性理論不適用于高粘性流體。而 Barnea和Taitel(1993)的研究結(jié)果表明,非粘性的 Kelvin-Helmholtz不穩(wěn)定性分析結(jié)果卻與高粘性液體的結(jié)果相符，而與低粘性液體的結(jié)果有很大的偏差。目前，在粘度的高低如何影響液塞形成這一問(wèn)題上還沒(méi)有取得一致的看法。盡管眾多的研究者在界面波的不穩(wěn)定性是液塞形成的基本機(jī)理這一點(diǎn)上持相同的觀點(diǎn)，在液塞形成點(diǎn)的定義上卻存在著分歧。5，總結(jié)國(guó)內(nèi)外研究者已經(jīng)發(fā)展了若干理論準(zhǔn)則來(lái)預(yù)測(cè)水平氣液兩相流由分層流向段塞流轉(zhuǎn)換，但是在液塞形成點(diǎn)的

33、問(wèn)題上還沒(méi)有達(dá)成共識(shí)。由于段塞流跨越的兩相速度區(qū)域較廣，決定流型向段塞流轉(zhuǎn)換的臨界條件不是唯一的，需要綜合多個(gè)理論準(zhǔn)則對(duì)流型的轉(zhuǎn)換進(jìn)行研究。理論預(yù)測(cè)流型轉(zhuǎn)換的效果受制于兩流體模型中有關(guān)于氣液界面剪切應(yīng)力(或摩擦)的本構(gòu)關(guān)系，一種方案是采用受本構(gòu)關(guān)系影響較小的理論模型，另一種方案是盡量提高氣液界面本構(gòu)關(guān)系的計(jì)算準(zhǔn)確度。由于該本構(gòu)關(guān)系主要涉及氣液界面的粗糙程度，隨著氣液相速度的上升，需要定量分析粗糙的氣液界面對(duì)兩相流場(chǎng)、摩擦壓降、持液率等基本參數(shù)的影響。6，參考文獻(xiàn)1 郭烈錦, 李廣軍, 陳學(xué)俊. 臥式螺旋管內(nèi)油氣水三相流流型的實(shí)驗(yàn)研究J. 西安交通大學(xué)學(xué)報(bào), 1997 , 31 (4) : 54

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